Che cos’è un giroscopio?
Un giroscopio è uno strumento che serve a mantenere o conservare l’orientamento e la velocità angolare di un oggetto. A tal fine, si avvale del principio di conservazione dell’orientamento del momento cinetico. Dotato di un disco a rotazione libera, il giroscopio è in grado di assumere tutti gli orientamenti possibili mantenendo invariato il proprio asse di rotazione.
Infatti, quando il disco rotante di un giroscopio gira, l’asse di rotazione dello strumento rimane stabile, anche su un supporto inclinato. Man mano che il disco acquista velocità, anche il momento cinetico diventa significativo, stabilizzando così il giroscopio e l’oggetto in cui è contenuto.
Il moto di precessione
Durante la rotazione, se una forza venisse esercitata sull’asse, il giroscopio andrebbe in disequilibrio. L’asse si sposta più lentamente seguendo un movimento conico chiamato movimento di precessione. Il giroscopio continua a ruotare, ma non cade.
Il giroscopio e il momento cinetico
Nella fisica e nella meccanica classica, il giroscopio e il moto cinetico sono indissociabili l’uno dall’altro. Se il primo indica un meccanismo di osservazione della rotazione e della posizione angolare, il secondo è una grandezza vettoriale utilizzata per la conservazione di quella stessa rotazione. Scoprite qui tutto ciò che c’è da sapere sul giroscopio e sul momento cinetico.
Il momento cinetico
Chiamato anche momento angolare, il momento cinetico è una grandezza vettoriale che assume la stessa direzione e lo stesso senso della velocità angolare. Affinché ciò sia possibile, è necessario che l’asse di rotazione dell’oggetto sia anche il suo asse di simmetria.
Da un punto materiale M a un punto O, il momento cinetico è pari al momento della quantità di moto rispetto al punto O, secondo Wikipedia. Quando il momento cinetico non cambia, l’asse di rotazione rimane stabile. Si tratta della conservazione del momento cinetico o dell’effetto giroscopico.
L’effetto giroscopico
Per comprendere concretamente questo meccanismo, prendete una ruota di bicicletta. Tenetela a braccio teso afferrandola per i dadi del mozzo. Chiedete a qualcuno di far girare rapidamente la ruota. Se provate a inclinarvi verso la ruota in rotazione, avvertirete una resistenza. È la conservazione del momento angolare che si oppone a questo movimento. È l’effetto giroscopico che permette di mantenere questa ruota in equilibrio. È importante notare che l’effetto giroscopico aumenta con la velocità di rotazione.
Storia del giroscopio
Il primo giroscopio a tre assi fu inventato da Léon Foucault nel 1852. Quest’ultimo è noto per aver creato il pendolo di Foucault. Durante un esperimento sulla rotazione terrestre, Foucault si rese conto che il suo pendolo ruotava più lentamente rispetto alla rotazione della Terra. Questo esperimento lo portò a progettare uno strumento in grado di mantenere una rotazione rapida per un periodo di tempo sufficientemente lungo. Insieme al suo collaboratore Forment, creò il giroscopio. Si rese inoltre conto che questo nuovo strumento era in grado di indicare il Nord e di allinearsi al meridiano. Lo chiamò bussola giroscopica.
A partire dalla fine del XIX secolo, fecero la loro comparsa i primi giroscopi motorizzati. Le bussole giroscopiche vengono ormai utilizzate per indicare il nord geografico e non più il nord magnetico. Queste ultime sostituiscono anche le bussole delle navi. A partire dal XX secolo, le bussole giroscopiche erano presenti negli armamenti militari.
Oggi, i giroscopi vengono utilizzati anche per mantenere la stabilità dei dispositivi elettronici. Si trovano ormai negli orologi, ma anche negli smartphone, dove assumono la forma di microsistemi elettromeccanici inerziali.
I componenti di un giroscopio
Un giroscopio meccanico è composto essenzialmente dai seguenti elementi:
- Un disco rotante al centro. Al centro di questo disco si trova il baricentro del giroscopio, senza il quale lo strumento non può funzionare.
- Un asse di rotazione che passa per il centro del disco e che punta in qualsiasi direzione.
- Tre giunti cardanici (supporti rotanti che consentono a un oggetto di ruotare attorno a un unico asse) che permettono di ottenere un giroscopio a tre assi:
- Un primo fissato all’asse tramite cuscinetti a sfere.
- Un secondo fissato all’asse interno
- Un terzo fissato al telaio esterno
Usi del giroscopio
Il giroscopio è oggi utilizzato in diversi ambiti oltre alla fisica, nonché in numerosi settori (industria, aviazione, petrolifero, ecc.). Viene impiegato in:
- La guida di siluri e missili
- Il coordinamento o l’indicazione delle virate in un aereo
- La produzione di alcuni oggetti antistress come trottole, yo-yo, vortecon o spinner
- La stabilizzazione della telecamera durante la ripresa di un oggetto in movimento
- La costruzione di motociclette, biciclette o veicoli a due ruote in equilibrio
- La costruzione di elicotteri radiocomandati e molto altro ancora
Inoltre, questo strumento viene utilizzato anche nelle stazioni spaziali, a bordo del telescopio spaziale Hubble e in vari altri ambiti riservati agli esperti di fisica.