Para que são usados ​​os giroscópios?

O giroscópio, muitas vezes chamado simplesmente de giroscópio (não confundir com a embalagem de comida grega), não recebe muita pressão. Mas sem essa maravilha da engenharia, o mundo - e notavelmente, a exploração de outros mundos pela humanidade - seria fundamentalmente diferente. Os giroscópios são indispensáveis ​​em foguetes e aeronáutica e, como bônus, um giroscópio simples é um ótimo brinquedo para crianças.

Um giroscópio, embora seja uma máquina com muitas partes móveis, é na verdade um sensor. Seu objetivo é manter o movimento de uma parte giratória no centro do giroscópio estável em face das mudanças nas forças impostas pelo ambiente externo do giroscópio. Eles são construídos de forma que essas mudanças externas sejam contrabalançadas por movimentos das partes do giroscópio que sempre se opõem à mudança imposta. Isso não é diferente do modo como uma porta com mola ou ratoeira se opõe a suas tentativas de abri-la, com mais força ainda se seus próprios esforços aumentarem. Um giroscópio, entretanto, é muito mais complexo do que uma mola.

O que significa experimentar uma "força externa", isto é, estar sujeito a uma nova força quando nada de novo está realmente tocando você? Considere o que acontece quando você está no banco do passageiro de um carro que está viajando em linha reta a uma velocidade constante. Como o carro não está acelerando ou diminuindo a velocidade, seu corpo não experimenta aceleração linear e, como o carro não está girando, você não experimenta aceleração angular. Como a força é o produto da massa e da aceleração, você não experimenta nenhuma força resultante nessas condições, mesmo se estiver se movendo a uma velocidade de 320 quilômetros por hora. Isso está de acordo com a primeira lei do movimento de Newton, que afirma que um objeto em repouso permanecerá em repouso, a menos que seja atuado por alguém externo força, e também que um objeto se movendo em velocidade constante na mesma direção continuará ao longo de seu caminho exato, a menos que seja sujeito a um força.

Quando o carro faz uma curva para a direita, no entanto, a menos que você faça algum esforço físico para neutralizar o introdução repentina de aceleração angular em seu passeio de carro, você vai tombar em direção ao motorista de seu deixou. Você passou de nenhuma força resultante para uma força apontando diretamente do centro do círculo que o carro começou a traçar. Como curvas mais curtas resultam em maior aceleração angular em uma determinada velocidade linear, sua tendência de se inclinar para a esquerda é mais pronunciada quando o motorista faz uma curva fechada.

Sua própria prática socialmente arraigada de aplicar o esforço anti-inclinação apenas o suficiente para se manter no mesma posição em seu assento é análoga ao que os giroscópios fazem, embora de uma forma muito mais complexa - e eficaz - caminho.

O giroscópio pode ser traçado formalmente até meados do século 19 e o físico francês Leon Foucault. Foucault talvez seja mais conhecido pelo pêndulo que leva seu nome e fez a maior parte de seu trabalho em óptica, mas ele criou um dispositivo que costumava usar demonstrar a rotação da Terra descobrindo uma maneira de, de fato, cancelar ou isolar os efeitos da gravidade nas partes mais internas do dispositivo. Isso significava que qualquer mudança no eixo de rotação da roda do giroscópio durante o tempo em que ela girava tinha de ser causada pela rotação da Terra. Assim se desenrolou o primeiro uso formal de um giroscópio.

O princípio básico de um giroscópio pode ser ilustrado usando uma roda de bicicleta girando isoladamente. Se você segurasse a roda de cada lado por um eixo curto colocado no meio da roda (como uma caneta) e alguém girasse a roda enquanto você segurava você notaria que, se tentasse inclinar a roda para um lado, ela não iria nessa direção tão facilmente como faria se não estivesse girando. Isso vale para qualquer direção de sua escolha e não importa o quão repentinamente o movimento seja introduzido.

Talvez seja mais fácil descrever as partes de um giroscópio do interior para o exterior. Primeiro, no centro está um eixo ou disco giratório (e quando você pensa sobre isso, geometricamente falando, um disco nada mais é do que um eixo muito curto e muito largo). Este é o componente mais pesado do arranjo. O eixo que passa pelo centro do disco é preso por rolamentos de esferas quase sem atrito a um arco circular, chamado de cardan. É aqui que a história se torna estranha e altamente interessante. Este gimbal é preso por rolamentos de esferas semelhantes a outro gimbal que é apenas um pouco mais largo, de modo que o gimbal interno pode girar livremente dentro dos limites do gimbal externo. Os pontos de fixação dos cardan entre si estão ao longo de uma linha perpendicular ao eixo de rotação do disco central. Finalmente, o gimbal externo é preso por ainda mais rolamentos de esferas de deslizamento suave a um terceiro aro, este servindo como a estrutura do giroscópio.

(Você deve consultar o diagrama de um giroscópio ou assistir aos vídeos curtos nos Recursos, se ainda não o fez; caso contrário, tudo isso é quase impossível de visualizar!)

A chave para a função do giroscópio é que os três balancins interconectados, mas girando de forma independente, permitem o movimento em três planos ou dimensões. Se algo perturbasse potencialmente o eixo de rotação do eixo interno, essa perturbação pode ser resistido simultaneamente em todas as três dimensões porque os cardan "absorvem" a força em um coordenado caminho. O que essencialmente acontece é que, à medida que os dois anéis internos giram em resposta a qualquer perturbação que o giroscópio tenha experientes, seus respectivos eixos de rotação estão dentro de um plano que permanece perpendicular ao eixo de rotação do eixo. Se este plano não muda, a direção do eixo também não muda.

O torque é a força aplicada em torno de um eixo de rotação, em vez de diretamente. Portanto, tem efeitos no movimento rotacional em vez do movimento linear. Em unidades padrão, é a força vezes o "braço de alavanca" (a distância do centro de rotação real ou hipotético; pense em "raio"). Portanto, tem unidades de N⋅m.

O que um giroscópio em ação realiza é uma redistribuição de quaisquer torques aplicados para que eles não afetem o movimento do eixo central. É vital observar aqui que um giroscópio não se destina a manter algo se movendo em linha reta; destina-se a manter algo em movimento com velocidade rotacional constante. Se você pensar sobre isso, provavelmente pode imaginar que uma espaçonave viajando para a lua ou para destinos mais distantes não vai ponto a ponto; em vez disso, eles fazem uso da gravidade exercida por diferentes corpos e viajam em trajetórias, ou curvas. O truque é garantir que os parâmetros dessa curva permaneçam constantes.

Foi observado acima que o eixo ou disco que forma o centro do giroscópio tende a ser pesado. Ele também tende a girar em velocidades extraordinárias - os giroscópios do telescópio Hubble, por exemplo, giram a 19.200 rotações por minuto, ou 320 por segundo. Superficialmente, parece absurdo que os cientistas equipem um instrumento tão sensível para sugar um componente imprudentemente giratório (literalmente) no meio dele. Em vez disso, é claro, isso é estratégico. Momentum, em física, é simplesmente massa vezes velocidade. Correspondentemente, o momento angular é inércia (uma quantidade que incorpora massa, como você verá abaixo) vezes a velocidade angular. Como resultado, quanto mais rápido a roda está girando e quanto maior sua inércia por meio de maior massa, mais momento angular o eixo possui. Como resultado, os gimbais e componentes externos do giroscópio têm uma alta capacidade de silenciar os efeitos de torque externo antes que o torque atinja níveis suficientes para interromper a orientação do eixo em espaço.

O famoso telescópio Hubble contém seis giroscópios diferentes para sua navegação, e eles precisam ser substituídos periodicamente. A incrível velocidade de rotação de seu rotor implica que os rolamentos de esferas são impraticáveis ​​ou impossíveis para este calibre de giroscópio. Em vez disso, o Hubble usa giroscópios contendo mancais de gás, que oferecem uma experiência de rotação verdadeiramente sem atrito tão próxima quanto qualquer coisa construída por humanos pode se orgulhar.

A inércia é uma resistência à mudança de velocidade e direção, sejam elas quais forem. Esta é a versão leiga da declaração formal apresentada por Isaac Newton séculos atrás.

Na linguagem cotidiana, "inércia" geralmente se refere a uma relutância em me mover, como, por exemplo, "Eu ia cortar a grama, mas a inércia me manteve preso ao sofá". Seria estranho, porém, ver alguém que acabou de chegar ao fim de uma maratona de 42,2 milhas se recusar a parar devido aos efeitos da inércia, mesmo que do ponto de vista da física o uso do termo aqui seria igualmente permissível - se o corredor continuasse a correr na mesma direção e na mesma velocidade, tecnicamente isso seria inércia em trabalhos. E você pode imaginar situações em que as pessoas dizem que não conseguiram parar de fazer algo por causa da inércia, como: "Eu ia sair do cassino, mas a inércia me impediu de ir de mesa em mesa. "(Neste caso," impulso "pode ​​ser melhor, mas apenas se o jogador for ganhando!)

A equação para o momento angular é:

L = Iω

Onde L tem unidades de kg ⋅ m²/s. Uma vez que as unidades de velocidade angular, ω, são segundos recíprocos, ou s-1, I, a inércia, tem unidades de kg ⋅ m². A unidade padrão de força, o newton, se divide em kg ⋅ m / s². Portanto, a inércia não é uma força. Isso não impediu que a frase "força de inércia" entrasse no vernáculo dominante, como acontece com outras coisas que "parecem" forças (a pressão é um bom exemplo).

Nota lateral: embora a massa não seja uma força, o peso é uma força, apesar dos dois termos serem usados ​​alternadamente em configurações do dia-a-dia. Isso ocorre porque o peso é uma função da gravidade e, como poucas pessoas deixam a Terra por muito tempo, os pesos dos objetos na Terra são efetivamente constantes, assim como suas massas são literalmente constantes.

Um acelerômetro, como o nome indica, mede a aceleração, mas apenas a aceleração linear. Isso significa que esses dispositivos não são especialmente úteis em muitas aplicações de giroscópio tridimensional, embora sejam útil em situações em que a direção do movimento pode ser considerada como ocorrendo em apenas uma dimensão (por exemplo, um elevador típico).

Um acelerômetro é um tipo de sensor inercial. Um giroscópio é outra, exceto que o giroscópio mede a aceleração angular. E, embora fora do escopo deste tópico, um magnetômetro é um terceiro tipo de sensor inercial, este usado para campos magnéticos. Os produtos de realidade virtual (VR) incorporam esses sensores inerciais em combinação para produzir experiências mais robustas e realistas para os usuários.