A cosa servono i giroscopi?

Il giroscopio, spesso chiamato semplicemente giroscopio (da non confondere con l'involucro del cibo greco), non ottiene molta stampa. Ma senza questa meraviglia dell'ingegneria, il mondo – e in particolare, l'esplorazione di altri mondi da parte dell'umanità – sarebbe fondamentalmente diverso. I giroscopi sono indispensabili nella missilistica e nell'aeronautica e, come bonus, un semplice giroscopio è un ottimo giocattolo per bambini.

Un giroscopio, sebbene sia una macchina con molte parti mobili, è in realtà un sensore. Il suo scopo è quello di mantenere stabile il movimento di una parte rotante al centro del giroscopio di fronte agli spostamenti delle forze imposte dall'ambiente esterno del giroscopio. Sono costruiti in modo che questi spostamenti esterni siano controbilanciati da movimenti delle parti del giroscopio che si oppongono sempre allo spostamento imposto. Questo non è diverso dal modo in cui una porta a molla o una trappola per topi si opporrà ai tuoi tentativi di aprirla, tanto più energicamente se i tuoi sforzi aumentano. Un giroscopio, tuttavia, è molto più intricato di una molla.

Cosa significa sperimentare una "forza esterna", cioè essere soggetti a una nuova forza quando nulla di nuovo ti sta effettivamente toccando? Considera cosa succede quando sei sul sedile del passeggero di un'auto che ha viaggiato in linea retta a velocità costante. Poiché l'auto non sta accelerando o rallentando, il tuo corpo non sperimenta alcuna accelerazione lineare e poiché l'auto non sta girando, non sperimenti alcuna accelerazione angolare. Poiché la forza è il prodotto di massa e accelerazione, non si sperimenta alcuna forza netta in queste condizioni, anche se ci si muove a una velocità di 200 miglia all'ora. Ciò è in accordo con la prima legge del moto di Newton, che afferma che un oggetto in quiete rimarrà in quiete a meno che non agito da un esterno forza, e anche che un oggetto che si muove a velocità costante nella stessa direzione continuerà lungo il suo percorso esatto a meno che non sia soggetto a un'azione esterna vigore.

Quando l'auto svolta a destra, però, a meno che non si faccia uno sforzo fisico per contrastare il introduzione improvvisa di accelerazione angolare nella tua corsa in auto, cadrai verso il conducente al tuo sinistra. Sei passato dall'esperienza di nessuna forza netta all'esperienza di una forza che punta direttamente dal centro del cerchio che l'auto ha appena iniziato a tracciare. Poiché le curve più brevi comportano una maggiore accelerazione angolare a una data velocità lineare, la tendenza a inclinarsi a sinistra è più pronunciata quando il conducente effettua una svolta brusca.

La tua pratica socialmente radicata di applicare lo sforzo anti-inclinazione sufficiente per mantenerti nel stessa posizione sul sedile è analoga a ciò che fanno i giroscopi, anche se in modo molto più complesso - ed efficace - modo.

Il giroscopio può essere formalmente fatto risalire alla metà del XIX secolo e al fisico francese Leon Foucault. Foucault è forse più noto per il pendolo che prende il suo nome e ha svolto la maggior parte del suo lavoro nell'ottica, ma ha inventato un dispositivo che era solito dimostrare la rotazione della Terra trovando un modo per, in effetti, annullare o isolare gli effetti della gravità sulle parti più interne del dispositivo. Ciò significava che qualsiasi cambiamento nell'asse di rotazione della ruota del giroscopio durante il tempo in cui stava ruotando doveva essere stato impartito dalla rotazione della Terra. Così si sviluppò il primo uso formale di un giroscopio.

Il principio di base di un giroscopio può essere illustrato utilizzando una ruota di bicicletta che gira isolatamente. Se dovessi tenere la ruota su ciascun lato da un breve asse posto al centro della ruota (come una penna) e qualcuno ha fatto ruotare la ruota mentre tenevi esso, noteresti che se provassi a inclinare la ruota da un lato, non andrebbe in quella direzione così facilmente come se non girasse. Questo vale per qualsiasi direzione di tua scelta e non importa quanto improvvisamente viene introdotto il movimento.

Forse è più facile descrivere le parti di un giroscopio dall'interno all'esterno. Primo, al centro c'è un albero o disco rotante (e se ci pensi, geometricamente parlando, un disco non è altro che un albero molto corto e molto largo). Questo è il componente più pesante della disposizione. L'asse che passa attraverso il centro del disco è fissato da cuscinetti a sfera quasi privi di attrito a un cerchio circolare, chiamato gimbal. È qui che la storia diventa strana e molto interessante. Questo gimbal è esso stesso attaccato da cuscinetti a sfera simili a un altro gimbal che è appena un po' più largo, in modo che il gimbal interno possa ruotare liberamente all'interno dei confini del gimbal esterno. I punti di attacco dei gimbal tra loro sono lungo una linea perpendicolare all'asse di rotazione del disco centrale. Infine, il gimbal esterno è attaccato da cuscinetti a sfera ancora più scorrevoli a un terzo cerchio, che funge da telaio del giroscopio.

(Dovresti consultare un diagramma di un giroscopio o guardare i brevi video nelle Risorse se non l'hai già fatto; altrimenti, tutto questo è quasi impossibile da visualizzare!)

La chiave della funzione del giroscopio è che i tre giunti cardanici interconnessi ma rotanti indipendentemente consentono il movimento su tre piani o dimensioni. Se qualcosa dovesse potenzialmente perturbare l'asse di rotazione dell'albero interno, questa perturbazione può resistere contemporaneamente in tutte e tre le dimensioni perché i gimbal "assorbono" la forza in modo coordinato modo. Ciò che accade essenzialmente è che quando i due anelli interni ruotano in risposta a qualsiasi disturbo abbia il giroscopio sperimentato, i loro rispettivi assi di rotazione giacciono all'interno di un piano che rimane perpendicolare all'asse di rotazione del albero. Se questo piano non cambia, non cambia nemmeno la direzione dell'albero.

La coppia è una forza applicata attorno a un asse di rotazione anziché dritto. Ha quindi effetti sul movimento rotatorio piuttosto che sul movimento lineare. Nelle unità standard, è la forza moltiplicata per il "braccio di leva" (la distanza dal centro di rotazione reale o ipotetico; pensa "raggio"). Ha quindi unità di N⋅m.

Ciò che realizza un giroscopio in azione è una ridistribuzione di eventuali coppie applicate in modo che queste non influiscano sul movimento dell'albero centrale. È fondamentale notare qui che un giroscopio non è destinato a mantenere qualcosa in movimento in linea retta; è pensato per mantenere qualcosa in movimento con velocità di rotazione costante. Se ci pensi, puoi probabilmente immaginare che i veicoli spaziali che viaggiano sulla luna o verso destinazioni più lontane non vadano da un punto all'altro; piuttosto, sfruttano la gravità esercitata da corpi diversi e viaggiano in traiettorie, o curve. Il trucco è garantire che i parametri di questa curva rimangano costanti.

È stato notato sopra che l'albero o disco che forma il centro del giroscopio tende ad essere pesante. Inoltre tende a girare a velocità straordinarie: i giroscopi del telescopio Hubble, ad esempio, girano a 19.200 rotazioni al minuto o 320 al secondo. In superficie, sembra assurdo che gli scienziati dotino uno strumento così sensibile di aspirare un componente (letteralmente) a ruota libera incautamente nel mezzo. Invece, ovviamente, questo è strategico. Il momento, in fisica, è semplicemente massa per velocità. Di conseguenza, il momento angolare è inerzia (una quantità che incorpora la massa, come vedrai sotto) per la velocità angolare. Di conseguenza, più velocemente gira la ruota e maggiore è la sua inerzia per mezzo di una massa maggiore, più momento angolare possiede l'albero. Di conseguenza, i gimbal e i componenti esterni del giroscopio hanno un'elevata capacità di disattivare gli effetti di coppia esterna prima che la coppia raggiunga livelli sufficienti per interrompere l'orientamento dell'albero in spazio.

Il famoso telescopio Hubble contiene sei diversi giroscopi per la sua navigazione e questi devono essere periodicamente sostituiti. L'incredibile velocità di rotazione del suo rotore implica che i cuscinetti a sfera siano poco pratici o impossibili per questo calibro di giroscopio. Invece, Hubble fa uso di giroscopi contenenti cuscinetti a gas, che offrono un'esperienza di rotazione veramente priva di attrito come qualsiasi cosa costruita dagli umani può vantare.

L'inerzia è una resistenza al cambiamento di velocità e direzione, qualunque esse siano. Questa è la versione laica della dichiarazione formale formulata da Isaac Newton secoli fa.

Nel linguaggio di tutti i giorni, "inerzia" di solito si riferisce a una riluttanza a muoversi, come "Stavo per falciare il prato, ma l'inerzia mi ha tenuto inchiodato al divano". Sarebbe strano però vedere qualcuno che è appena arrivato al termine di una maratona di 26,2 miglia rifiutarsi di fermarsi per effetto dell'inerzia, anche se dal punto di vista fisico l'uso del termine qui sarebbe ugualmente consentito - se il corridore continuasse a correre nella stessa direzione e alla stessa velocità, tecnicamente sarebbe inerzia a lavoro. E puoi immaginare situazioni in cui le persone dicono di non essere riuscite a smettere di fare qualcosa a causa dell'inerzia, come: "Stavo per lasciare il casinò, ma l'inerzia mi ha fatto andare da un tavolo all'altro." (In questo caso, "momentum" potrebbe essere migliore, ma solo se il giocatore è vincente!)

L'equazione del momento angolare è:

L = Iω

Dove L ha unità di kg ⋅ m²/s. Poiché le unità di velocità angolare,, sono secondi reciproci, o s-1, I, l'inerzia, ha unità di kg ⋅ m². L'unità di forza standard, il newton, si scompone in kg ⋅ m/s². Quindi l'inerzia non è una forza. Ciò non ha impedito alla frase "forza d'inerzia" di entrare nel vernacolo tradizionale, come accade con altre cose che "sentono" come forze (la pressione è un buon esempio).

Nota a margine: mentre la massa non è una forza, il peso è una forza nonostante i due termini vengano usati in modo intercambiabile nelle impostazioni quotidiane. Questo perché il peso è una funzione della gravità, e poiché poche persone lasciano mai la Terra a lungo, i pesi degli oggetti sulla Terra sono effettivamente costanti così come le loro masse sono letteralmente costanti.

Un accelerometro, come suggerisce il nome, misura l'accelerazione, ma solo l'accelerazione lineare. Ciò significa che questi dispositivi non sono particolarmente utili in molte applicazioni del giroscopio tridimensionale, sebbene lo siano utile in situazioni in cui la direzione del movimento può essere presa solo in una dimensione (ad esempio, un tipico ascensore).

Un accelerometro è un tipo di sensore inerziale. Un giroscopio è un altro, tranne per il fatto che il giroscopio misura l'accelerazione angolare. E, sebbene al di fuori dell'ambito di questo argomento, un magnetometro è un terzo tipo di sensore inerziale, questo utilizzato per i campi magnetici. I prodotti di realtà virtuale (VR) incorporano questi sensori inerziali in combinazione per produrre esperienze più solide e realistiche per gli utenti.