Le gyroscope peut être un objet déroutant car il se déplace de manière particulière et semble même défier la gravité. Ces propriétés spéciales expliquent pourquoi les gyroscopes peuvent être trouvés dans une gamme de machines, y compris le vélo et le 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. Par exemple, la station spatiale russe Mir a utilisé 11 gyroscopes pour maintenir son orientation vers le soleil, et le télescope spatial Hubble dispose également d'un lot de gyroscopes de navigation. Les effets gyroscopiques sont également essentiels aux jouets comme les yo-yos et les frisbees.
Examinons de plus près cet appareil pour mieux comprendre pourquoi il est si utile et polyvalent dans une multitude d'applications technologiques.
ContenuUn gyroscope est un appareil mécanique ou électronique qui utilise le principe du moment cinétique pour maintenir son orientation par rapport à l'axe de la Terre ou résister aux changements d'orientation. Un gyroscope se compose généralement d'un rotor en rotation, qui fournit un moment cinétique, et d'un ensemble de cardans ou de supports pivotants.
Chaque gyroscope est construit autour d'un ou plusieurs axes, qui constituent un élément fondamental dans la construction de l'appareil. L'axe de rotation est souvent aligné avec l'axe Z, permettant au rotor gyroscopique de tourner librement, ce qui est crucial pour le fonctionnement de l'appareil. Le boîtier ou le cadre, ainsi que les roulements, fournissent un support structurel et protègent les composants internes.
Alors que les gyroscopes à un seul axe n'ont qu'un seul axe de rotation principal, d'autres, comme les gyroscopes à trois axes, sont conçus pour mesurer les changements de mouvement et d'orientation le long des trois axes spatiaux :X, Y et Z. Le nombre spécifique et l'orientation de ces axes peuvent varient en fonction de la conception du gyroscope et de l'application prévue.
Pensez à un gyroscope à axe unique comme une balançoire qui ne fait que faire des allers-retours. Il ne peut mesurer ou répondre à un mouvement que dans une seule direction. D'un autre côté, un gyroscope à trois axes est comme une toupie que vous pouvez déplacer dans n'importe quelle direction :vers l'avant et vers l'arrière (axe X), d'un côté à l'autre (axe Y) et même dans un mouvement de rotation comme une toupie ( Axe Z).
Maintenant, vous vous demandez peut-être ce que cet appareil a à voir avec la Terre et son axe. Le lien entre les deux se retrouve dans le concept de stabilité gyroscopique. La planète agit comme un gyroscope colossal car elle tourne autour de son axe. Cette rotation confère à la Terre une propriété appelée moment cinétique, ce qui signifie qu'elle veut continuer à tourner dans la même direction.
Les gyroscopes, quant à eux, sont des dispositifs conçus pour maintenir leur orientation dans l'espace en exploitant les principes du mouvement de rotation (également appelé mouvement de rotation). Ils ont un rotor en rotation qui résiste aux changements de son axe.
Lorsqu'ils sont soumis à des forces externes, les gyroscopes présentent un comportement appelé précession, dans lequel leur axe change progressivement de direction plutôt que de s'incliner immédiatement. (Nous examinerons ce comportement de plus près dans un instant.)
Les gyroscopes imitent essentiellement la stabilité de la Terre dans sa rotation, c'est pourquoi les ingénieurs et les scientifiques peuvent utiliser ces appareils pour obtenir un mouvement ou une orientation précis et régulier dans tout, des systèmes de navigation aux vaisseaux spatiaux.
Il n'y a qu'une seule Terre — à moins que vous ne viviez dans un multivers de bande dessinée — mais il existe de nombreux types de gyroscopes, chacun étant adapté à des applications spécifiques :
Si vous avez déjà joué avec des gyroscopes jouets, vous savez qu’ils peuvent réaliser toutes sortes de tours intéressants. Ils peuvent s'équilibrer sur une corde ou sur un doigt et résister au mouvement autour de l'axe de rotation de manière très étrange, mais l'effet le plus intéressant est appelé précession gyroscopique. C'est la partie d'un gyroscope qui défie la gravité. Cette vidéo de 30 secondes vous montre les effets de la précession, en utilisant une roue de vélo comme gyroscope.
La section la plus étonnante de la vidéo est sans doute celle où la roue gyroscopique du vélo est capable de se suspendre dans les airs comme ceci :
Comment peut-il faire ça ?
Cet effet mystérieux est la précession.
En général, la précession fonctionne comme ceci :si vous possédez un gyroscope en rotation et essayez de changer l'orientation de son axe de rotation, l'appareil répondra en changeant son orientation le long d'un axe différent qui est perpendiculaire (à angle droit) à l'axe de votre force appliquée.
Alors pourquoi la précession se produit-elle ?
Regardez l'illustration de trois rouets :
Pourquoi un gyroscope affiche-t-il ce comportement ? Il semble totalement absurde que l'axe d'une roue de vélo puisse pendre en l'air de cette façon.
Si vous réfléchissez à ce qui arrive réellement aux différentes sections du gyroscope lors de sa rotation, vous constaterez que ce comportement est tout à fait normal.
Regardons deux petites sections du gyroscope pendant sa rotation — le haut et le bas — comme ceci :
Ainsi, le point supérieur du gyroscope subit l’action de la force appliquée sur l’essieu 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.
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 en haut du gyroscope pivote de 90 degrés sur le côté, elle continue 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 poursuit son désir de se déplacer vers la droite. Ces forces font tourner la roue dans le sens de précession.
À mesure que les points identifiés continuent de tourner de 90 degrés supplémentaires, leurs mouvements d'origine s'annulent. Ainsi, l’axe du gyroscope est suspendu en l’air et précession. Quand vous regardez les choses de cette façon, vous pouvez voir que la précession n'est pas du tout mystérieuse :elle s'aligne totalement sur les 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 cardans afin qu'il puisse continuer à pointer dans la même direction, ce sera le cas. C'est la base du gyrocompas.
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 la base des systèmes de navigation inertielle (INS).
Dans un INS, des 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 sensibles, vous pouvez savoir exactement où se dirige le véhicule et comment son mouvement change dans les trois directions.
Grâce à ces informations, le pilote automatique d'un avion peut maintenir l'avion sur sa trajectoire et le système de guidage d'une fusée peut diriger la fusée sur une orbite souhaitée.
Maintenant, c'est intéressantLes travaux pionniers de Léon Foucault avec le gyroscope au XIXe siècle ont révolutionné notre compréhension de la rotation de la Terre. Foucault a suspendu un grand gyroscope à un fil fin, démontrant sa remarquable propriété de maintenir son axe de rotation malgré le mouvement de la Terre. À mesure que la Terre tournait en dessous, l'axe du gyroscope changeait lentement de direction, offrant ainsi une preuve tangible de la rotation de la Terre. Ce pendule de Foucault est devenu une démonstration scientifique emblématique, mettant en évidence l'interaction de la physique et de l'astronomie.
Cet article a été mis à jour en collaboration avec la technologie de l'IA, puis vérifié et édité par un éditeur HowStuffWorks.
