شتاب سنج چیست؟
شتاب سنج دارای مدل‌های یک محوری و چند محوری است که می توانند اندازه و جهت شتاب را به عنوان یک کمیت برداری اندازه گیری کنند؛ می توان از حسگرهای شتاب سنج برای تعیین موقعیت و آشکار سازی لرزش و ضربه استفاده کرد. شتاب سنج‌های ریزماشین کاری شده با روند رو به افزایشی در لوازم الکترونیکی قابل حمل و کنترلرهای بازی‌های کامپیوتری برای تعیین موقعیت و به عنوان ورودی بازی‌های کامپیوتری به کار می روند.
اصول فیزیکی
شتاب سنج مقدار شتاب صحیح را که شتاب نسبت به جسم در حال سقوط آزاد است را اندازه گیری می کند. شتاب صحیح شتابی است که اجسام و اشخاص آن را احساس می کنند. معمولاً شتاب را برحسب نیروی گرانش ‘g=9.8m/s^2’اندازه گیری می کنند. به عبارت دیگر، بر اساس اصل هم-ارزی در فیزیک در هر نقطه از فضا یک دستگاه مرجع مانا وجود دارد، و شتاب سنج شتاب نسبت به آن دستگاه شتاب را اندازه می گیرد. به این صورت که فرض میکند اگر قرار بود در دستگاه مرجع مانا بدون شتاب باشد هیچ نیرویی به آن وارد نمی شد و حال نیروهای وارد به خود را اندازه می گیرد و شتابی را که باید داشته باشد حدس می زند.
شتاب صحیح شتابی است که با توجه به نیروهای وارد بر جسم محاسبه می شود. طبق اصل هم-ارزی تفاوتی بین جسمی که در یک سفینهٔ فضایی با شتاب ۱g حرکت میکند و جسمی که روی زمین قرار دارد و تحت نیروی گرانش ۱g قرار دارد وجود ندارد و تحت اثر همان نیروهایی قرار دارد که جسم در حال حرکت شتاب دار تحت اثر آنها است. بنابراین شتاب سنجی که در حالت ساکن نسبت به سطح زمین قرار گرفته است شتابی برابر ۱g به سمت بالا را نشان خواهد داد، زیرا هر نقطه روی سطح زمین نسبت به دستگاه مرجع لخت محلی به سمت بالا شتاب می گیرد. این دستگاه مرجع لخت محلی دستگاه یک جسم در حال سقوط آزاد روی سطح زمین است. برای اینکه مقدار شتاب خالص ناشی از حرکت را نسبت به زمین به دست آوریم باید مقدار تفاوت شتابی که گرانش ایجاد می کند، را کم کرد. از آنجایی که نیروی گرانش موجب شتاب صحیح نمی شود و شتاب سنج نسبت به شتاب گرانشی حساس نیست، و مقدار آن را نمی تواند مستقیما اندازه گیری کند، این موضوع به طور کلی در مورد هر میدان گرانشی درست است.
علت وجود اختلاف به دلیل گرانش را می توان با اصل هم ارزی انیشتین توجیه کرد. این اصل بیان میکند که اثر گرانش بر اجسام از اثر شتاب دستگاه مرجع غیر قابل تفکیک است. هنگامی که در یک میدان گرانشی به وسیلهٔ اعمال نیروی واکنش از طرف زمین و یا نیروی مخالف برابر دیگری به سمت بالا در حالت سکون هستیم، دستگاه مرجع برای یک شتاب سنج (بدنهٔ شتاب سنج) نسبت به دستگاه مرجع متصل به جسم در حال سقوط آزاد دارای شتابی به سمت بالا است. اثر شتاب این دستگاه مرجع از هر شتاب دیگری که روی ابزار اعمال می شود، غیر قابل تفکیک است. بنابراین یک شتاب سنج نمی تواند تفاوت بین نشستن درون یک موشک روی سکوی پرتاب و حرکت در همان موشک با شتاب ۱g در اعماق فضا را تشخیص دهد.
به همین دلیل یک شتاب سنج در هنگام سقوط آزاد شتاب صفر را نشان می دهد. این موضوع شامل استفاده از شتاب سنج درون یک سفینهٔ اکتشافی در اعماق فضا و به دور از هر جرم، سفینه ای که به دور زمین می گردد، هواپیمایی که در قوس سهموی صفر-g یا هر مسیر سقوط آزاد دیگری در خلا را طی می کند، می شود. یک مثال برای این مورد سقوط آزاد از ارتفاع زیاد با صرف نظر از اثر اتمسفری است.
اگرچه این موضوع در مورد یک سقوط غیر آزاد که مقاومت هوا موجب نیروی پس کشی و کاهش شتاب می‌شود صدق نمی کند، ولی پس از اینکه به سرعت حد رسیدیم، شتاب سنج شتاب ۱g به سمت بالا را احساس می کند. این شتاب ناشی از نیروی پس کشی است. مثالی عملی از این مسئله هنگامی است که یک چترباز در حال سقوط به سرعت حد می رسد و دیگر احساس نمی کند که در حال سقوط آزاد است و احساسی مشابه خوابیدن روی تختی از هوا دارد.
شتاب در دستگاه SI با واحد متر بر ثانیه بر ثانیه (m/s2)، در دستگاه cgs با واحد Gal و به طور معمول با واحد نیروی گرانش (g) تعیین می شود.
به دلایل عملی برای اندازه گیری شتاب اجسام نسبت به زمین، مثلا برای استفاده در سیستم‌های ناوبری ماندی، اطلاعاتی از گرانش در محل مورد نیاز است. که این مشکل از طریق تنظیم دستگاه در حالت سکون یا از طریق یک مدل تقریبی از گرانش در محل کنونی برطرف می شود.
