GIROSCÓPIO
Um giroscópio possui certas propriedades inerentes, uma das quais é a inércia, um fenômeno que pode ser diretamente relacionado a uma das leis básicas do movimento documentadas por Newton. A primeira lei do movimento de Newton afirma que "um corpo permanecerá em seu estado de repouso ou movimento uniforme em linha reta, a menos que uma força seja aplicada para mudar esse estado". Portanto, uma massa giratória permanecerá em seu plano de rotação, a menos que seja influenciada por uma força externa. Consequentemente, a massa giratória oferece oposição a uma força externa. Isso é chamado de 'inércia giroscópica'
Um rotor de giroscópio mantém a direção de seu plano de rotação, a menos que uma força externa de amplitude suficiente para superar a inércia seja aplicada para alterar essa direção.
INÉRCIA GIROSCÓPICA
A inércia giroscópica depende do momento do rotor em rotação. O momento de tal rotor depende de três fatores principais:
- A massa total, M do rotor (para todas as partículas).
- O raio r somado como a constante K (para todas as partículas) onde K é o raio de giração.
- A velocidade angular.
PRECESSÃO
Precessão é o termo usado para descrever o movimento do eixo de um giroscópio sob a influência de uma força externa. Se uma força for aplicada ao rotor movendo uma extremidade de seu eixo, o giroscópio será deslocado em um ângulo de 90° em relação à força aplicada
Um giroscópio livre sofre um movimento aparente tanto no azimute quanto na inclinação do eixo do rotor, dependendo de sua localização latitudinal. Quando instalado em uma embarcação, a latitude é conhecida e, consequentemente, a extensão do movimento em azimute e inclinação também é conhecida. É possível, portanto, calcular a força necessária necessária para produzir uma ação recíproca para corrigir o efeito do movimento aparente.
Uma força pode ser aplicada ao giroscópio que fará com que a precessão de azimute e inclinação ocorra em oposição à força indesejada causada pela posição do giroscópio na Terra. Se o giroscópio estiver flutuando em azimute a 'D' graus por hora no sentido anti-horário, uma força ascendente suficiente para causar precessão no sentido horário a uma taxa de '- D' graus por hora deve ser aplicada verticalmente à extremidade apropriada do eixo do rotor . O resultado será que o desvio do giroscópio é cancelado e o instrumento aponta para um ponto fixo na Terra.
O movimento de inclinação do giroscópio também pode ser cancelado de maneira semelhante, aplicando uma força igual e oposta horizontalmente à extremidade apropriada do eixo do rotor.
OBTENÇÃO DO NORTE DO GIROSCÓPIO
O eixo do giroscópio pode ser colocado em busca de meridianos (mantendo o eixo de rotação paralelo ao eixo de rotação da Terra) pelo uso de um pêndulo agindo sob a influência da gravidade da Terra. O pêndulo faz com que uma força atue sobre o conjunto do giroscópio fazendo com que ele precesse. A precessão, a segunda propriedade fundamental de um giroscópio, permite que o instrumento busque o norte. À medida que o pêndulo oscila em direção ao centro de gravidade, uma força descendente é aplicada ao eixo da roda, o que causa a ocorrência de precessão horizontal. Essa força gravitacional agindo para baixo no eixo giratório faz com que a bússola precesse horizontalmente e mantenha o eixo apontando para o norte verdadeiro.
As duas principais formas de alcançar a ação precessional devido à gravidade são fazer o eixo de rotação do giroscópio pesado na parte inferior ou superior.
O controle inferior pesado e um giroscópio giratório no sentido horário são usados por alguns fabricantes, enquanto outros preferem um sistema de controle superior pesado com um girador giratório anti-horário.
MEMS ou sistemas microeletromecânicos são basicamente microssistemas que possuem um tamanho muito pequeno. É uma forma extremamente avançada de tecnologia que deu origem a diferentes componentes eletrônicos, como acelerômetro e sensor de giroscópio. Um acelerômetro é um dispositivo que pode ser usado para detectar movimento não gravitacional. Um sensor de giroscópio, por outro lado, pode ser usado para detectar movimento gravitacional. Assim, podemos ver que um sensor de giroscópio e um acelerômetro se complementam.
Um sensor eletrônico de giroscópio é basicamente um dispositivo que tem a ajuda da gravidade da Terra para determinar a orientação. É um tipo de sensor que encontramos dentro da IMU (Inertial Measurement Unit). Um giroscópio pode ser usado para medir a rotação em um eixo específico. O dispositivo consiste em um rotor que nada mais é que um disco girando livremente. O rotor é montado em um eixo giratório que está presente no centro dos gimbals.
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| Arquitetura da interface de circuito eletrônico de um giroscópio |
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| Giroscópio: Princípio de funcionamento |
Hoje em dia os giroscópios são eletrônicos. Os primeiros giroscópios eram contidos flututando num recipiente cheio de mercúrio sustentados por uma suspensão cardan (Inner gimbal e Outer gimbal). Ao girar a grande velocidade um giroscópio com absoluta liberdade de movimento, a rotação terrestre o faria reagir, tendendo a levantar-se por uma extremidade para ficar paralelo com o eixo da Terra; conforme o sentido de rotação do volante (Rotor) um ou outro extremo do eixo x - x se levantaria (sempre de modo a ficar paralelo o eixo do giroscópio e o eixo da Terra) Mas, como a suspensão cardan e o flutuador mantem num plano horizontal o eixo x - x do giroscópio este não poderá reagir ficando sempre horizontalmente no plano do meridiano terrestre, ainda, para que isto aconteça, o eixo vertical de simetria z - z no mesmo sentido do eixo do eixo da Terra.
Quando o eixo x - x é desviado do plano meridiano por uma força externa, a inercia do giroscópio (devido a que o giroscópio tende a conservar, no espaço, a direção do seu eixo de rotação) fará que x - x tenda se inclinar com relação ao horizontal do lugar na mesma medida em que gira a Terra por debaixo do giroscópio. Como o centro de gravidade de todo o sistema flutuador do giroscópio fica muito abaixo da suspensão este ponto se afastara gradualmente da vertical, então o peso do sistema atuando com como uma alvanca proporcional ao afastamento. Isto então, constituirá um momento perturbador que provocará um outro, o de estabilização no plano horizontal o qual fará que o eixo x - x volte ao plano meridiano. Evidentemente que o retorno de x - x se dará ultrapassando, em sentido oposto, o meridiano, de modo que todo o sistema oscile continuamente de um lado para o outro com relação ao momento inicial, durante esta oscilação, o eixo x - x gera um cone cuja base é uma elipse (de eixo maior horizontal e eixo menor vertical) descrita por um dos extremos de x - x.
ORIENTAÇÃO DO EIXO DO GIROSCÓPIO NO MERIDIANO. PRESESSÃO E INCLINAÇÃO.
O eixo de um giroscópio que gira a grande velocidade tem a tendência a conservar invariável sua posição no espaço. Se se tenta inclinar seu eixo o mesmo se desviará lateralmente (precessão). Nos giroscópios os elementos eletromecânicos estão dispostos de forma que seu eixo se mova livremente num plano horizontal (suspensão flutuante) mas sem poder sair dele. Pelo efeito da rotação da Terra, este plano horizontal experimenta uma continua inclinação, concomitantemente o eixo do giroscópio tende a conservar a direção que tinha antes. Consequentemente, um dos extremos deste eixo (o que se observe girando ao contrario das agulas do relogio) apontará para o Norte. Se o eixo do giroscópio se afasta para um lado ou para outro, a direção do meridiano, adotará em seguida uma posição inclinada com relação ao plano horizontal por causa do efeito da rotação da Terra (inclinação) girando então em movimento retrógrado pelo efeito da precessão.
