Giroscópio e seu equilibrio

Interessante como o giroscópio consegue manter o equilíbrio

 

 

Os giroscópios podem ser objetos muito intrigantes, pois movem-se de formas peculiares e parecem desafiar a gravidade. Estas propriedades especiais fazem do giroscópio um objeto extremamente importante, sendo usado em nossa bicicleta e até em sistemas de navegação avançados como naves espaciais. Um avião comum usa uma média de uma dúzia de giroscópios, desde uma bússola até um piloto automático. A estação espacial russa Mir usava 11 giroscópios para manter sua orientação com o sol, e o telescópio espacial Hubble possui também muitos giroscópios. Efeitos giroscópios são também usados em brinquedos como ioiôs e frisbees.

Neste artigo, entenderemos por que os giroscópios possuem tantas finalidades e são usados em lugares tão diferentes.

Precessão

Se você já brincou com giroscópios de brinquedo, sabe que eles podem executar todo tipo de truque interessante: podem se equilibrar em um barbante ou em um dedo e manter o movimento sobre o eixo de giro de várias maneiras esquisitas. O efeito mais interessante, porém, é chamado de precessão. Esta é a parte em que o giroscópio desafia a gravidade.

A habilidade de um giroscópio de “desafiar a gravidade” é desconcertante

Como isso pode acontecer?

Em casos gerais, a precessão funciona assim: se você rotaciona um giroscópio sobre seu eixo de giro, o giroscópio tentará rodar sobre um eixo perpendicular a esse eixo de giro. Assim:

gyro-forces

Figura 1 – O giroscópio está girando em seu eixo.

Figura 2 – Uma força é aplicada para tentar rodar o eixo de giro.

Figura 3 – O giroscópio está reagindo à força aplicada ao longo da perpendicular do eixo dessa força.

Então por que a precessão acontece?

O que causa a precessão?

Por que um giroscópio possui este comportamento? Parece totalmente sem sentido que o eixo de uma roda de bicicleta possa manter-se no ar desta forma. Se você pensar no que está acontecendo nas diferentes partes do giroscópio enquanto ele roda, verá que este comportamento é completamente normal!

Vamos dar uma olhada em duas pequenas seções do giroscópio enquanto ele roda – a parte de cima e a de baixo, assim:

gyro-points

Forças são aplicadas ao eixo: as duas pontas identificadas tentarão se mover nas direções indicadas.

Quando a força é aplicada ao eixo, a seção de cima do giroscópio tentará se mover para a esquerda, e a seção de baixo tentará se mover para a direita, como mostrado. Se o giroscópio não está girando, então a roda fica pendurada, aproximadamente na horizontal. Se o giroscópio está girando, pense o seguinte: a primeira lei de Newton do movimento afirma que um corpo em movimento se mantém em movimento com velocidade constante ao longo de uma linha reta, a menos que atue sobre ele uma força que desequilibre essa situação. Então o ponto de cima do giroscópio é acionado pela força aplicada ao eixo, e ele começa a se mover para a esquerda. Ele continua tentando se mover para a esquerda por causa da primeira lei de Newton do movimento, mas o giro do giroscópio o rotaciona, desta maneira:

gyro-force2

 Como os dois pontos rodam, eles continuam se movendo.

Este efeito é a causa da precessão. As diferentes seções do giroscópio recebem forças em um ponto, mas rodam em posições novas. Quando a seção de cima do giroscópio roda 90o, ele continua tentando se mover para a esquerda dela. O mesmo é verdade com a seção de baixo – ela roda 90o e continua tentando se mover para a direita dela. Estas forças giram a roda na direção da precessão. Como os pontos identificados continuam a rodar mais 90o, seus movimentos originais são cancelados. Então o eixo do giroscópio fica na horizontal no ar e precessa. Quando você entende isto, percebe que a precessão não é nada misteriosa: está totalmente dentro das leis da física.

O giroscópio e suas finalidades

Uma vez que você gira um giroscópio, seu eixo procura apontar na mesma direção. Se você montar o giroscópio em um conjunto de argolas de suspensão de bússola para que continuem apontando na mesma direção, ele irá. Esta é a base de um giro-compasso.

Se você montar dois giroscópios com seus eixos a 90o um do outro em uma plataforma, e posicioná-los dentro de um conjunto de argolas de suspensão de bússola, a plataforma permanecerá completamente rígida, enquanto as argolas rodam em qualquer direção. Esta é a base dos sistemas de navegação inerciais (INS).

Em um INS, sensores nos eixos das argolas detectam quando a plataforma rotaciona. O INS usa estes sinais para entender as rotações do veículo relativas à plataforma. Se você adicionar à plataforma um conjunto de três acelerômetros sensíveis, saberá exatamente aonde o veículo está indo e como seu movimento está mudando nas três direções. Com esta informação, o piloto automático de um avião pode manter o curso e o sistema de guia de um foguete pode inserir o foguete na órbita desejada.

Fonte: http://ciencia.hsw.uol.com.br/giroscopios1.htm

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