giroscopFiecare dintre noi a mânuit cu fascinaţie  în copilărie un titirez, neavând habar de faptul că are în mână un giroscop. Citiţi în continuare un articol care explică pe ce principii îşi întemeiază giroscopul funcţionarea şi în ce domenii îşi găseşte aplicabilitate practică.

 

 

CE ESTE UN GIROSCOP?

Un giroscop este un obiect sferic sau în formă de disc care se poate roti liber în orice direcţie, întâmpinând o rezistenţă redusă din partea forţelor de frecare. Giroscoapele sunt folosite adesea pentru a ilustra legea de conservare a momentului cinetic sau legea inerţiei de rotaţie care ne învaţă că un obiect aflat în mişcare de rotaţie în jurul unei axe va continua să se rotească în jurul aceleiaşi axe până când din exterior se va interpune un vector forţă care îi va schimba direcţia de rotaţie. Giroscopul convenţional care intră în compunerea sistemelor mecanice este format dintr-un rotor în formă de disc montat pe un ax de rotaţie, care, la rândul său, este prins de o articulaţie cardanică. Există două articulaţii cardanice, cea internă - care susţine rotorul şi axul de rotaţie, şi una exterioară, pe care este prinsă prima. Sistemul cardanic descris anterior este prins la rându-i de un cadru de susţinere, întregul ansamblu minimizând orice acţiune exterioară asupra rotorului, astfel că orientarea acestuia rămâne fixă, indiferent de mişcarea platformei pe care giroscopul este montat.

 

Părţile componente ale unui giroscop

 

 

SCURT ISTORIC

Cel mai vechi giroscop despre care există referinţe scrise a fost construit în 1817 de către Johann Bohnenberger. Pe atunci nu exista termenul de giroscop, astfel că inventatorul şi-a botezat creaţia foarte simplu. L-a numit "Maşinăria". Matematicianul francez Pierre-Simon Laplace i-a recomandat dispozitivul în scop didactic lui Léon Foucault, creatorul mult mai celebrului pendul. Acesta l-a folosit în 1852 în cadrul unui experiment care studia rotaţia Pământului, ocazie cu care dispozitivul şi-a căpătat şi actualul nume, pe baza termenilor greceşti skopeein - a vedea şi gyros - cerc sau rotaţie.

 

Giroscopul lui Foucault
Giroscopul lui Foucault (wikimedia.org)

 

 

În jurul anului 1860, motoarele electrice au transformat conceptul într-unul fezabil, ceea ce a dus la apariţia primului prototip de girocompas; primul girocompas funcţional folosit în navigaţia maritimă a fost dezvoltat între 1905 şi 1908 de către inventatorul german Hermann Anschütz-Kaempfe. Americanul Elmer Sperry a venit cu propriul design în 1910, iar alte naţiuni au conştietizat şi ele foarte repede importanţa militară a acestei invenţii - într-o epocă în care supremaţia militară pe mări şi oceane era de o importanţă deosebită - creând propriile industrii de giroscoape. Compania de giroscoape Sperry s-a extins curând în domeniul giroscoapelor pentru avioane, model urmat repede şi de alţi dezvoltatori. În 1917, compania Chandler din  Indianapolis crea giroscopul Chandler, o jucărie produsă şi astăzi şi devenită o jucărie clasică în S.U.A.

 

PĂMÂNTUL ŞI TITIREZUL- DOUĂ EXEMPLE DE GIROSCOP

Pământul este un minunat exemplu de giroscop. Planeta noastră se roteşte în jurul propriei axe în timpul deplasării sale în jurul Soarelui şi va continua să o facă neîncetat atâta timp cât nicio forţă exterioară perturbatoare nu va acţiona asupra sa. De asemenea, o jucărie faimoasă din copilăria noastră, titirezul, este un alt exemplu celebru de mecanism giroscopic. Antrenat într-o mişcare de rotaţie, titirezul va continua să se învârtă în jurul unei axe verticale până când frecarea dintre vârf şi suprafaţa de contact va genera un vector forţă suficient de puternic pentru a genera precesia titirezului. Precesia constă în deplasarea progresivă a axei de rotaţie, care descrie un con cu vârful într-un punct fix, con care are tendinţa de a se apropia de suprafaţa Pământului. Mişcarea de precesie a unui titirez este foarte bine sugerată de imaginea de mai jos, preluată de pe wikimedia.org:

 

 

Mişcarea de precesie a unui titirez

 

 

În final, frecarea încetineşte atât de mult titirezul încât acesta se opreşte din mişcarea de rotaţie, atingând solul.

 

EXEMPLE DE MIŞCARE GIROSCOPICĂ

Pământul în mişcarea sa de rotaţie, ca şi titirezul, sunt două exemple clasice de giroscop. În viaţa cotidiană putem observa deseori mişcări de acest tip, în cazul cărora legea inerţiei de rotaţie facilitează şi prelungeşte durata deplasării. De pildă, o minge de rugbi este mult mai facil de aruncat dacă i se imprimă o mişcare de rotaţie pentru a se comporta asemenea unui giroscop. Atunci când i se imprimă o asemenea traiectorie, mingea îşi va păstra orientarea pe toată durata aruncării. Dacă vârful mingii de rugbi este puţin înclinat faţă de direcţia de rotaţie, unghiul de înclinaţie se va păstra până la recepţia balonului oval la destinaţie. De asemenea, un glonț care părăseşte ţeava puştii descrie şi el o mişcare de rotaţie, astfel că dobândeşte caracteristicile de mişcare ale unui giroscop. Glonţul „muşcă” din aer, menţinându-şi astfel traiectoria dorită şi fiind mult mai greu de deviat din drumul său spre ţintă. Reculul, rezistenţa aerului, vântul sau gravitaţia acţionează asupra glonţului pe timpul deplasării spre ţintă, astfel că inerţia giroscopică de care beneficiază în momentul în care părăseşte ţeava puştii se poate dovedi de mare ajutor.

 

LA CE ESTE FOLOSIT GIROSCOPUL?

În afara mişcării balonului de rugbi, a gloanţelor, titirezului sau planetei Pământ, există şi utilităţi practice ale giroscoapelor. Unele dintre ele, numite girocompase, girobusole sau girodirecţionale, joacă un rol foarte important în sistemele de ghidaj şi de navigaţie folosite la bordul avioanelor, navelor, rachetelor şi proiectilelor. Girocompasul indică nordul geografic, iar legile inerţiei de rotaţie le fac instrumente mai de încredere decât busolele obişnuite care indică nordul magnetic şi care pot da greş când sunt plasate în preajma echipamentelor electronice. Detectând orice deviere de la un curs prestabilit, girocompasul poate chiar transmite semnale către sistemele de navigaţie, fiind uneori folosit chiar la stabilizarea navelor în ape maritime şi oceanice foarte agitate, prin măsurarea deviaţiilor de la curs şi compararea lor cu indicaţia girocompasului.

 

CUM FOLOSESC GIROSCOAPELE SISTEMELE DE PILOT AUTOMAT?

Pilotul automat cu care sunt dotate sistemele de navigaţie ale avioanelor folosesc nu unul, ci mai multe giroscoape pentru asistarea sistemelor de navigaţie la determinarea direcţiei de mers şi a celei de urmat. Un set de giroscoape orientate vertical detectează schimbările de înălţime (orientarea sus-jos a nasului aparatului de zbor) sau de înclinaţie a aripilor avionului de la planul orizontal de deplasare, prin crearea a ceea ce se numeşte un orizont artificial. Orizontul artificial este o linie verticală la care sistemele de navigaţie se raportează. Un alt set de giroscoape determină direcţia de deplasare a avionului, capul-compas în termeni aviatici. Giroscopul direcţional este similar girocompasului folosit pe multe aparate. Computerul care controlează setările pilotului automat ştie să reacţioneze la indicaţiile giroscoapelor, făcând corecţiile de curs necesare.

 


Dacă găsiţi scientia.ro util, susţineţi site-ul printr-o donaţie.

Găzduire 2019: 485 €. Donat: 121.55


PayPal ()
CoinGate Payment ButtonCriptomonedă
Susţine-ne pe Patreon!