Le physicien Léon Foucault démontre le phénomène des courants magnétiques terrestres et invente le gyroscope. © Tom, Adobe Stock
Tech

Gyroscope : qu'est-ce que c'est ?

DéfinitionClassé sous :technologie , Invention , gyroscope

Le gyroscope est un instrument basé sur le principe de la conservation du mouvement angulaire. Cet appareil donne ainsi la position angulaire sur un, deux ou trois axes par rapport à un référentiel inerte. Il fut inventé par le physicien français Léon Foucault en 1852.

  • Inventé en 1852 par Léon Foucault

À la suite d'une expérience basée sur les mouvements de la Terre, Foucault les met en évidence grâce au pendule (appelé pendule de Foucault, et toujours visible au Panthéon de Paris). Cependant, il se rend compte que le pendule effectue ses rotations à une vitesse constamment inférieure à celle de la Terre (1/sin (latitude)). Grâce à son partenaire Froment, il réalise qu'en bloquant certaines pièces de son pendule, ce dernier s'aligne sur le méridien et indique le nord : le compas gyroscopique est né. Il est utilisé en remplacement du compas magnétique, inefficace lorsqu'il est trop proche des pôles. 

Principe et utilisation du gyroscope

Le gyroscope repose sur le principe de précession. Ce dernier décrit le changement progressif d'orientation de l'axe de rotation du gyroscope sous l'action de l'environnement. Dans le cas du pendule de Foucault, la précession est la preuve de la rotation de la Terre, exprimée par la force de Coriolis. Le gyroscope fut ensuite amélioré par l'apport d'un support fixe permettant à l'instrument de ne pas subir de frottement dans l'espace : ce système est aujourd'hui présent dans les avions de ligne ou la Station spatiale internationale. La friction entraîne un ralentissement du gyroscope qui perd sa vitesse de rotation jusqu'à ne plus pouvoir supporter son propre poids. 

Un gyroscope, c'est quoi ? 

Le terme gyroscope vient des mots grecs gyros qui veut dire « cercle » et scope qui veut dire « observer ». Gyroscope peut donc signifier « qui observe la rotation ». Un gyroscope est un dispositif qui permet de mesurer ou maintenir l'orientation et la vitesse angulaire d'un objet en utilisant le principe de la conservation du moment cinétique. Il ressemble à une toupie avec 3 axes d'inclinaison.

Le premier gyroscope à 3 axes est inventé par l'astronome allemand Bohnenberger en 1810. En 1852 il est amélioré et baptisé gyroscope par le physicien et astronome français Léon Foucault, à qui l'on doit le célèbre pendule de Foucault. Foucault découvre que le disque rotatif à l'intérieur du gyroscope conserve son orientation initiale dans l'espace lorsqu'il tourne, indépendamment de la rotation de la Terre. Il se rend compte aussi que le gyroscope peut indiquer le nord et la latitude du lieu où il se trouve si son axe de rotation est parallèle à l'axe de rotation de la Terre.

Les gyroscopes sont motorisés à partir de la fin du 19ème siècle donnant un peu plus tard naissance au gyrocompas qui indique le nord géographique et non le nord magnétique. Les compas gyroscopiques remplacent les boussoles des navires en métal. Dans la première partie du 20ème siècle, les gyroscopes deviennent un élément essentiel de l'industrie militaire, présents dans de nombreux véhicules et armes.
Aujourd'hui ils servent aussi à stabiliser les dispositifs électroniques. 

Un gyroscope, comment ça marche ? 


« Les gyroscopes à moteur peuvent tourner à 15 000 tours par minute. »©"gyroscope" par StephenAGregory

De quoi est fait un gyroscope ?

De l'intérieur vers l'extérieur, on trouve dans un gyroscope mécanique :

  • un disque rotatif au centre;
  • un axe de rotation qui passe par le centre du disque et qui peut pointer dans n'importe quelle direction;
  • un premier cardan, fixé à l'axe par des roulements à billes quasiment sans frottement;
  • un second cardan un peu plus large, fixé au cardan intérieur;
  • un troisième cardan fixé au cadre extérieur.

Pour qu'un gyroscope fonctionne, son centre de gravité doit se situer exactement au centre du disque. 

Le moment cinétique

Le fonctionnement d'un gyroscope est basé sur la conservation du moment cinétique, appelé aussi moment angulaire. Le moment cinétique est une grandeur vectorielle qui, dans le cas où l'axe de rotation d'un objet est aussi un axe de symétrie, a la même direction et le même sens que la vitesse angulaire. Si le moment total des forces exercées sur l'objet est nul, le moment cinétique ne change pas et l'axe de rotation reste stable. C'est cette conservation du moment cinétique qui fait que nous ne tombons pas à vélo, ce qu'on appelle aussi effet gyroscopique. 

Le fonctionnement d’un gyroscope

Lorsque le disque rotatif d'un gyroscope tourne, son axe de rotation reste stable même si le support sur lequel le gyroscope repose s'incline. Plus le disque tourne vite plus son moment cinétique sera important, plus le gyroscope sera stable, stabilisant aussi l'objet dans lequel il se trouve. 

Le mouvement de précession

Si une force s'exerce sur l'axe de rotation, le gyroscope n'est plus équilibré. L'axe se déplace alors lentement en un mouvement conique: c'est ce qu'on appelle le mouvement de précession. Le gyroscope tourne, mais ne tombe pas, défiant la gravité. Un phénomène impressionnant !

À quoi sert un gyroscope ? 

Le gyroscope est une merveille d'ingénierie dont l'invention a révolutionné le 20ème siècle, indispensable notamment à l'aéronautique et l'aérospatiale. Il est aussi utilisé pour garder un objet dans une certaine direction. On trouve des gyroscopes dans :

  • le pilotage automatique des navires et des avions;
  • les satellites en orbite et la Station ISS;
  • les télescopes spatiaux comme Hubble;
  • les gyropodes et les véhicules similaires;
  • les stabilisateurs vidéo (steadicam, drones);
  • le guidage des missiles.
Cela vous intéressera aussi
Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour. Toutes nos lettres d’information

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !