Giroscópio
Um giroscópio é um dispositivo usado para medir ou manter a orientação e a velocidade angular. Em sua forma mecânica, consiste em uma roda ou disco giratório cujo eixo de rotação pode assumir livremente qualquer orientação. Quando o disco gira, a orientação desse eixo não é alterada pela inclinação ou rotação do suporte, devido à conservação do momento angular.
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Um giroscópio mecânico é formado por uma roda montada em dois ou três cardãs, que funcionam como suportes articulados e permitem que a roda gire em torno de um eixo. Três cardãs montados uns sobre os outros, com eixos de articulação ortogonais, podem permitir que a roda instalada no cardã mais interno mantenha uma orientação independente da orientação espacial de seu suporte. Em um giroscópio com dois cardãs, o cardã externo, que forma a armação do giroscópio, é montado de modo a girar em torno de um eixo situado em seu próprio plano e definido pelo suporte. Esse cardã externo tem um grau de liberdade rotacional, enquanto seu eixo não tem nenhum. O segundo cardã, o interno, é montado na armação do giroscópio de modo a girar em torno de um eixo situado em seu próprio plano e sempre perpendicular ao eixo de articulação do cardã externo. O cardã interno tem dois graus de liberdade rotacional.
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Dispositivos semelhantes anteriores
Em essência, um giroscópio é um pião combinado com um par de cardãs. Piões foram criados em muitas civilizações, entre elas a Grécia clássica, Roma e a China. Em geral, esses objetos não eram usados como instrumentos. O primeiro aparelho conhecido semelhante a um giroscópio, chamado "Whirling Speculum" ou "Serson's Speculum", foi inventado por John Serson em 1743. Era usado como nível para localizar o horizonte em condições de nevoeiro ou névoa. O primeiro instrumento empregado de maneira mais próxima à de um giroscópio foi construído pelo alemão Johann Bohnenberger, que escreveu sobre ele pela primeira vez em 1817. Inicialmente, chamou-o apenas de "máquina". A máquina de Bohnenberger usava uma esfera maciça em rotação. Em 1832, o norte-americano Walter R. Johnson criou um aparelho semelhante, baseado em um disco giratório. O matemático francês Pierre-Simon de Laplace, que trabalhava na École Polytechnique em Paris, recomendou a máquina como recurso didático, e assim ela chamou a atenção de Léon Foucault.
Giroscópio de Foucault
Em 1852, Foucault usou o aparelho em um experimento que demonstrava a rotação da Terra. Foucault deu ao dispositivo seu nome moderno em um experimento destinado a observar, do grego skopeein, "ver", a rotação da Terra, do grego gyros, "círculo, rotação". O efeito podia ser observado durante oito a dez minutos, antes que o atrito reduzisse a rotação do rotor.
Comercialização
Na década de 1860, a chegada dos motores elétricos permitiu que um giroscópio girasse indefinidamente. Isso levou aos primeiros protótipos de indicadores de rumo e a um dispositivo mais elaborado, a bússola giroscópica. O primeiro girocompasso funcional foi patenteado em 1904 pelo inventor alemão Hermann Anschütz-Kaempfe. O norte-americano Elmer Sperry apresentou seu próprio projeto no mesmo ano. Outros países perceberam rapidamente a utilidade militar da invenção, numa época em que o poder naval era uma medida central da força militar, e criaram suas próprias indústrias de giroscópios. A Sperry Gyroscope Company expandiu-se rapidamente para fornecer estabilizadores para aeronaves e navios, seguida por outros fabricantes.
Todos os objetos em rotação têm propriedades giroscópicas. As duas propriedades principais observadas no movimento giroscópico são a rigidez no espaço e a precessão.
Rigidez no espaço
A rigidez no espaço é o princípio segundo o qual um giroscópio conserva sua posição no plano em que gira, sem acompanhar a rotação da Terra, como ocorre com uma roda de bicicleta em rotação. Formas antigas de giroscópio, ainda sem esse nome, foram usadas para demonstrar esse princípio.
Precessão
Um caso simples de precessão, também chamado de precessão uniforme, pode ser expresso pela seguinte relação para o momento em torno do eixo x: em que ϕ ′ {\displaystyle \phi '} representa a precessão, ψ ′ {\displaystyle \psi '} representa a rotação, θ {\displaystyle \theta } é o ângulo de nutação e I {\displaystyle I} representa a inércia ao longo do eixo correspondente. A relação só é válida quando os momentos em torno dos eixos Y e Z são iguais a zero. A equação pode ser reduzida observando que a velocidade angular ao longo do eixo z é igual à soma da precessão e da rotação, ω z = ϕ ′ cos θ + ψ ′ {\displaystyle \omega _{z}=\phi '\cos \theta +\psi '} , em que ω z {\displaystyle \omega _{z}} é a velocidade angular ao longo do eixo z.
Steadicam
Um equipamento Steadicam foi usado durante as filmagens do filme de 1983 Star Wars: Episode VI – Return of the Jedi, junto com dois giroscópios para obter estabilização adicional nas tomadas de fundo da perseguição de speeder bikes. O inventor da Steadicam, Garrett Brown, operou a tomada caminhando por uma floresta de sequoias, com a câmera registrando um quadro por segundo. Projetado a 24 quadros por segundo, o material produzia a impressão de voar pelo ar em alta velocidade.
Indicador de rumo
O indicador de rumo, ou giro direcional, tem um eixo de rotação disposto horizontalmente e apontado para o norte. Ao contrário de uma bússola magnética, ele não procura o norte. Em uma aeronave, por exemplo, desvia-se lentamente dessa direção e precisa ser realinhado periodicamente usando uma bússola magnética como referência.
Bússola giroscópica
Ao contrário do giro direcional ou indicador de rumo, uma bússola giroscópica procura o norte. Ela detecta a rotação da Terra em torno de seu eixo e procura o norte verdadeiro, e não o norte magnético. Em geral, esses instrumentos têm amortecimento interno para evitar ultrapassagem durante a recalibração após movimentos bruscos.
Acelerômetro
A velocidade de um objeto pode ser calculada determinando sua aceleração e integrando-a no tempo. Uma segunda integração permite determinar a posição. O acelerômetro mais simples usa uma massa que pode se mover horizontalmente, ligada a uma mola e a um dispositivo que mede a tensão na mola. O projeto pode ser aperfeiçoado pela introdução de uma força contrária para empurrar a massa de volta e pela medição da força necessária para impedir seu deslocamento. Um projeto mais elaborado usa um giroscópio com uma massa em um dos eixos. Quando o conjunto é acelerado, o dispositivo reage à força produzida pela massa e integra essa força para obter a velocidade.
Um giroscópio de fibra óptica também usa a interferência da luz para detectar rotação mecânica. As duas metades do feixe dividido percorrem sentidos opostos em uma bobina de cabo de fibra óptica que pode chegar a 5 km de comprimento. Assim como o giroscópio a laser de anel, ele usa o efeito Sagnac. Um giroscópio de momento de London usa um fenômeno da mecânica quântica pelo qual um supercondutor em rotação produz um campo magnético cujo eixo se alinha exatamente ao eixo de rotação do rotor giroscópico. Um magnetômetro determina a orientação do campo produzido, que é interpolada para determinar o eixo de rotação. Giroscópios desse tipo podem alcançar grande precisão e estabilidade. Os usados no experimento Gravity Probe B, por exemplo, mediram mudanças na orientação do eixo de rotação do giroscópio com precisão melhor que 0,5 milissegundo de arco, equivalente a 1,4 × 10−7 grau, ou cerca de 2,4 × 10−9 radiano, ao longo de um ano. Isso equivale à separação angular correspondente à largura de um fio de cabelo humano visto a 32 km de distância.
Girostato
Um girostato consiste em um volante maciço oculto dentro de uma carcaça sólida. Seu comportamento sobre uma mesa, ou sob diferentes formas de suspensão e apoio, permite observar a inversão das leis comuns do equilíbrio estático causada pelo comportamento girostático do volante interno invisível quando este gira rapidamente. O primeiro girostato foi projetado por Lorde Kelvin para demonstrar o movimento mais elaborado de um corpo em rotação livre para se deslocar sobre um plano horizontal, como um pião sobre o piso ou uma bicicleta na estrada. Kelvin também usou girostatos para desenvolver teorias mecânicas sobre a elasticidade da matéria e sobre o éter. Na mecânica dos meios contínuos existem modelos derivados dessas ideias de Kelvin. Eles pertencem a um tipo específico das teorias de Cosserat, propostas inicialmente por Eugène Cosserat e François Cosserat, que podem ser usadas para estudar materiais artificiais inteligentes e outros meios contínuos. Um desses modelos, chamado meio de Kelvin, tem as mesmas equações que isolantes magnéticos próximos do estado de saturação magnética na aproximação da quasimagnetostática.
Giroscópio MEMS
Um giroscópio de sistemas microeletromecânicos (MEMS) é um giroscópio miniaturizado encontrado em dispositivos eletrônicos. Ele parte do princípio do pêndulo de Foucault e emprega um elemento vibratório. Esse tipo de giroscópio foi usado primeiro em aplicações militares e depois passou a ter uso comercial crescente.
HRG
O giroscópio ressonador hemisférico (HRG), também chamado de giroscópio de taça de vinho ou giroscópio cogumelo, usa uma fina casca hemisférica de estado sólido presa a uma haste espessa. A casca é levada à ressonância flexural por forças eletrostáticas geradas por eletrodos depositados diretamente em estruturas separadas de quartzo fundido que a envolvem. O efeito giroscópico decorre da propriedade inercial das ondas estacionárias de flexão.
VSG ou CVG
Um giroscópio de estrutura vibrante (VSG), também chamado de giroscópio vibratório de Coriolis (CVG), usa um ressonador feito de diferentes ligas metálicas. Sua faixa de desempenho fica entre a dos giroscópios MEMS de menor precisão e custo e a dos giroscópios de fibra óptica de maior precisão e custo. Materiais com baixo amortecimento intrínseco, ressonador mantido a vácuo e eletrônica digital são empregados para reduzir a deriva dependente da temperatura e a instabilidade dos sinais de controle. Ressonadores de taça de vinho de alta qualidade são usados em sensores de precisão, como o HRG.
DTG
Um giroscópio sintonizado dinamicamente (DTG) é um rotor suspenso por uma junta universal com pivôs flexíveis. A rigidez da mola flexível independe da velocidade de rotação. A inércia dinâmica produzida pela reação giroscópica do cardã, porém, gera uma rigidez de mola negativa proporcional ao quadrado da velocidade de rotação, conforme Howe e Savet, 1964, e Lawrence, 1998. Em uma velocidade específica, chamada velocidade de sintonia, os dois momentos se cancelam e deixam o rotor livre de torque, condição necessária para um giroscópio ideal.
Giroscópio a laser de anel
Um giroscópio a laser de anel usa o efeito Sagnac para medir a rotação. O aparelho mede o deslocamento do padrão de interferência de um feixe dividido em dois, que percorrem o anel em sentidos opostos. Quando o Boeing 757-200 entrou em serviço em 1983, levava o primeiro giroscópio a laser de anel adequado a esse uso. O dispositivo levou muitos anos para ser desenvolvido, e os modelos experimentais passaram por numerosas alterações até que engenheiros e gerentes da Honeywell e da Boeing o considerassem pronto para produção. O projeto nasceu da competição com giroscópios mecânicos, que continuavam a melhorar. A Honeywell decidiu desenvolver o giroscópio a laser porque era a única dessas empresas que não tinha uma linha bem-sucedida de giroscópios mecânicos e, por isso, não concorreria com um produto próprio. O primeiro problema era a impossibilidade de detectar rotações abaixo de certo mínimo, devido ao fenômeno de lock-in, no qual os dois feixes se comportam como osciladores acoplados e puxam suas frequências para a convergência e, com isso, para saída zero. A solução foi fazer o giroscópio vibrar rapidamente, impedindo que permanecesse em lock-in. Uma oscilação excessivamente regular, porém, gerava o acúmulo de curtos períodos de lock-in quando o aparelho ficava momentaneamente em repouso nas extremidades do movimento. O problema foi corrigido acrescentando ruído branco aleatório à vibração. O material do bloco também foi trocado de quartzo por um novo vidro cerâmico chamado Cer-Vit, fabricado pela Owens Corning, devido a vazamentos de hélio.
Helicópteros
O rotor principal de um helicóptero comporta-se como um giroscópio. Seu movimento é afetado pela precessão giroscópica, princípio pelo qual uma força aplicada a um objeto em rotação produz sua reação máxima aproximadamente 90 graus depois. A reação pode se afastar desse valor quando outras forças mais intensas atuam sobre o sistema. Para mudar de direção, o helicóptero precisa ajustar o ângulo de passo e o ângulo de ataque.
Gyro X
O Gyro X foi um veículo protótipo criado por Alex Tremulis e Thomas Summers em 1967. O carro usava precessão giroscópica para circular sobre duas rodas. Um conjunto formado por um volante montado em uma carcaça com cardã sob o capô funcionava como um grande giroscópio. O volante era acionado por bombas hidráulicas e produzia um efeito giroscópico sobre o veículo. Um atuador de precessão girava o giroscópio para mudar a direção da força de precessão e contrabalançar as forças que desequilibravam o automóvel. O protótipo único pertence ao Lane Motor Museum, em Nashville, Tennessee.
Além do emprego em bússolas, aeronaves e dispositivos apontadores de computador, os giroscópios passaram a integrar aparelhos eletrônicos de consumo. Como o giroscópio permite calcular orientação e rotação, projetistas incorporaram o sensor a diferentes tecnologias. Sua integração tornou o reconhecimento do movimento em espaço tridimensional mais preciso do que aquele obtido apenas com o acelerômetro presente em gerações anteriores de smartphones. Em eletrônicos de consumo, giroscópios são frequentemente combinados com acelerômetros para detectar direção e movimento. Entre os aparelhos que usam essa combinação estão smartphones como Samsung Galaxy Note 4, HTC Titan, Nexus 5, iPhone 5s, Nokia 808 PureView e Sony Xperia, periféricos de consoles de jogos como o controle Sixaxis do PlayStation 3 e o Wii Remote, e visores de realidade virtual como o Oculus Rift. Alguns recursos de celulares Android, como PhotoSphere, câmera de 360 graus e o uso de aparelhos de realidade virtual, dependem de um sensor giroscópico no telefone.
