Il giroscopio può essere un oggetto sconcertante perché si muove in modi particolari e sembra addirittura sfidare la gravità. Queste proprietà speciali sono il motivo per cui i giroscopi possono essere trovati in una vasta gamma di macchine, tra cui la bicicletta e il sistema di navigazione avanzato dello space shuttle.
Un tipico aereo utilizza circa una dozzina di giroscopi in ogni cosa, dalla bussola al pilota automatico. Ad esempio, la stazione spaziale russa Mir ha utilizzato 11 giroscopi per mantenere il suo orientamento rispetto al sole, e anche il telescopio spaziale Hubble ha un lotto di giroscopi per la navigazione. Gli effetti giroscopici sono fondamentali anche per giocattoli come yo-yo e frisbee.
Diamo uno sguardo più approfondito a questo dispositivo per capire meglio perché è così utile e versatile in una serie di applicazioni tecnologiche.
ContenutoUn giroscopio è un dispositivo meccanico o elettronico che utilizza il principio del momento angolare per mantenere il proprio orientamento rispetto all'asse terrestre o resistere ai cambiamenti nel suo orientamento. Un giroscopio è generalmente costituito da un rotore rotante, che fornisce momento angolare, e una serie di sospensioni cardaniche o supporti imperniati.
Ogni giroscopio è costruito attorno a uno o più assi, che fungono da elemento fondamentale nella costruzione del dispositivo. L'asse di rotazione è spesso allineato con l'asse Z, consentendo al rotore giroscopico di ruotare liberamente, fondamentale per il funzionamento del dispositivo. L'alloggiamento o il telaio, insieme ai cuscinetti, fornisce supporto strutturale e protegge i componenti interni.
Mentre i giroscopi ad asse singolo hanno un solo asse di rotazione primario, altri, come i giroscopi a tre assi, sono progettati per misurare i cambiamenti di movimento e orientamento lungo tutti e tre gli assi spaziali:X, Y e Z. Il numero specifico e l'orientamento di questi assi possono variano a seconda del design del giroscopio e dell'applicazione prevista.
Pensa a un giroscopio ad asse singolo come a un'altalena che va solo avanti e indietro. Può misurare o rispondere al movimento solo in una direzione. D'altra parte, un giroscopio a tre assi è come una trottola che puoi muovere in qualsiasi direzione:avanti e indietro (asse X), da un lato all'altro (asse Y) e persino con un movimento rotatorio come una trottola ( asse Z).
Ora ti starai chiedendo cosa c'entra questo dispositivo con la Terra e il suo asse. La connessione tra i due può essere trovata nel concetto di stabilità giroscopica. Il pianeta agisce come un colossale giroscopio perché ruota attorno al proprio asse. Questa rotazione conferisce alla Terra una proprietà nota come momento angolare, il che significa che vuole continuare a girare nella stessa direzione.
I giroscopi, d'altra parte, sono dispositivi progettati per mantenere il loro orientamento nello spazio sfruttando i principi del movimento rotatorio (noto anche come movimento rotatorio). Hanno un rotore rotante che resiste ai cambiamenti nel suo asse.
Quando sottoposti a forze esterne, i giroscopi mostrano un comportamento chiamato precessione, in cui il loro asse cambia gradualmente direzione anziché inclinarsi immediatamente. (Daremo un'occhiata più da vicino a questo comportamento tra poco.)
I giroscopi imitano essenzialmente la stabilità della Terra nella sua rotazione, motivo per cui ingegneri e scienziati possono utilizzare questi dispositivi per ottenere un movimento o un orientamento preciso e costante in qualsiasi cosa, dai sistemi di navigazione ai veicoli spaziali.
Esiste una sola Terra, a meno che tu non viva nel multiverso dei fumetti, ma esistono molti tipi di giroscopi, ciascuno su misura per applicazioni specifiche:
Se hai mai giocato con i giroscopi giocattolo, sai che possono eseguire tutti i tipi di trucchi interessanti. Possono restare in equilibrio su una corda o su un dito e resistere al movimento attorno all'asse di rotazione in modi molto strani, ma l'effetto più interessante è chiamato precessione giroscopica. Questa è la parte del giroscopio che sfida la gravità. Questo video di 30 secondi mostra gli effetti della precessione, utilizzando una ruota di bicicletta come giroscopio.
La sezione più sorprendente del video è probabilmente la parte in cui la ruota giroscopica della bicicletta è in grado di restare sospesa in aria in questo modo:
Come può farlo?
Questo effetto misterioso è la precessione.
In generale, la precessione funziona in questo modo:se hai un giroscopio che gira e provi a cambiare l'orientamento del suo asse di rotazione, il dispositivo risponderà cambiando il suo orientamento lungo un asse diverso che è perpendicolare (ad angolo retto) all'asse del tuo giroscopio. forza applicata.
Allora perché avviene la precessione?
Guarda l'illustrazione di tre ruote che girano:
Perché un giroscopio mostra questo comportamento? Sembra del tutto insensato che l'asse della ruota della bicicletta possa restare sospeso in aria in questo modo.
Se pensi a cosa succede realmente alle diverse sezioni del giroscopio mentre ruota, 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, in questo modo:
Quindi il punto più alto del giroscopio viene influenzato dalla forza applicata all'asse e inizia a muoversi verso sinistra. Continua a cercare di spostarsi verso sinistra a causa della prima legge del moto di Newton, ma la rotazione del giroscopio lo fa ruotare.
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 lateralmente, continua nel suo desiderio di spostarsi verso sinistra.
Lo stesso vale per la sezione in basso:ruota di 90 gradi lateralmente e continua nel suo desiderio di spostarsi verso destra. Queste forze fanno ruotare la ruota nella direzione della precessione.
Man mano che i punti identificati continuano a ruotare di altri 90 gradi, i loro movimenti originali si annullano. Quindi l'asse del giroscopio è sospeso nell'aria ed è in precessione. Se la guardi in questo modo, puoi vedere che la precessione non è affatto misteriosa:è totalmente in linea con le leggi della fisica.
L'effetto di tutto ciò è che, una volta fatto girare un giroscopio, il suo asse continua a puntare nella stessa direzione. Se monti il giroscopio su una serie di gimbal in modo che possa continuare a puntare nella stessa direzione, lo farà. Questa è la base della girobussola.
Se monti due giroscopi con i loro assi ad angolo retto tra loro su una piattaforma e posizioni la piattaforma all'interno di una serie di gimbal, la piattaforma rimarrà completamente rigida mentre i gimbal ruotano nel modo che preferiscono. Questa è la base dei sistemi di navigazione inerziale (INS).
In un INS, i sensori sugli assi dei gimbal 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 accelerometri sensibili, puoi sapere esattamente dove si sta dirigendo il veicolo e come cambia 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 dirigere il razzo nell'orbita desiderata.
Questo è interessanteIl lavoro pionieristico di Léon Foucault con il giroscopio nel 19° secolo ha rivoluzionato la nostra comprensione della rotazione terrestre. Foucault sospese un grande giroscopio a un filo sottile, dimostrando la sua straordinaria proprietà di mantenere il suo asse di rotazione nonostante il movimento della Terra. Mentre la Terra girava sotto di esso, l'asse del giroscopio cambiava lentamente direzione, offrendo una prova tangibile della rotazione terrestre. Questo pendolo di Foucault è diventato un'iconica dimostrazione scientifica, evidenziando l'interazione tra fisica e astronomia.
Questo articolo è stato aggiornato insieme alla tecnologia AI, quindi verificato e modificato da un editor di HowStuffWorks.
