Ce este un giroscop?
Un giroscop este un instrument care servește la menținerea sau conservarea orientării și a vitezei unghiulare a unui obiect. Pentru a face acest lucru, el utilizează principiul conservării orientării momentului cinetic. Dotat cu un disc care se rotește liber, giroscopul este capabil să ia toate orientările posibile, păstrându-și în același timp axa de rotație invariabilă.
Într-adevăr, atunci când discul de rotație al unui giroscop se rotește, axa de rotație a instrumentului rămâne stabilă, chiar și pe un suport înclinat. Pe măsură ce discul prinde viteză, momentul cinetic devine tot mai mare, stabilizând astfel giroscopul și obiectul în care este încorporat.
Mișcarea de precesie
În timpul rotației, dacă s-ar exercita o forță asupra axei, giroscopul ar intra în dezechilibru. Axa se deplasează mai lent, urmând o mișcare conică numită mișcare de precesie. Giroscopul continuă să se rotească, dar nu cade.
Giroscopul și mișcarea cinetică
În fizică și mecanica clasică, giroscopul și mișcarea cinetică sunt indisolubil legate una de cealaltă. Dacă primul se referă la un mecanism de observare a rotației și a poziției unghiulare, cel de-al doilea este o mărime vectorială utilizată pentru conservarea aceleiași rotații. Descoperiți aici tot ce trebuie să știți despre giroscop și momentul cinetic.
Momentul cinetic
Denumit și moment unghiular, momentul cinetic este o mărime vectorială care are aceeași direcție și același sens ca viteza unghiulară. Pentru ca acest lucru să fie posibil, axa de rotație a obiectului trebuie să fie totodată și axa sa de simetrie.
De la un punct material M la un punct O, momentul cinetic este egal cu momentul cantității de mișcare față de punctul O, conform Wikipedia. Când momentul cinetic nu se modifică, axa de rotație rămâne stabilă. Aceasta este conservarea momentului cinetic sau efectul giroscopic.
Efectul giroscopic
Pentru a înțelege concret acest mecanism, luați o roată de bicicletă. Țineți-o la distanța brațului de piulițele butucului. Rugați pe cineva să învârtă roata rapid. Dacă încercați să vă aplecați spre roata care se rotește, veți simți o rezistență. Conservarea momentului de rotație se opune acestei mișcări. Este efectul giroscopic care permite menținerea acestei roți în echilibru. Este important de reținut că efectul giroscopic crește odată cu viteza de rotație.
Istoria giroscopului
Primul giroscop cu trei axe a fost inventat de Léon Foucault în 1852. Acesta din urmă este cunoscut pentru crearea pendulului lui Foucault. În timpul unui experiment legat de rotația Pământului, Foucault a observat că pendulul său se rotea mai încet în comparație cu rotația Pământului. Acest experiment l-a determinat să conceapă un instrument capabil să mențină o rotație rapidă pentru o perioadă destul de lungă. Împreună cu colaboratorul său, Forment, a creat giroscopul. De asemenea, a observat că acest nou instrument era capabil să indice nordul și să se alinieze la meridian. L-a numit busola giroscopică.
Începând cu sfârșitul secolului al XIX-lea, au apărut primele giroscoape motorizate. Girobusolele sunt utilizate acum pentru a indica nordul geografic și nu nordul magnetic. Acestea din urmă înlocuiesc, de asemenea, busolele de pe nave. Începând cu secolul al XX-lea, busolele giroscopice au fost prezente în echipamentele militare.
Astăzi, giroscoapele sunt utilizate și pentru a menține stabilitatea dispozitivelor electronice. Acestea se regăsesc acum în ceasuri, dar și în smartphone-uri, unde iau forma unor microsisteme electromecanice inerțiale.
Componentele unui giroscop
Un giroscop mecanic este compus în esență din următoarele elemente:
- Un disc rotativ în centru. În centrul acestui disc se află centrul de greutate al giroscopului, fără de care instrumentul nu poate funcționa.
- O axă de rotație care trece prin centrul discului și care este orientată în orice direcție.
- Trei cardane (suport rotativ care permite unui obiect să se rotească în jurul unei singure axe) care permit realizarea unui giroscop cu trei axe:
- Unul fixat de ax prin intermediul unor rulmenți cu bile.
- Al doilea este fixat pe axa interioară
- Un al treilea fixat de cadrul exterior
Utilizări ale giroscopului
Astăzi, giroscopul este utilizat în mai multe domenii, pe lângă fizică, precum și în numeroase sectoare (industrie, aviație, industria petrolieră etc.). Este utilizat în:
- Ghidarea torpilelor și a rachetelor
- Coordonarea sau indicarea virajelor într-un avion
- Fabricarea anumitor obiecte antistres, precum titirezele, yo-yo-urile, vorteconurile sau spinnerele
- Stabilizarea camerei în timpul filmării unui obiect în mișcare
- Construirea de motociclete, biciclete sau vehicule cu două roți în echilibru
- Construirea de elicoptere telecomandate și multe altele
De altfel, acest instrument este utilizat și în stațiile spațiale, la bordul telescopului spațial Hubble și în diverse alte domenii rezervate experților în fizică.