À quoi servent les gyroscopes?

Contenu

• Pourquoi vous penchez-vous vers la gauche quand une voiture tourne à droite?
• L'origine du gyroscope
• Que sont les gyroscopes?
• La physique du gyroscope
• Un exemple de gyroscopes d'élite: le télescope Hubble
• Pourquoi la première loi de Newtons est parfois appelée la "loi de l'inertie"
• L'inertie est-elle une force?
• Que fait un accéléromètre?

Le gyroscope, souvent appelé simplement un gyroscope (à ne pas confondre avec l'emballage de la nourriture grecque), n'a pas beaucoup de presse. Mais sans cette merveille d'ingénierie, le monde - et notamment l'exploration par l'homme des autres mondes - serait fondamentalement différent. Les gyroscopes sont indispensables en fusée et en aéronautique et, en prime, un simple gyroscope est un excellent jouet pour enfant.

Un gyroscope, bien qu’une machine comportant de nombreuses pièces mobiles, est en réalité un capteur. Son but est de maintenir le mouvement d'une pièce rotative au centre du gyroscope stable face aux variations des forces imposées par l'environnement extérieur des gyroscopes. Ils sont construits de manière à ce que ces décalages externes soient contrebalancés par les mouvements des parties du gyroscope qui s’opposent toujours au décalage imposé. Ce n'est pas sans rappeler la façon dont une porte à ressort ou une souricière s'opposera à vos tentatives pour l'ouvrir, d'autant plus avec force que vos propres efforts augmentent. Un gyroscope, cependant, est beaucoup plus complexe qu'un ressort.

Pourquoi vous penchez-vous vers la gauche quand une voiture tourne à droite?

Qu'est-ce que cela signifie de faire l'expérience d'une "force extérieure", c'est-à-dire d'être soumis à une nouvelle force alors que rien de nouveau ne vous touche réellement? Considérez ce qui se passe lorsque vous êtes dans le siège passager d'une voiture qui roulait en ligne droite à une vitesse constante. Étant donné que la voiture n'accélère ou ne ralentit pas, votre corps ne subit aucune accélération linéaire, et comme la voiture ne tourne pas, vous ne rencontrez aucune accélération angulaire. La force étant le produit de la masse et de l'accélération, vous ne ressentez aucune force nette dans ces conditions, même si vous vous déplacez à une vitesse de 200 milles à l'heure. Ceci est conforme à la première loi de mouvement de Newton, qui stipule qu’un objet au repos restera au repos sauf s’il est sollicité par une force extérieure et qu’un objet se déplaçant à une vitesse constante dans la même direction continuera sur son chemin soumis à une force externe.

Toutefois, lorsque la voiture tourne à droite, à moins que vous ne fassiez un effort physique pour contrecarrer l'introduction soudaine d'une accélération angulaire dans votre trajet, vous basculerez vers le conducteur sur votre gauche. Vous n’avez plus connu d’effort net, mais une force qui se dirigeait droit vers le centre du cercle que la voiture commence tout juste à tracer. Étant donné que les virages plus courts entraînent une accélération angulaire plus importante à une vitesse linéaire donnée, votre tendance à se pencher vers la gauche est plus prononcée lorsque votre conducteur effectue un virage serré.

Votre propre pratique, profondément enracinée socialement, consistant à appliquer juste assez d'effort anti-incliné pour rester dans la même position dans votre siège est analogue à ce que font les gyroscopes, bien que de manière beaucoup plus complexe - et efficace.

L'origine du gyroscope

Le gyroscope remonte au milieu du 19e siècle et au physicien français Leon Foucault. Foucault est peut-être mieux connu pour le pendule qui porte son nom et a effectué l'essentiel de son travail en optique, mais il a mis au point un appareil qu'il utilisait pour démontrer la rotation de la Terre en trouvant le moyen de l'annuler. ou isolez les effets de la gravité sur les parties les plus profondes de l'appareil. Cela voulait donc dire que tout changement dans l'axe de rotation de la roue du gyroscope au cours de sa rotation devait avoir été provoqué par la rotation de la Terre. Ainsi s'est déroulée la première utilisation formelle d'un gyroscope.

Que sont les gyroscopes?

Le principe de base d'un gyroscope peut être illustré en utilisant une roue de vélo en rotation. Si vous teniez la roue de chaque côté par un petit essieu placé au centre de la roue (comme un stylo) et que quelqu'un faisait tourner la roue pendant que vous la teniez, vous remarqueriez que si vous tentiez de faire basculer la roue d'un côté , il n’irait pas dans cette direction aussi facilement que s’il ne tournait pas. Ceci est valable pour n'importe quelle direction de votre choix et quelle que soit la rapidité avec laquelle le mouvement est introduit.

Il est peut-être plus facile de décrire les parties d’un gyroscope du plus profond au plus extérieur. Tout d’abord, au centre se trouve un arbre ou un disque en rotation (et quand vous y réfléchissez, d’un point de vue géométrique, un disque n’est rien de plus qu’un arbre très court et très large). C'est la composante la plus lourde de l'arrangement. L'essieu passant par le centre du disque est attaché par un roulement à billes presque sans frottement à un cerceau circulaire, appelé cardan. C'est là que l'histoire devient étrange et très intéressante. Ce cardan est lui-même fixé par des roulements à billes similaires à un autre cardan légèrement plus large, de sorte que le cardan intérieur puisse tourner librement dans les limites du cardan extérieur. Les points d'attache des cardans les uns aux autres sont situés le long d'une ligne perpendiculaire à l'axe de rotation du disque central. Enfin, le cardan extérieur est relié à un troisième cerceau par des roulements à billes glissants, ce dernier servant de cadre au gyroscope.

(Vous devriez consulter le schéma d'un gyroscope ou regarder les courtes vidéos dans les ressources si vous ne les avez pas déjà; sinon, tout cela est presque impossible à visualiser!)

La clé de la fonction du gyroscope réside dans le fait que les trois mouvements cardiaques interconnectés mais tournant indépendamment l'un de l'autre permettent un mouvement dans trois plans ou dimensions. Si quelque chose devait potentiellement perturber l'axe de rotation de l'arbre intérieur, il est possible de résister simultanément à cette perturbation dans les trois dimensions, car les cardans "absorbent" la force de manière coordonnée. Ce qui se passe essentiellement, c’est que lorsque les deux anneaux intérieurs tournent en fonction de la perturbation subie par le gyroscope, leurs axes de rotation respectifs se situent dans un plan qui reste perpendiculaire à l’axe de rotation de la tige. Si ce plan ne change pas, la direction des arbres ne change pas non plus.

La physique du gyroscope

Le couple est la force appliquée autour d'un axe de rotation plutôt que tout droit. Cela a donc des effets sur le mouvement de rotation plutôt que sur le mouvement linéaire. Dans les unités standard, la force est multipliée par le "bras de levier" (la distance par rapport au centre de rotation réel ou hypothétique; pensez au "rayon"). Il a donc des unités de N⋅m.

Un gyroscope en action accomplit une redistribution de tous les couples appliqués afin que ceux-ci n'affectent pas le mouvement de la tige centrale. Il est essentiel de noter ici qu'un gyroscope n'est pas destiné à garder quelque chose en mouvement en ligne droite; il est destiné à garder quelque chose en mouvement à vitesse de rotation constante. Si vous y réfléchissez, vous pouvez probablement imaginer que les vaisseaux spatiaux se dirigeant vers la Lune ou vers des destinations plus lointaines ne vont pas de point en point; ils utilisent plutôt la gravité exercée par différents corps et parcourent des trajectoires ou des courbes. L'astuce consiste à s'assurer que les paramètres de cette courbe restent constants.

Il a été noté ci-dessus que la tige ou le disque formant le centre du gyroscope a tendance à être lourd. Il a également tendance à tourner à des vitesses extraordinaires - les gyroscopes du télescope Hubble, par exemple, tournent à 19 200 rotations par minute, ou 320 par seconde. En surface, il semble absurde que les scientifiques équipent un instrument aussi sensible avec un composant insensé (littéralement) à roue libre imprudente. Au lieu de cela, bien sûr, c'est stratégique. L'élan, en physique, est simplement masse fois la vitesse. De manière correspondante, le moment cinétique est inertie (une quantité incorporant la masse, comme vous le verrez ci-dessous) multipliée par la vitesse angulaire. De ce fait, plus la roue tourne vite et plus son inertie est grande, plus l’arbre possède de moment cinétique. En conséquence, les composants des cardans et du gyroscope extérieur ont une grande capacité à atténuer les effets du couple externe avant que ce couple n'atteigne des niveaux suffisants pour perturber l'orientation des arbres dans l'espace.

Un exemple de gyroscopes d'élite: le télescope Hubble

Le célèbre télescope Hubble contient six gyroscopes différents pour sa navigation, qui doivent être remplacés périodiquement. La vitesse de rotation stupéfiante de son rotor implique que les roulements à billes sont impraticables, voire impossibles, pour ce calibre de gyroscope. Au lieu de cela, Hubble utilise des gyroscopes contenant des roulements à gaz, qui offrent une expérience de rotation aussi franche que tout ce que l’homme peut se vanter.

Pourquoi la première loi de Newtons est parfois appelée la "loi de l'inertie"

L'inertie est une résistance au changement de vitesse et de direction, quels qu'ils soient. C’est la version laïque de la déclaration officielle énoncée par Isaac Newton il ya plusieurs siècles.

Dans le langage de tous les jours, le terme "inertie" désigne généralement une réticence à bouger, par exemple "j'allais tondre la pelouse, mais l'inertie m'a maintenu cloué au canapé." Il serait toutefois étrange de voir quelqu'un qui vient d'arriver à la fin d'un marathon de 26,2 km refuser de s'arrêter sous l'effet de l'inertie, même si d'un point de vue physique l'utilisation du terme ici serait également permise - si le coureur a continué à courir dans la même direction et à la même vitesse, ce qui serait techniquement une inertie au travail. Et vous pouvez imaginer des situations dans lesquelles des gens disent qu'ils n'ont pas réussi à arrêter de faire quelque chose à cause de l'inertie, comme: "J'allais quitter le casino, mais l'inertie m'a fait aller de table en table". (Dans ce cas, "l'élan" pourrait être meilleur, mais seulement si le joueur gagne!)

L'inertie est-elle une force?

L'équation du moment angulaire est la suivante:

L = Iω

Où L a des unités de kg m²/ s. Puisque les unités de vitesse angulaire, ω, sont des secondes réciproques, ou s-1, I, l'inertie, a des unités de kg m². L'unité de force standard, le newton, se décompose en kg m / s². Ainsi, l'inertie n'est pas une force. Cela n'a pas empêché l'expression "force d'inertie" d'entrer dans la langue vernaculaire, comme c'est le cas pour d'autres choses qui "se sentent" comme des forces (la pression en est un bon exemple).

Remarque secondaire: Bien que la masse ne soit pas une force, le poids est une force malgré l'utilisation des deux termes de manière interchangeable dans les contextes quotidiens. En effet, le poids étant une fonction de la gravité, et comme peu de gens quittent la Terre longtemps, les poids des objets sur Terre sont effectivement constants, tout comme leurs masses sont littéralement constantes.

Que fait un accéléromètre?

Comme son nom l'indique, un accéléromètre mesure l'accélération, mais uniquement l'accélération linéaire. Cela signifie que ces dispositifs ne sont pas particulièrement utiles dans de nombreuses applications de gyroscopes tridimensionnels, bien qu'ils soient pratiques dans des situations dans lesquelles la direction du mouvement peut être supposée se produire dans une seule dimension (par exemple, un ascenseur typique).

Un accéléromètre est un type de capteur inertiel. Un gyroscope en est un autre, sauf que le gyroscope mesure l'accélération angulaire. Et, bien qu’il ne fasse pas partie de ce sujet, un magnétomètre est un troisième type de capteur inertiel, celui-ci étant utilisé pour les champs magnétiques. Les produits de réalité virtuelle (VR) combinent ces capteurs inertiels pour produire des expériences plus robustes et plus réalistes pour les utilisateurs.