Les gyroscopes peuvent être des objets très déroutants car ils se déplacent de manière particulière et semblent même défier la gravité. Ces propriétés spéciales rendent les gyroscopes extrêmement importants dans tout, de votre vélo au système de navigation avancé de la navette spatiale. Un avion typique utilise environ une douzaine de gyroscopes dans tout, de sa boussole à son pilote automatique. La station spatiale russe Mir a utilisé 11 gyroscopes pour garder son orientation vers le soleil, et le télescope spatial Hubble possède également un lot de gyroscopes de navigation. Les effets gyroscopiques sont également au cœur de choses comme les yo-yo et les frisbees !
Dans cette édition de CommentStuffWorks , nous examinerons les gyroscopes pour comprendre pourquoi ils sont si utiles dans tant d'endroits différents. Vous découvrirez également la raison de leur comportement très étrange !
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Cliquez ici pour télécharger la vidéo full-motion de 30 secondes montrant la précession au travail. (1,7 Mo) Si vous avez déjà joué avec des gyroscopes jouets, vous savez qu'ils peuvent effectuer toutes sortes de tours intéressants. Ils peuvent tenir en équilibre sur une ficelle ou un doigt; ils peuvent résister au mouvement autour de l'axe de rotation de manières très étranges; mais l'effet le plus intéressant s'appelle précession . C'est la partie défiant la gravité d'un gyroscope. La vidéo suivante vous montre les effets de la précession en utilisant une roue de vélo comme gyroscope :
La section la plus étonnante de la vidéo, et aussi ce qui est incroyable avec les gyroscopes, est la partie où la roue de vélo gyroscopique est capable de s'accrocher dans l'air comme ceci :
La capacité d'un gyroscope à "défier la gravité" est déconcertante ! Comment peut-il faire cela ?
Cet effet mystérieux est la précession. Dans le cas général, la précession fonctionne comme ceci :si vous avez un gyroscope en rotation et que vous essayez de faire tourner son axe de rotation, le gyroscope essaiera plutôt de tourner autour d'un axe perpendiculaire à votre axe de force, comme ça:
Dans la figure 1, le gyroscope tourne sur son axe. Dans la figure 2, une force est appliquée pour essayer de faire tourner l'axe de rotation. Dans la figure 3, le gyroscope réagit à la force d'entrée le long d'un axe perpendiculaire à la force d'entrée. Alors pourquoi la précession se produit-elle?
Lorsque des forces sont appliquées à l'essieu, les deux points identifiés tenteront de se déplacer dans les directions indiquées. Pourquoi un gyroscope devrait-il afficher ce comportement ? Il semble totalement absurde que l'axe de la roue de vélo puisse pendre en l'air comme ça. Si vous pensez à ce qui se passe réellement dans les différentes sections du gyroscope lorsqu'il tourne, cependant, vous pouvez voir que ce comportement est tout à fait normal !
Regardons deux petites sections du gyroscope pendant qu'il tourne - le haut et le bas, comme ça:
Lorsque la force est appliquée à l'essieu, la section en haut du gyroscope essaiera de se déplacer vers la gauche, et la section en bas du gyroscope essaiera de se déplacer vers la droite, comme montré. Si le gyroscope ne tourne pas, puis la roue s'effondre, comme le montre la vidéo de la page précédente. Si le gyroscope tourne, pensez à ce qui arrive à ces deux sections du gyroscope : La première loi du mouvement de Newton déclare qu'un corps en mouvement continue à se déplacer à une vitesse constante le long d'une ligne droite à moins qu'il n'agisse sur une force déséquilibrée. Ainsi, le point haut du gyroscope est sollicité par la force appliquée sur l'axe et commence à se déplacer vers la gauche. Il continue d'essayer de se déplacer vers la gauche à cause de la première loi du mouvement de Newton, mais la rotation du gyroscope le fait tourner, comme ça:
Lorsque les deux points tournent, ils continuent leur mouvement. Cet effet est la cause de la précession. Les différentes sections du gyroscope reçoivent des forces en un point mais tournent ensuite vers de nouvelles positions ! Lorsque la section au sommet du gyroscope pivote de 90 degrés sur le côté, il continue dans son désir de se déplacer vers la gauche. Il en va de même pour la section du bas - elle pivote de 90 degrés sur le côté et continue dans son désir de se déplacer vers la droite. Ces forces font tourner la roue dans le sens de la précession. Alors que les points identifiés continuent de pivoter de 90 degrés supplémentaires, leurs motions originales sont annulées. Ainsi, l'axe du gyroscope est suspendu dans l'air et précesse. Quand vous le regardez de cette façon, vous pouvez voir que la précession n'est pas du tout mystérieuse - elle est totalement conforme aux lois de la physique !
L'effet de tout cela est que, une fois que vous faites tourner un gyroscope, son axe veut continuer à pointer dans la même direction. Si vous montez le gyroscope dans un ensemble de cardan pour qu'il puisse continuer à pointer dans la même direction, ce sera. C'est la base de la gyroscope .
Si vous montez deux gyroscopes avec leurs axes perpendiculaires l'un à l'autre sur une plate-forme, et placez la plate-forme à l'intérieur d'un ensemble de cardans, la plate-forme restera complètement rigide pendant que les cardans tournent comme bon leur semble. C'est cette base de systèmes de navigation inertielle (INS).
Dans un INS, les capteurs sur les axes des cardans détectent quand la plate-forme tourne. L'INS utilise ces signaux pour comprendre les rotations du véhicule par rapport à la plate-forme. Si vous ajoutez à la plate-forme un ensemble de trois accéléromètres , vous pouvez dire exactement où se dirige le véhicule et comment son mouvement change dans les trois directions. Avec ces informations, le pilote automatique d'un avion peut maintenir le cap, et le système de guidage d'une fusée peut insérer la fusée dans une orbite souhaitée !
Pour plus d'informations sur les gyroscopes et leurs applications, consultez les liens sur la page suivante!
