Qu’est-ce qu’un gyroscope ?
Un gyroscope est un instrument qui sert à maintenir ou à conserver l’orientation et la vitesse angulaire d’un objet. Pour ce faire, il utilise le principe de conservation de l’orientation du moment cinétique. Doté d’un disque de rotation libre, le gyroscope est capable de prendre toutes les orientations possibles tout en conservant son axe de rotation invariable.
En effet, lorsque le disque de rotation d’un gyroscope tourne, l’axe de rotation de l’instrument reste stable, même sur un support incliné. Au fur et à mesure que le disque prend de la vitesse, le moment cinétique devient également important, stabilisant ainsi le gyroscope et l’objet dans lequel il est contenu.
Le mouvement de précession
En pleine rotation, si une force venait à s’exercer sur l’axe, le gyroscope est en déséquilibre. L’axe se déplace moins rapidement en suivant un mouvement conique appelé mouvement de précession. Le gyroscope continue de tourner, mais ne tombe pas.
Le gyroscope et le mouvement cinétique
En physique et mécanique classique, le gyroscope et le mouvement cinétique sont indissociables l’un de l’autre. Si le premier désigne un mécanisme d’observation de rotation et de position angulaire, l’autre est une grandeur vectorielle utilisée en conservation de cette même rotation. Découvrez ici tout ce qu’il faut savoir sur le gyroscope et le moment cinétique.
Le moment cinétique
Aussi appelé moment angulaire, le moment cinétique est une grandeur vectorielle qui prend la même direction et le même sens que la vitesse angulaire. Pour que cela soit possible, il faut que l’axe de rotation de l’objet soit également son axe de symétrie.
D’un point matériel M a un point O, le moment cinétique est égal au moment de la quantité de mouvement par rapport au point O, selon Wikipédia. Lorsque le moment cinétique ne change pas, l’axe de rotation reste stable. C’est la conservation du moment cinétique ou l’effet gyroscopique.
L’effet gyroscopique
Pour comprendre concrètement ce mécanisme, prenez une roue de vélo. Tenez-le à bout de bras par les écrous du moyeu. Demandez à quelqu’un de faire tourner la roue rapidement. Si vous tentez de pencher vers la roue en rotation, vous allez ressentir une résistance. C’est la conservation du moment de rotation qui s’oppose à ce mouvement. C’est l’effet gyroscopique qui permet de maintenir cette roue en équilibre. Il est important de noter que l’effet gyroscopique augmente avec la vitesse de rotation.
Histoire du gyroscope
Le premier gyroscope à trois axes a été inventé par Léon Foucault en 1852. Ce dernier est connu pour avoir créé la pendule de Foucault. Lors d’une expérimentation impliquant la rotation de la Terre, Foucault s’est rendu compte que sa pendule tournait lentement par rapport à la rotation de la Terre. Cette expérimentation l’a menée à concevoir un instrument capable de conserver une rotation rapide et pendant assez longtemps. Avec son collaborateur Forment, il créa le gyroscope. Il s’est également aperçu que ce nouvel instrument était capable d’indiquer le Nord et de s’aligner sur le méridien. Il l’appela le compas gyroscopique.
À partir de la fin du 19e siècle, les premiers gyroscopes motorisés font leur apparition. Les gyrocompas sont désormais utilisés pour désigner le nord géographique et non le nord magnétique. Ces derniers remplacent également les boussoles des navires. À partir du 20e siècle, les compas gyroscopiques étaient présents dans les armements militaires.
Aujourd’hui, les gyroscopes sont aussi utilisés pour maintenir la stabilité des appareils électroniques. On les trouve désormais dans des montres, mais aussi dans des smartphones où ils prennent la forme de micro systèmes électromécaniques inertiels.
Les composants d’un gyroscope
Un gyroscope mécanique est composé essentiellement des éléments suivants :
- Un disque rotatif au centre. Au centre de ce disque, se trouve le centre de gravité du gyroscope, sans quoi l’instrument ne peut fonctionner.
- Un axe de rotation qui passe par le centre de disque et qui pointe dans n’importe quelle direction.
- Trois cardans (support rotatif qui permet à un objet de tourner autour d’un axe unique) qui permettent d’avoir un gyroscope à trois axes :
- Un premier fixé à l’axe grâce à des roulements à billes.
- Un second fixé à l’axe intérieur
- Un troisième fixé au cadre extérieur
Utilisations du gyroscope
Le gyroscope est aujourd’hui utilisé dans plusieurs domaines autres que la physique ainsi que dans de nombreux secteurs (industrie, aviation, pétrolier, etc.). Il est utilisé dans :
- Le guidage des torpilles et des missiles
- La coordination ou indication de virage dans un avion
- La fabrication de certains objets anti stress comme les toupies, les yo-yo, les vortecons ou les spinners
- La stabilisation de caméra pendant la capture d’un objet en mouvement
- La construction de motocyclettes, vélos ou véhicules à deux-roues en équilibre
- La construction d’hélicoptères radiocommandés, et bien d’autres
Par ailleurs, cet instrument est aussi utilisé dans des stations spatiales, à bord du télescope spatial Hubble et dans divers autres domaines réservés aux experts en physique.
