Os giroscópios podem ser objetos muito desconcertantes porque se movem de maneiras peculiares e até parecem desafiar a gravidade. Essas propriedades especiais tornam os giroscópios extremamente importantes em tudo, desde a sua bicicleta ao sistema de navegação avançado no ônibus espacial. Um avião típico usa cerca de uma dúzia de giroscópios em tudo, desde sua bússola até o piloto automático. A estação espacial russa Mir usou 11 giroscópios para manter sua orientação para o sol, e o Telescópio Espacial Hubble também tem um lote de giroscópios de navegação. Os efeitos giroscópicos também são fundamentais para coisas como ioiôs e frisbees!
Nesta edição de Como as coisas funcionam , examinaremos os giroscópios para entender por que eles são tão úteis em tantos lugares diferentes. Você também verá a razão por trás de seu comportamento tão estranho!
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Clique aqui para baixar o vídeo full-motion de 30 segundos mostrando a precessão em ação. (1,7 MB) Se você já brincou com giroscópios de brinquedo, você sabe que eles podem realizar todos os tipos de truques interessantes. Eles podem se equilibrar na corda ou no dedo; eles podem resistir ao movimento em torno do eixo de rotação de maneiras muito estranhas; mas o efeito mais interessante é chamado precessão . Esta é a parte de um giroscópio que desafia a gravidade. O vídeo a seguir mostra os efeitos da precessão usando uma roda de bicicleta como giroscópio:
A seção mais incrível do vídeo, e também o que é inacreditável sobre os giroscópios, é a parte onde a roda da bicicleta giroscópica é capaz de ficar suspensa no ar assim:
A capacidade de um giroscópio de "desafiar a gravidade" é desconcertante! Como pode fazer isso?
Este efeito misterioso é a precessão. No caso geral, a precessão funciona assim:se você tiver um giroscópio girando e tentar girar seu eixo de rotação, o giroscópio, em vez disso, tentará girar em torno de um eixo perpendicular ao seu eixo de força, assim:
Na figura 1, o giroscópio está girando em seu eixo. Na figura 2, uma força é aplicada para tentar girar o eixo de rotação. Na figura 3, o giroscópio está reagindo à força de entrada ao longo de um eixo perpendicular à força de entrada. Então, por que a precessão acontece?
À medida que as forças são aplicadas ao eixo, os dois pontos identificados tentarão se mover nas direções indicadas. Por que um giroscópio deve exibir esse comportamento? Parece totalmente absurdo que o eixo da roda da bicicleta possa ficar suspenso no ar assim. Se você pensar sobre o que realmente está acontecendo com as diferentes seções do giroscópio enquanto ele gira, Contudo, você pode ver que este comportamento é completamente normal!
Vejamos duas pequenas seções do giroscópio enquanto ele gira - a parte superior e a inferior, assim:
Quando a força é aplicada ao eixo, a seção na parte superior do giroscópio tentará se mover para a esquerda, e a seção na parte inferior do giroscópio tentará se mover para a direita, como mostrado. Se o giroscópio não estiver girando, então a roda tomba, conforme mostrado no vídeo da página anterior. Se o giroscópio estiver girando, pense no que acontece com essas duas seções do giroscópio: Primeira lei do movimento de Newton afirma que um corpo em movimento continua a se mover a uma velocidade constante ao longo de uma linha reta, a menos que seja influenciado por uma força desequilibrada. Assim, o ponto superior do giroscópio é acionado pela força aplicada ao eixo e começa a se mover para a esquerda. Ele continua tentando se mover para a esquerda por causa da primeira lei do movimento de Newton, mas a rotação do giroscópio o gira, assim:
Conforme os dois pontos giram, eles continuam seu movimento. Esse efeito é a causa da precessão. As diferentes seções do giroscópio recebem forças em um ponto, mas depois giram para novas posições! Quando a seção no topo do giroscópio gira 90 graus para o lado, ele continua em seu desejo de se mover para a esquerda. O mesmo vale para a seção inferior - ela gira 90 graus para o lado e continua em seu desejo de se mover para a direita. Essas forças giram a roda na direção da precessão. À medida que os pontos identificados continuam girando mais 90 graus, suas moções originais são canceladas. Portanto, o eixo do giroscópio fica suspenso no ar e sofre precessão. Quando você olha dessa maneira, você pode ver que a precessão não é nada misteriosa - ela está totalmente de acordo com as leis da física!
O efeito de tudo isso é que, uma vez que você gira um giroscópio, seu eixo quer continuar apontando na mesma direção. Se você montar o giroscópio em um conjunto de cardan para que possa continuar apontando na mesma direção, será. Esta é a base do giroscópio .
Se você montar dois giroscópios com seus eixos em ângulos retos entre si em uma plataforma, e coloque a plataforma dentro de um conjunto de cardan, a plataforma permanecerá completamente rígida enquanto os cardan giram da maneira que quiserem. Esta é a base de sistemas de navegação inercial (INS).
Em um INS, sensores nos eixos dos cardan detectam quando a plataforma gira. O INS usa esses sinais para entender as rotações do veículo em relação à plataforma. Se você adicionar à plataforma um conjunto de três acelerômetros , você pode dizer exatamente para onde o veículo está se dirigindo e como seu movimento está mudando nas três direções. Com esta informação, o piloto automático de um avião pode mantê-lo no curso, e o sistema de orientação de um foguete pode inserir o foguete na órbita desejada!
Para obter mais informações sobre giroscópios e suas aplicações, confira os links na próxima página!
