Você sabia que aviões e ônibus espaciais usam giroscópios de baixa tecnologia para navegação? Descubra o segredo por trás do movimento giroscópico! Michel Tcherevkoff O giroscópio pode ser um objeto desconcertante porque se move de maneiras peculiares e até parece desafiar a gravidade. Essas propriedades especiais são a razão pela qual os giroscópios podem ser encontrados em uma variedade de máquinas, incluindo a bicicleta e o sistema de navegação avançado do ônibus espacial.
Um avião típico usa cerca de uma dúzia de giroscópios em tudo, desde a bússola até o piloto automático. Por exemplo, a estação espacial russa Mir usou 11 giroscópios para manter sua orientação em relação ao Sol, e o Telescópio Espacial Hubble também possui um lote de giroscópios de navegação. Os efeitos giroscópicos também são fundamentais para brinquedos como ioiôs e frisbees.
Vamos dar uma olhada mais profunda neste dispositivo para entender melhor por que ele é tão útil e versátil em diversas aplicações tecnológicas. Conteúdo
O que é um giroscópio?
Tipos de giroscópios
Precessão
A causa da precessão
Usos do giroscópio
O que é um giroscópio?
Um giroscópio é um dispositivo mecânico ou eletrônico que utiliza o princípio do momento angular para manter sua orientação em relação ao eixo da Terra ou resistir a mudanças em sua orientação. Um giroscópio normalmente consiste em um rotor giratório, que fornece momento angular, e um conjunto de cardan ou suportes articulados.
Cada giroscópio é construído em torno de um ou mais eixos, que servem como elemento fundamental na construção do dispositivo. O eixo de rotação costuma estar alinhado com o eixo Z, permitindo que o rotor giroscópico gire livremente, o que é crucial para o funcionamento do dispositivo. A carcaça ou estrutura, juntamente com os rolamentos, fornecem suporte estrutural e protegem os componentes internos.
Enquanto os giroscópios de eixo único têm apenas um eixo primário de rotação, outros, como os giroscópios de três eixos, são projetados para medir mudanças de movimento e orientação ao longo de todos os três eixos espaciais:X, Y e Z. O número específico e a orientação desses eixos podem variam dependendo do design do giroscópio e da aplicação pretendida.
Pense em um giroscópio de eixo único como uma gangorra que só vai e volta. Ele só pode medir ou responder ao movimento em uma direção. Por outro lado, um giroscópio de três eixos é como um pião que você pode mover em qualquer direção:para frente e para trás (eixo X), de um lado para o outro (eixo Y) e até mesmo em um movimento giratório como um pião ( Eixo Z).
Estabilidade giroscópica
Agora você deve estar se perguntando o que esse dispositivo tem a ver com a Terra e seu eixo. A conexão entre os dois pode ser encontrada no conceito de estabilidade giroscópica. O planeta atua como um giroscópio colossal porque gira em torno de seu eixo. Esta rotação dá à Terra uma propriedade conhecida como momento angular, o que significa que ela quer continuar girando na mesma direção.
Os giroscópios, por outro lado, são dispositivos projetados para manter sua orientação no espaço, aproveitando os princípios do movimento rotacional (também conhecido como movimento rotacional). Eles possuem um rotor giratório que resiste a mudanças em seu eixo.
Quando submetidos a forças externas, os giroscópios exibem um comportamento chamado precessão, onde seu eixo muda gradualmente de direção, em vez de inclinar-se imediatamente. (Daqui a pouco examinaremos mais de perto esse comportamento.)
Os giroscópios imitam essencialmente a estabilidade da Terra em sua rotação, e é por isso que engenheiros e cientistas podem usar esses dispositivos para obter movimento ou orientação precisa e constante em tudo, desde sistemas de navegação até naves espaciais.
Tipos de giroscópios
Existe apenas uma Terra – a menos que você viva em um multiverso de quadrinhos – mas existem muitos tipos de giroscópios, cada um adaptado para aplicações específicas:
Giroscópio Mecânico :Um design tradicional com massas giratórias para estabilidade, usado em sistemas de navegação e estabilização.
Giroscópio de fibra óptica (FOG) :utiliza a interferência de ondas de luz em fibras ópticas para detectar rotação, encontrada na indústria aeroespacial e na navegação.
Giroscópio a laser em anel (RLG) :Baseia-se na interferência da luz laser em circuito fechado, oferecendo alta precisão para navegação em aeronaves e submarinos.
Giroscópio Vibratório Coriolis :usa o efeito Coriolis em estruturas vibrantes para medir a velocidade angular, predominante em sistemas de navegação, robótica e eletrônicos de consumo.
Precessão
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, sabe que eles podem realizar todo tipo de truques interessantes. Eles podem se equilibrar na corda ou no dedo e resistir ao movimento em torno do eixo de rotação de maneiras muito estranhas, mas o efeito mais interessante é chamado de precessão giroscópica. Esta é a parte que desafia a gravidade de um giroscópio. Este vídeo de 30 segundos mostra os efeitos da precessão, usando uma roda de bicicleta como giroscópio.
A seção mais incrível do vídeo é sem dúvida a parte em que a roda giroscópica da bicicleta consegue ficar suspensa no ar assim:
A capacidade de um giroscópio de "desafiar a gravidade" é desconcertante! Como isso pode acontecer?
Este efeito misterioso é a precessão.
Em geral, a precessão funciona assim:se você tiver um giroscópio giratório e tentar alterar a orientação de seu eixo de rotação, o dispositivo responderá alterando sua orientação ao longo de um eixo diferente que é perpendicular (em ângulos retos) ao eixo do seu giroscópio. força aplicada. Então, por que a precessão acontece?
Veja a ilustração de três rodas giratórias:
Na figura 1, o giroscópio está girando em torno de 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.
A causa da precessão
À medida que as forças são aplicadas ao eixo, os dois pontos identificados tentarão se mover na direção indicada instruções. Por que um giroscópio apresenta esse comportamento? Parece totalmente absurdo que o eixo da roda da bicicleta fique suspenso no ar daquele jeito.
Se você pensar sobre o que realmente está acontecendo com as diferentes seções do giroscópio enquanto ele gira, poderá ver que esse 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 tentará se mover para a direita, conforme mostrado.
Se o giroscópio não estiver girando, a roda tomba, como mostrado no vídeo da página anterior.
Se o giroscópio estiver girando, pense no que acontece com essas duas seções do giroscópio:a 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 sofre a ação da 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 faz girar. À medida que os dois pontos giram, eles continuam seu movimento. Este 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 com seu desejo de se mover para a esquerda.
O mesmo vale para a seção inferior:ela gira 90 graus para o lado e continua desejando se mover para a direita. Essas forças giram a roda na direção da precessão.
À medida que os pontos identificados continuam a girar mais 90 graus, seus movimentos originais são cancelados. Assim, o eixo do giroscópio fica suspenso no ar e em precessão. Quando você olha desta forma, você pode ver que a precessão não é nada misteriosa – ela está totalmente alinhada com as leis da física.
Usos do giroscópio
O efeito de tudo isso é que, quando você gira um giroscópio, seu eixo quer continuar apontando na mesma direção. Se você montar o giroscópio em um conjunto de gimbals para que ele possa continuar apontando na mesma direção, isso acontecerá. Esta é a base da bússola giroscópica.
Se você montar dois giroscópios com seus eixos perpendiculares um ao outro em uma plataforma e colocar a plataforma dentro de um conjunto de balancins, a plataforma permanecerá completamente rígida enquanto os balancins giram da maneira que desejarem. Esta é a base dos sistemas de navegação inercial (INS).
Num INS, sensores nos eixos dos gimbals detectam quando a plataforma gira. O INS utiliza esses sinais para compreender as rotações do veículo em relação à plataforma. Se você adicionar à plataforma um conjunto de três acelerômetros sensíveis, poderá saber exatamente para onde o veículo está se dirigindo e como seu movimento está mudando nas três direções.
Com essas informações, o piloto automático de um avião pode mantê-lo no curso e o sistema de orientação de um foguete pode direcioná-lo para a órbita desejada. Agora isso é interessante O trabalho pioneiro de Léon Foucault com o giroscópio no século XIX revolucionou a nossa compreensão da rotação da Terra. Foucault suspendeu um grande giroscópio em um fio fino, mostrando sua notável propriedade de manter seu eixo de rotação apesar do movimento da Terra. À medida que a Terra girava abaixo dele, o eixo do giroscópio mudava lentamente de direção, oferecendo uma prova tangível da rotação da Terra. Este Pêndulo de Foucault tornou-se uma demonstração científica icônica, destacando a interação da física e da astronomia.
Este artigo foi atualizado em conjunto com a tecnologia de IA, depois verificado e editado por um editor do HowStuffWorks.
Perguntas frequentes sobre giroscópio
Para que serve um giroscópio?
Os giroscópios são incorporados em bússolas em navios e aeronaves, no mecanismo de direção em torpedos e nos sistemas de orientação instalados em mísseis balísticos e satélites em órbita, entre outros locais.
Por que os giroscópios desafiam a gravidade?
Eles podem parecer desafiar a gravidade, mas não o fazem. Esse efeito é devido à conservação do momento angular.
Qual é o efeito giroscópico?
Este efeito refere-se à maneira como um objeto em rotação deseja manter o eixo de sua rotação.
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