Um giroscópio (do grego “que observa a rotação”) é um dispositivo constituído por um disco cujo eixo de rotação é livre para tomar todas as orientações possíveis graças a um sistema de cardan . Este dispositivo explora o princípio da conservação do momento angular em física (ou mesmo a estabilidade giroscópica ou efeito giroscópico). Esta lei fundamental da mecânica é que, na ausência de torque aplicado a um sólido girando em torno de um de seus eixos principais , este último retém seu eixo invariável de rotação. Quando um torque é aplicado ao dispositivo, ele causa precessão ou nutação do sólido em rotação.
Os giroscópios são usados como sensores de posição angular, enquanto os giroscópios são sensores de taxa angular. O giroscópio fornece a posição angular (ao longo de um ou dois eixos apenas) de seu quadro de referência em relação a um quadro de referência inercial (ou galileano).
A parte principal do dispositivo é uma roda pesada, cuja massa é transferida para a periferia chamada toro (ou qualquer objeto com simetria cilíndrica) girando em alta velocidade sobre seu eixo. Esta, uma vez iniciada, tende a resistir a mudanças em sua orientação. Quando forçado a fazê-lo, o giroscópio reage de maneira paradoxal: movendo-se não na direção da força que experimenta como seria de se esperar, mas em uma direção perpendicular.
Uma maneira simples de experimentar esse efeito é segurar a roda de uma bicicleta com o braço estendido pelas porcas do cubo e fazer com que outra pessoa a gire rapidamente. Ao tentar inclinar a roda giratória para o lado, você sente resistência. É a conservação do torque que tende a se opor a esse movimento. O efeito giroscópico da resistência inercial também é perceptível quando se segura na mão um grande disco rígido de computador giratório ou um moedor de disco portátil, objetos que tentam se opor a qualquer mudança de direção que lhes seja imposta.
O toro libertado por uma suspensão dupla por balancins (3 graus de liberdade) foi produzido pela primeira vez em 1810 pelo astrônomo alemão Bohnenberger então aperfeiçoado e assim batizado em 1852 por Léon Foucault para demonstrar a rotação da Terra já definida. em 1851 por seu famoso pêndulo, o pêndulo de Foucault . A experiência do pêndulo realizada em público no Panthéon (Paris) não parecia suficientemente convincente para a comunidade científica, o que levou Foucault a produzir um giroscópio de precisão no ano seguinte.
Foucault apresentou assim em 1852 um dispositivo capaz de manter uma rotação suficientemente rápida (150 a 200 rotações por segundo) por um lapso de tempo suficientemente longo (cerca de dez minutos) para que fossem feitas medições observáveis. A realização deste instrumento de alta precisão foi um feito mecânico para a época (e ainda hoje) e ilustra o talento em mecânica de Foucault e de seu colaborador Froment , as partes móveis tendo que ser balanceadas com muito rigor e o atrito reduzido ao mínimo.
A rotação da Terra mostra, para um observador terrestre, uma revolução completa do eixo de rotação do giroscópio em um dia sideral, a direção deste sendo aparentemente fixa em relação às estrelas, este efeito não sendo visível. eixo de rotação do giroscópio é feito paralelo ao eixo de rotação da Terra.
Foucault percebeu que seu dispositivo constituía uma referência inercial e que poderia ser usado para indicar o norte e a latitude do local. Na verdade, uma vez que o eixo do giroscópio feito paralelo ao eixo da Terra, ele não se move mais quaisquer que sejam os movimentos e deslocamentos dados ao seu suporte, mas esta propriedade só poderia ter uma utilidade de demonstração física porque não sabíamos como para manter a rotação de alta velocidade do toro do giroscópio por um período indefinido. Hopkins então usará um motor elétrico em 1890 para conduzir continuamente o toro do giroscópio. Finalmente, graças ao motor elétrico, Anschütz em 1908 e Sperry em 1911 produziram, cada um, uma bússola giroscópica de princípio diferente, sendo a bússola giroscópica uma aplicação particular do giroscópio que é forçado a indicar o Norte. A realização prática de bússolas giroscópicas era ansiosamente aguardada para as necessidades da navegação militar, pois os navios agora eram construídos em metais ferrosos que complicavam o uso da bússola magnética tradicional muito perturbada neste ambiente hostil e ainda mais a bordo de submarinos. Cujas frotas estavam começando crescer. Além disso, a bússola giroscópica permanece operacional em altas latitudes, incluindo nos polos, enquanto a bússola magnética não pode mais ser usada lá. Finalmente, a bússola giroscópica indica o Norte verdadeiro, enquanto a bússola magnética indica o Norte magnético cujo pólo não está localizado no Pólo Norte geográfico. O giroscópio ainda será encontrado na orientação inercial de mísseis e, por exemplo, na pilotagem em direção à Lua durante o programa Apollo . Também é encontrado em satélites artificiais para controle de atitude .
A operação do giroscópio é baseada na conservação do momento angular (ou momento angular ).
Os giroscópios podem ser usados para construir giroscópios que complementam ou substituem bússolas magnéticas (bússolas) - em navios, aeronaves e veículos em geral - bem como para auxiliar na estabilidade de motocicletas, o Telescópio Espacial Hubble e como um repositório para o momento angular para as rodas de reação . Ao contrário da crença popular, o fenômeno da precessão é insignificante no caso do equilíbrio de uma bicicleta .
Os efeitos giroscópicos também são a base de brinquedos como ioiôs , bolas de força , piões ou até mesmo o diabolo .
A equação fundamental que descreve o comportamento do giroscópio é:
onde os vetores e são respectivamente o momento (ou torque ) no giroscópio e seu momento angular .
No caso da aproximação giroscópica onde a velocidade de rotação ω é alta, aproximamos L por , sendo o escalar I seu momento de inércia e seu vetor de velocidade angular . A equação se torna:
onde o vetor é sua aceleração angular.
Segue-se disso que um torque aplicado perpendicular ao eixo de rotação e, portanto, perpendicular a , causa um deslocamento perpendicular a . Esse movimento é chamado de precessão . A velocidade angular da precessão Ω P é dada por
O fenômeno da precessão pode ser observado colocando-se um giroscópio girando em torno de seu eixo vertical e apoiado no solo ou um ponto fixado ao solo em uma das extremidades. Em vez de cair como você poderia esperar, o giroscópio parece desafiar a gravidade ao permanecer em seu eixo vertical, mesmo se uma das extremidades do eixo não tiver sustentação. Com a energia sendo conservada, a extremidade livre do eixo descreve lentamente um círculo em um plano horizontal.
Conforme mostrado pela segunda equação, sob um momento constante devido à gravidade, a velocidade de precessão do giroscópio é inversamente proporcional ao seu momento angular. Isso significa que, à medida que o atrito desacelera o movimento de rotação do giroscópio, a taxa de precessão aumenta. Isso continua até que o dispositivo não consiga mais girar rápido o suficiente para suportar seu próprio peso, então ele para a precessão e cai do suporte.