1.

Introduzione

Giroscopio Qualunque sistema fisico dotato di una simmetria di rotazione intorno a un asse. Con il termine giroscopio si indica comunemente un corpo di forma sferica o di ruota o di disco, montato su sospensione cardanica in modo da poter ruotare in qualunque direzione.

Le caratteristiche fondamentali di un sistema di questo tipo sono l'elevata inerzia, ovvero la permanenza dell'asse di rotazione, e la precessione, ovvero la tendenza dell'asse di rotazione a disporsi ad angolo retto rispetto al piano individuato dall'asse stesso e da una qualsiasi forza a esso applicata, e che consiste sostanzialmente in un lento moto conico dell'asse. Queste due proprietà sono comuni a qualunque corpo in rotazione intorno a un asse di simmetria, compresa la Terra.

Un giroscopio vincolato a mantenere costante la direzione del proprio asse di rotazione viene detto talvolta girostato: in quasi tutte le applicazioni pratiche, il giroscopio funziona appunto in questo modo. Il prefisso 'giro' viene d'abitudine aggiunto al nome dell'applicazione come, ad esempio, 'girobussola', 'girostabilizzatore' e 'giropilota'.

2.

Inerzia

La stabilità nello spazio dell'asse di un giroscopio è una conseguenza dei principi della dinamica (vedi Meccanica). Una volta messo in rotazione, in assenza di forze esterne, un giroscopio tende a mantenere fissa nello spazio la direzione del suo asse di rotazione. In altre parole è caratterizzato da un'inerzia elevata e per deviare l'asse dalla direzione originale occorre applicare una forza di intensità nettamente maggiore di quella che sarebbe sufficiente se il sistema fosse fermo. Questa situazione può essere osservata ad esempio nel moto di una comune trottola, soggetta alla forza di gravità.

La permanenza dell'asse nello spazio è inoltre particolarmente evidente in un modello di giroscopio consistente in un volano con sostegno ad anelli, tale che l'asse possa assumere qualunque orientazione nello spazio. Comunque si disponga il modello, girandolo o inclinandolo, il volano effettuerà il suo movimento nel piano di rotazione iniziale, almeno finché la velocità di rotazione è sufficiente a vincere l'attrito dei perni.

I giroscopi trovano importanti applicazioni nei sistemi di navigazione automatica o di guida inerziale, in aeroplani, veicoli spaziali, missili guidati, razzi, navi e sottomarini. Gli strumenti di guida inerziale di questi sistemi comprendono giroscopi e accelerometri, che misurano continuamente la velocità e la direzione del veicolo in movimento e inviano segnali a un computer, che registra e compensa gli eventuali sensibili scostamenti dai valori prefissati. Nei missili e in apparecchi di volo sofisticati, i dispositivi propriamente inerziali sono stati sostituiti dai cosiddetti giroscopi-laser, che misurano le variazioni indotte in due raggi laser – ruotanti in senso opposto – dalle variazioni di direzione del veicolo. Un altro sistema avanzato, chiamato giroscopio a sospensione elettrica, fa uso di una sfera cava di berillio sospesa in una culla magnetica.

3.

Precessione

Se si applica una forza all'asse di rotazione per mutarne la direzione, esso tende a disporsi lungo la direzione perpendicolare al piano individuato dalla forza applicata e dall'asse medesimo; quest'ultimo si mette quindi in moto, descrivendo un cono ideale. Il movimento, detto precessione, è dovuto all'azione congiunta della forza applicata e del momento angolare del corpo in rotazione.

4.

Applicazioni del giroscopio

L'elevata inerzia dell'asse di rotazione e la forza di gravità vengono sfruttate per utilizzare un giroscopio come indicatore di direzione o bussola. Brevemente, se immaginiamo di porre un giroscopio sull'equatore, montato con l'asse orizzontale di rotazione in direzione est-ovest, esso continuerà a indicare l'equatore, mantenendo la medesima direzione nello spazio, mentre la Terra ruota da ovest verso est: di conseguenza, l'estremo est dell'asse si muoverà verso l'alto rispetto al suolo. Se alla struttura portante del giroscopio si applica un tubo, parzialmente riempito di mercurio, in modo che subisca la stessa deflessione dell'asse del giroscopio rispetto al suolo, il peso del mercurio, che si accumula verso l'estremo più basso (ovest), applica una forza verticale all'asse del giroscopio. Il giroscopio tende a resistere a questa forza, e precede intorno al suo asse verticale, verso il meridiano. Nella girobussola le forze di controllo sono applicate automaticamente con intensità e direzione opportune, in modo che l'asse del giroscopio mantenga la direzione del meridiano, vale a dire punti fra nord e sud.

Le girobussole sono ormai montate su tutte le navi del mondo. Esse sono esenti dalle anomalie delle bussole magnetiche; indicano il nord geografico invece del nord magnetico e hanno abbastanza stabilità da rendere possibile il governo di apparecchi ausiliari come registratori di rotta, giropiloti e bussole ripetitrici. Il giropilota da marina non ha un proprio giroscopio, ma acquisisce elettricamente qualunque scostamento dalla rotta prestabilita rilevata dalla girobussola; questi segnali elettrici sono amplificati e applicati a un servomeccanismo che controlla il timone in modo che la nave riprenda la giusta rotta.

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Pilota automatico

Il pilota automatico, o autopilota, rileva gli scostamenti dalla rotta di volo prestabilita di un aeroplano e fornisce segnali di correzione agli alettoni e ai timoni di direzione. Un giroscopio verticale rileva le variazioni dell'assetto e un giroscopio direzionale rileva i cambiamenti nella direzione di volo. Altri sistemi giroscopici rilevano le velocità di queste variazioni, mentre l'altitudine viene rilevata per mezzo di un sensore barometrico. La combinazione dei dati relativi alle variazioni registrate e alle relative velocità di variazione fornisce una indicazione estremamente precisa delle correzioni necessarie. I giroscopi trasmettono segnali elettrici a un computer che li amplifica e li analizza, quindi trasmette i segnali di correzione ai servomotori collegati alle superfici di controllo dell'aereo. Un autopilota controllore collegato al computer di bordo consente al pilota di compiere manualmente manovre come virate, cabrate o picchiate, che richiedono movimenti coordinati delle superfici di controllo.

A discrezione del pilota è possibile accoppiare all'autopilota strumenti di navigazione e di radioassistenza per la navigazione automatica. Tra questi strumenti vi sono i sistemi di navigazione inerziale, i radar a effetto doppler e i radiofari. Si possono collegare all'autopilota anche i sistemi di atterraggio strumentale (ILS, dall'inglese Instrument Landing System) installati sulle piste degli aeroporti. In caso di scarsa visibilità, gli ILS dirigono automaticamente la planata dell'aereo e l'allineamento alla pista di atterraggio. Vedi anche Controllo del traffico aereo; Navigazione.