Gyroscope - Définition et Explications

Un gyroscope (du grec " qui regarde la rotation ") est un appareil qui exploite le principe de la conservation du moment angulaire en physique (ou encore stabilité gyroscopique ou effet gyroscopique).

Effet gyroscopique

L'essentiel du dispositif est une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par...) (ou tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) correctement équilibré) tournant sur un axe qui, une fois lancée tend à résister aux changements de son orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...).

La démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir...) la plus simple et la plus parlante consiste à tenir à bout de bras une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe...) de vélo par les écrous du moyeu et de la faire tourner rapidement par une autre personne. Lorsque l'on tente de pencher sur le côté la roue en rotation, on ressent une résistance. C'est la conservation du moment de rotation qui tend à s'opposer à ce mouvement.

Le gyroscope (Un gyroscope (du grec « qui regarde la rotation ») est un appareil qui exploite le...) de Foucault

Le gyroscope fut inventé et nommé en 1852 par Léon Foucault pour une expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences...) impliquant la rotation de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...). La rotation avait déjà été mise en évidence par le Pendule de Foucault (Un pendule de Foucault, du nom du physicien français Jean Bernard Léon Foucault, est une...). Cependant Foucault ne comprenait toujours pas pourquoi la rotation du pendule (Le mot pendule (nom masculin) nous vient d'Huygens et du latin pendere. Il s'agit donc à l'origine...) s'effectuait plus lentement que la rotation de la terre (d'un facteur {1}\over \sin({latitude})).

Un autre instrument était donc nécessaire pour mettre en évidence la rotation de la Terre de façon simple. Foucault présenta ainsi en 1852 un appareil capable de conserver une rotation suffisamment rapide (150 à 200 rotations par seconde) et pendant assez longtemps (une dizaine de minutes) pour que des mesures observables puissent être effectuées. Cette prouesse mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) (pour l'époque) illustre le talent en mécanique de Foucault et de son collaborateur, Froment.

Foucault se rendit aussi compte que son appareil pouvait servir à indiquer le Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.). En effet, en bloquant certaines pièces, le gyroscope s'aligne sur le méridien (En géographie, un méridien est un demi grand cercle imaginaire tracé sur le globe...). Le compas gyroscopique était né.

Généralités

Le fonctionnement du gyroscope repose sur le phénomène de précession (La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un...).

Les gyroscopes peuvent être utilisés pour construire des compas gyroscopiques qui complémentent ou remplacent les boussoles magnétiques - dans les navires, aéronefs et véhicules en général - ainsi que pour aider à la stabilité des bicyclettes, du télescope spatial Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...) et comme un dépôt pour le moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle...) pour les roues inertielles.

Les effets gyroscopiques sont aussi la base de jouets comme les yo-yos, Powerballs et les toupies.

Lois physiques

L'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) décrivant le comportement du gyroscope est :

\mathbf{\tau}={{d \mathbf{L}}\over {dt}}={{d(I\mathbf{\omega})} \over {dt}}=I\mathbf{\alpha}

où les vecteurs τ et L sont le moment sur le gyroscope et son moment cinetique, le scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les...) I est son moment d'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa...), le vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) ω est sa vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée...), et le vecteur α est son accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) angulaire.

Il découle de cela qu'un moment τ appliqué perpendiculairement à l'axe de rotation, et donc perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) à L, provoque un déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) perpendiculaire à la fois à τ et L. Ce mouvement est appelé précession. La vitesse (On distingue :) angulaire de la précession ΩP est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) par

\mathbf{\tau}={\Omega}_P \times \mathbf{L}

La précession peut être démontrée en plaçant un gyroscope tournant sur son axe horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la...) et supporté lâchement à une extrémité. Au lieu de tomber comme on peut s'y attendre, le gyroscope apparaît comme défiant la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) en restant sur son axe horizontal, même si un bout de l'axe n'est pas supporté. L'extrémité libre de l'axe décrit lentement un cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale...) dans un plan horizontal. Cet effet est expliqué par les équations précédentes. Le moment du gyroscope est fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι...) par un couple de forces : la gravité pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) vers le bas le centre de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) du dispositif, et une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) égale la pousse vers le haut pour supporter le côté libre. Le déplacement résultant de ce moment n'est pas vers le bas, comme l'intuition nous le fait supposer, mais perpendiculaire à la fois au mouvement gravitationnel (le bas) et l'axe de rotation (vers l'extérieur du point (Graphie) d'appui), c'est-à-dire dans une direction horizontale vers l'avant, faisant faire à l'appareil une rotation lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du point de support.

Comme démontre la deuxième équation, sous un moment constant dû à la gravité, la vitesse de précession du gyroscope est inversement proportionnelle à son moment cinetique. Cela signifie que, comme la friction fait ralentir le mouvement tournant du gyroscope, le taux de précession augmente. Cela continue jusqu'à ce que le dispositif ne puisse plus tourner suffisamment rapidement pour supporter son propre poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...), alors il arrête la précession et tombe hors de son support.

Utilisations

  • Centrale à inertie (Une centrale à inertie ou centrale inertielle est un appareil de navigation de précision...), compas, GPS[1],
  • Boomerang (BOOMERanG (acronyme de Balloon Observations of Millimetric Extragalatic Radiation and Geophysics)...), diabolo, powerball, toupie ( Une toupie est un jouet destiné à tourner sur lui-même le plus longtemps possible, en...), yo-yo
  • Stabilisateur de caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil...)[2]

Notes

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