I giroscopi possono essere oggetti molto sconcertanti perché si muovono in modi particolari e sembrano persino sfidare la gravità. Queste proprietà speciali rendono i giroscopi estremamente importanti in tutto, dalla bicicletta al sistema di navigazione avanzato sullo space shuttle. Un tipico aeroplano utilizza una dozzina di giroscopi in tutto, dalla bussola al pilota automatico. La stazione spaziale russa Mir ha utilizzato 11 giroscopi per mantenere il suo orientamento verso il sole, e il telescopio spaziale Hubble ha anche una serie di giroscopi di navigazione. Gli effetti giroscopici sono fondamentali anche per cose come yo-yo e frisbee!
In questa edizione di Come funzionano le cose , esamineremo i giroscopi per capire perché sono così utili in così tanti posti diversi. Verrai anche a vedere il motivo dietro il loro comportamento molto strano!
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Clicca qui per scaricare il video full motion di 30 secondi che mostra la precessione al lavoro. (1,7MB) Se hai mai giocato con i giroscopi giocattolo, sai che possono eseguire tutti i tipi di trucchi interessanti. Possono stare in equilibrio su una corda o un dito; possono resistere al movimento attorno all'asse di rotazione in modi molto strani; ma l'effetto più interessante si chiama precessione . Questa è la parte che sfida la gravità di un giroscopio. Il seguente video mostra gli effetti della precessione usando una ruota di bicicletta come giroscopio:
La sezione più sorprendente del video, e anche la cosa incredibile dei giroscopi, è la parte in cui la ruota giroscopica della bicicletta è in grado di rimanere sospesa in aria in questo modo:
La capacità di un giroscopio di "sfidare la gravità" è sconcertante! Come può farlo?
Questo misterioso effetto è la precessione. Nel caso generale, la precessione funziona in questo modo:se hai un giroscopio rotante e provi a ruotare il suo asse di rotazione, il giroscopio cercherà invece di ruotare attorno a un asse ad angolo retto rispetto all'asse della forza, come questo:
Nella figura 1, il giroscopio gira sul suo asse. Nella figura 2, viene applicata una forza per provare a ruotare l'asse di rotazione. Nella figura 3, il giroscopio reagisce alla forza in ingresso lungo un asse perpendicolare alla forza in ingresso. Allora perché avviene la precessione?
Quando le forze vengono applicate all'asse, i due punti individuati cercheranno di muoversi nelle direzioni indicate. Perché un giroscopio dovrebbe mostrare questo comportamento? Sembra totalmente assurdo che l'asse della ruota della bicicletta possa rimanere sospeso in aria in quel modo. Se pensi a cosa sta realmente accadendo alle diverse sezioni del giroscopio mentre ruota, però, puoi vedere che questo comportamento è del tutto normale!
Diamo un'occhiata a due piccole sezioni del giroscopio mentre ruota:la parte superiore e quella inferiore, come questo:
Quando la forza viene applicata all'asse, la sezione nella parte superiore del giroscopio cercherà di spostarsi a sinistra, e la sezione in fondo al giroscopio cercherà di spostarsi a destra, come mostrato. Se il giroscopio non gira, poi la ruota si ribalta, come mostrato nel video nella pagina precedente. Se il giroscopio gira, pensa a cosa succede a queste due sezioni del giroscopio: La prima legge del moto di Newton afferma che un corpo in movimento continua a muoversi a velocità costante lungo una linea retta a meno che non sia agito da una forza sbilanciata. Quindi il punto più alto del giroscopio subisce l'azione della forza applicata all'asse e inizia a muoversi verso sinistra. Continua cercando di spostarsi verso sinistra a causa della prima legge del moto di Newton, ma la rotazione del giroscopio lo fa ruotare, come questo:
Quando i due punti ruotano, continuano il loro movimento. Questo effetto è la causa della precessione. Le diverse sezioni del giroscopio ricevono forze in un punto ma poi ruotano in nuove posizioni! Quando la sezione nella parte superiore del giroscopio ruota di 90 gradi di lato, continua nel suo desiderio di spostarsi a sinistra. Lo stesso vale per la sezione in basso:ruota di 90 gradi di lato e continua nel suo desiderio di spostarsi a destra. Queste forze fanno ruotare la ruota nella direzione della precessione. Poiché i punti identificati continuano a ruotare di 90 gradi in più, le loro mozioni originarie sono annullate. Quindi l'asse del giroscopio è sospeso in aria e precede. Quando la guardi in questo modo puoi vedere che la precessione non è affatto misteriosa:è totalmente in armonia con le leggi della fisica!
L'effetto di tutto questo è che, una volta che fai girare un giroscopio, il suo asse vuole continuare a puntare nella stessa direzione. Se monti il giroscopio in un set di gimbal in modo che possa continuare a puntare nella stessa direzione, lo farà. Questa è la base del girobussola .
Se si montano due giroscopi con i loro assi ad angolo retto l'uno rispetto all'altro su una piattaforma, e posizionare la piattaforma all'interno di una serie di gimbal, la piattaforma rimarrà completamente rigida mentre i gimbal ruotano a loro piacimento. Questa è questa base di sistemi di navigazione inerziale (INS).
In un INS, i sensori sugli assi delle sospensioni cardaniche rilevano quando la piattaforma ruota. L'INS utilizza questi segnali per comprendere le rotazioni del veicolo rispetto alla piattaforma. Se aggiungi alla piattaforma un set di tre sensibili accelerometri , puoi dire esattamente dove si sta dirigendo il veicolo e come sta cambiando il suo movimento in tutte e tre le direzioni. Con queste informazioni, il pilota automatico di un aereo può mantenere l'aereo in rotta, e il sistema di guida di un razzo può inserire il razzo nell'orbita desiderata!
Per ulteriori informazioni sui giroscopi e sulle loro applicazioni, controlla i link nella pagina successiva!
