Gyroscope

Exemple de gyroscope avec trois degrés de liberté de rotation autour de trois axes. Le rotor (plateau central en rotation) gardera son axe de rotation fixe quelles que soient les orientations des cercles extérieurs mais uniquement lorsque celui-ci est en rotation.

Un gyroscope (du grec « qui observe la rotation ») est un appareil qui exploite le principe de la conservation du moment angulaire en physique (ou encore stabilité gyroscopique ou effet gyroscopique). Cette loi fondamentale de la mécanique veut qu'en l'absence de couple appliqué à un solide en rotation, celui-ci conserve son axe de rotation invariable. Lorsqu'un couple est appliqué à l'appareil, il provoque une précession ou une nutation du solide en rotation. Dans les capteurs : un gyroscope est un capteur de position angulaire et un gyromètre un capteur de vitesse angulaire. Le gyroscope donne la position angulaire (selon un, deux ou les trois axes) de son référentiel par rapport à un référentiel inertiel (ou galiléen).

Effet gyroscopique

L'essentiel du dispositif est une roue (ou tout objet correctement équilibré) tournant sur un axe qui, une fois lancée tend à résister aux changements de son orientation.

Une façon simple d'expérimenter cet effet consiste à tenir à bout de bras une roue de vélo par les écrous du moyeu et de la faire tourner rapidement par une autre personne. Lorsque l'on tente de pencher sur le côté la roue en rotation, on ressent une résistance. C'est la conservation du moment de rotation qui tend à s'opposer à ce mouvement.

Le gyroscope de Foucault

Le gyroscope fut inventé et nommé en 1852 par Léon Foucault pour une expérimentation impliquant la rotation de la Terre. La rotation avait déjà été mise en évidence par le Pendule de Foucault en 1851. L'expérience du pendule du Panthéon n'était pas suffisamment convaincante pour beaucoup de contemporains ce qui a poussé Foucault à inventer l'année suivante le gyroscope dont l'axe reste parallèle à une direction fixe par rapport aux astres et cela, quelle que soit la latitude.

Foucault présenta ainsi en 1852 un appareil capable de conserver une rotation suffisamment rapide (150 à 200 rotations par seconde) pendant un laps de temps suffisamment long (une dizaine de minutes) pour que des mesures observables puissent être effectuées. Cette prouesse mécanique (pour l'époque) illustre le talent en mécanique de Foucault et de son collaborateur, Froment.

La rotation de la Terre fait apparaître, pour un observateur terrestre, une révolution complète de l'axe de rotation du gyroscope en un jour sidéral. Cet effet n'est pas visible si l'axe de rotation du gyroscope est précisément l'axe de rotation de la Terre.

Foucault se rendit aussi compte que son appareil pouvait servir à indiquer le nord. En effet, en bloquant certaines pièces, le gyroscope s'aligne sur le méridien. Le compas gyroscopique était né. On trouvera également ce dispositif pour le guidage inertiel des missiles et, par exemple, le pilotage vers la Lune lors du programme Apollo. On en trouve également dans les satellites artificiels pour le contrôle de l'attitude.

Généralités

Le fonctionnement du gyroscope repose sur la conservation du moment angulaire (ou moment cinétique).

Les gyroscopes peuvent être utilisés pour construire des compas gyroscopiques qui complémentent ou remplacent les compas magnétiques (boussoles)- dans les navires, aéronefs et véhicules en général - ainsi que pour aider à la stabilité des motocyclettes, du télescope spatial Hubble et comme un dépôt pour le moment angulaire pour les roues de réaction. Contrairement à une idée répandue, le phénomène de précession est négligeable dans le cas de l'équilibre d'une bicyclette.

Les effets gyroscopiques sont aussi la base de jouets comme les yo-yos, Powerballs et les toupies.

Le nombre de gyroscopes utilisés dans le monde explose dorénavant car ils équipent un nombre croissant de smartphones. Ils servent à repérer précisément la position et l'orientation de l'appareil dans l'espace.

Lois physiques

Exemple de mouvement de précession de l'axe d'un gyroscope.

L'équation fondamentale décrivant le comportement du gyroscope est :

${\vec {\tau }}={{d{\vec {L}}} \over {dt}}={{d(I{\vec {\omega }})} \over {dt}}=I{\vec {\alpha }}$${\vec \tau }={{d{\vec L}} \over {dt}}={{d(I{\vec \omega })} \over {dt}}=I{\vec \alpha }$

où les vecteurs ${\vec {\tau }}$${\vec \tau }$ et ${\vec {L}}$${\vec L}$ sont respectivement le moment (ou couple) sur le gyroscope et son moment cinétique, le scalaire I est son moment d'inertie, le vecteur ${\vec {\omega }}$${\vec \omega }$ est sa vitesse angulaire, et le vecteur ${\vec {\alpha }}$${\vec \alpha }$ est son accélération angulaire.

Il découle de cela qu'un moment ${\vec {\tau }}$${\vec \tau }$ appliqué perpendiculairement à l'axe de rotation, et donc perpendiculaire à ${\vec {L}}$${\vec {L}}$, provoque un déplacement perpendiculaire à la fois à ${\vec {\tau }}$${\vec \tau }$ et ${\vec {L}}$${\vec L}$. Ce mouvement est appelé précession. La vitesse angulaire de la précession Ω_P est donnée par

${\vec {\tau }}={\vec {\Omega }}_{P}\wedge {\vec {L}}$${\vec \tau }={{\vec \Omega }}_{P}\wedge {\vec L}$

Le phénomène de précession peut être observé en plaçant un gyroscope tournant autour de son axe vertical et soutenu par le sol ou un point fixé au sol à une extrémité. Au lieu de tomber comme on peut s'y attendre, le gyroscope apparaît comme défiant la gravité en restant sur son axe vertical, même si un bout de l'axe n'est pas soutenu. L'extrémité libre de l'axe décrit lentement un cercle dans un plan horizontal. Les équations précédentes décrivent cet effet. Le moment du gyroscope est fourni par un couple de forces : la gravité pousse vers le bas le centre de la masse du dispositif, et une force égale la pousse vers le haut pour soutenir le côté libre. Le déplacement résultant de ce moment n'est pas vers le bas, comme l'intuition nous le fait supposer, mais perpendiculaire à la fois au mouvement gravitationnel (le bas) et l'axe de rotation (vers l'extérieur du point d'appui), c'est-à-dire dans une direction horizontale vers l'avant, faisant faire à l'appareil une rotation lente autour du point de support.

Comme démontre la deuxième équation, sous un moment constant dû à la gravité, la vitesse de précession du gyroscope est inversement proportionnelle à son moment cinétique. Cela signifie que, comme la friction fait ralentir le mouvement tournant du gyroscope, le taux de précession augmente. Cela continue jusqu'à ce que le dispositif ne puisse plus tourner suffisamment rapidement pour soutenir son propre poids, alors il arrête la précession et tombe hors de son support.

Utilisations

• Centrale à inertie, gyrocompas
• En aviation, l'horizon artificiel, le conservateur de cap, le coordonnateur ou indicateur de virage
• Boomerang, diabolo, powerball, toupie, yo-yo
• Stabilisateur de caméra lors d'une capture perturbée par le mouvement des vagues, le tangage d'un avion, etc.
• Les motocyclettes doivent une grande partie de leur stabilité à l'effet gyroscopique.
• Le gyropode (exemple Segway), véhicule électrique monoplace utilise des gyroscopes pour assurer sa stabilisation de façon autonome.
• Les hélicoptères radiocommandés en possèdent un pour gérer le rotor anticouple, il peut même intégrer une fonction Head Lock qui lui fait garder son cap quelles que soient les conditions.
• L'iPhone 4, la PlayStation Vita, la Nintendo 3DS et l'iPod touch ainsi que le PlayStation Move et le Wii MotionPlus ont été les premiers appareils électroniques grand public à posséder un gyroscope à 3 axes. Cet équipement tend à se généraliser sur les smartphones.
• La Station spatiale internationale possède 4 gyroscopes qui permettent de contrôler son attitude lors de sa trajectoire orbitale autour de la Terre.
• Dans le domaine du forage pétrolier, pour déterminer la trajectoire d'un puits foré.
• Comme actionneur gyroscopique, par exemple pour contrôler la position d'un cube (Cubli) posé sur un support, par 3 « roues de réaction », éventuellement mouvant (en activant ou freinant la rotation de l'un de plusieurs gyroscopes) et présentation en anglais).

Voir aussi

Articles connexes

• Jean Fieux, ingénieur à l'origine de nombreuses applications de l'effet gyroscopique.
• Gyromètre
• Théorème du couple gyroscopique
• Mouvement à la Poinsot
• Gyroscope personnel Powerball
• Gyrobus

Liens externes

• Appareil de Bohnenberger pour démontrer la précession des équinoxes et la nutation, Henri Chamoux, Inventaire des instruments scientifiques anciens dans les établissements publics sur le site des Ressources numériques en histoire de l'éducation
• (en) Gyroscopes de contrôle du moment (control moment gyroscopes, CMG) de la station spatiale internationale (ISS)
• (en) Effet gyroscopique et le volant - une étude[PDF] sur le site de Magnetal AB
• Théorie du gyroscope (précession et nutation) sur le site de Gilbert Gastebois