Les gyroscopes peuvent sembler se comporter de manière très étrange, mais une étude de leur physique sous-jacente montre qu'ils réagissent au monde extérieur de manière très logique et prévisible. La clé pour comprendre les gyroscopes est de comprendre le concept de moment angulaire. Ceci est similaire à son homologue linéaire mais avec quelques différences notables.
Le moment linéaire est bien compris par la plupart des gens. Un objet qui se déplace a tendance à continuer à le faire avec la même direction et la même vitesse à moins qu'il ne subisse l'action d'une force extérieure. Lorsque cela se produit, la vitesse ou la direction change de manière intuitive.
Le moment angulaire est similaire mais le vecteur représentant sa direction est aligné avec l'axe de rotation. Lorsqu'une force agit sur un objet en rotation, elle agit sur ce vecteur comme elle le ferait dans un cas linéaire. La différence est que le changement de quantité de mouvement qui en résulte n'est pas dans la direction de la force mais à angle droit par rapport à celle-ci et au vecteur de quantité de mouvement.
Tout objet en rotation prendra des caractéristiques gyroscopiques, mais l'effet est accentué si l'objet est fabriqué avec plus de masse qui est concentrée plus loin de l'axe de rotation. Cela donne à l'objet en rotation plus de moment angulaire. Les conceptions de gyroscope les plus efficaces utilisent une masse plus lourde et plus concentrée qui est équilibrée autour d'un point de pivot à faible friction.
La principale qualité d'un gyroscope est qu'il est stable. Une fois qu'un gryo est tourné, il a tendance à rester dans la même orientation et toute force appliquée pour réorienter l'axe de rotation se heurte à une force résistive. C'est ce qu'on appelle la conservation du moment cinétique. Tout comme une voiture roulant à grande vitesse a tendance à continuer sur sa trajectoire à moins qu'une force écrasante ne modifie son élan, une toupie essaie de continuer à tourner avec son axe orienté dans la même direction.
Les gyroscopes sont largement utilisés comme instruments dans les dispositifs de référence inertiels. On les trouve dans les avions, les missiles et les satellites. Des effets gyroscopiques se retrouvent également dans des objets plus courants. Ils sont responsables de la stabilité d'un vélo en mouvement et d'un yo-yo qui tourne.
La caractéristique la plus unique d'un gyroscope est la précession, qui donne à l'appareil sa capacité apparente à défier la gravité. Le mouvement qui contrecarre toute force qui tente de réaligner l'axe de rotation est dirigé de sorte que le gyroscope reste droit. Au lieu de tomber sous l'effet de la gravité, il se redresse en se déplaçant latéralement.