GYROSCOPES & GYROMÈTRES

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En 1852, Léon Foucault inventa un appareillage mécanique susceptible de mettre en évidence certains effets de la rotation de la Terre, et qu'il baptisa pour cette raison gyroscope. L'élément principal en était le rotor, corps solide de révolution tournant à grande vitesse autour de son axe, ce dernier conservant une certaine liberté cinématique, fonction de l'expérience à réaliser.

À l'heure actuelle, on appelle gyroscope tout appareil comprenant un rotor (ou toupie) tournant à grande vitesse autour de son axe Δ, ce dernier possédant, suivant les cas, un ou deux degrés de liberté par rapport au boîtier de l'appareil. Dans les gyroscopes libres (ou 2 axes), Δ peut se déplacer, par rapport au boîtier, dans un angle solide entourant un axe Z lié au boîtier, appelé axe de zéro ; dans certains cas, cet angle solide couvre tout l'espace, par exemple dans le gyroscope à toupie sphérique portée par champ électrique. Dans les gyroscopes 1 axe, Δ est astreint à balayer un plan fixe lié au boîtier.

À la fin du xixe siècle, Henry Bessemer (1875) puis Ernst Otto Schlick tentaient de lutter contre le roulis des navires en utilisant des gyroscopes de grandes dimensions ; ces essais aboutirent au stabilisateur Sperry (1923), qui fut installé avec succès sur un paquebot de 41 000 tonnes. Lourds et encombrants, ces systèmes seront abandonnés au profit de pilotes automatiques, dans lesquels le rôle du gyroscope est limité à la détection du mouvement angulaire du véhicule, la stabilisation étant obtenue par des nageoires asservies. Cependant, à l'heure actuelle, l'effet stabilisateur des gyroscopes est exploité dans des dispositifs mettant en jeu de faibles inerties (plates-formes stabilisées, satellites artificiels, etc.).

Au début du xxe siècle, certains industriels (Hermann Anschütz, Elmer Ambrose Sperry) appliquèrent les propriétés des gyroscopes à la recherche du nord géographique à bord des navires. Ainsi apparurent les compas gyroscopiques (ou gyrocompas), dont le fonctionnement s'est progressivement amélioré, pour aboutir aux appareillages actuels ; leur précision est de l'ordre de quelques dixièmes de degré.

Par ailleurs, les progrès de l'aviation ont rapidement montré la nécessité de repères angulaires capables d'un fonctionnement autonome. Les gyroscopes furent à nouveau mis à contribution ; il en est résulté l'apparition d'appareils simples et ingénieux : le directionnel et l'horizon artificiel, qui sont encore largement utilisés. Cependant, à bord des avions importants, tels le Concorde, le Boeing 747, l'Airbus A 340, de nombreux avions de combat, les lanceurs spatiaux, les accélérations et les vitesses atteintes perturbent leur fonctionnement ; il y a lieu, dans ce cas, pour obtenir une référence angulaire correcte, d'installer une centrale de navigation inertielle à plate-forme gyrostabilisée ou à composants liés (ce dernier dispositif est qualifié de strapdown ; cf. systèmes de navigation, ).

Gyroscope à suspension élastique

Dessin : Gyroscope à suspension élastique

Gyroscope à suspension élastique compensée. En a : schéma de principe, en b : représentation d'un gyroscope S.E.C. Sagem. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Enfin, certains laboratoires ont étudié divers dispositifs de mesure des rotations absolues ne présentant qu'une analogie assez lointaine avec les gyroscopes classiques. Ce sont les gyroscopes à vibrations, dans lesquels le mouvement de rotation de la toupie est remplacé par le mouvement de va-et-vient d'éléments mécaniques ; les gyroscopes nucléaires, dans lesquels le spin du noyau atomique est utilisé comme référence spatiale ; les gyromètres optiques, exploitant les propriétés de la lumière cohérente, qui ont seuls abouti à des réalisations pratiques.

Le phénomène gyroscopique

Considérons une toupie t (synonyme de rotor) portée par un anneau A. Le comportement et les réactions de cette toupie lorsqu'elle est en rotation rapide autour de son axe Δ peuvent être assez facilement compris en admettant les approximations suivantes :

Gyroscope libre

Dessin : Gyroscope libre

Représentation schématique d'un gyroscope libre dont la toupie est portée par cardan ; dans ce type d'articulation, l'axe de la toupie ne doit jamais être parallèle à l'axe de cardan extérieur, sinon le rotor perd un degré de liberté par rapport au boîtier. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Gyroscope muni d'un axe

Dessin : Gyroscope muni d'un axe

Représentation schématique d'un gyroscope « 1 axe ». La liaison cinématique formée par l'anneau A et l'axe de sortie S oblige ▵ à balayer un plan lié au boîtier et perpendiculaire à S. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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– son moment cinétique H est parallèle à Δ, en raison de la grande vitesse de rotation de t autour de Δ (plusieurs centaines de tours par seconde dans les appareils gyroscopiques modernes) ;

– le module de H est constant, car le couple résultant appliqué de A sur t admet une composante nulle suivant Δ ; cette particularité est due à l'absence de frottement dans la liaison (A → t), ou encore à la compensation d'un couple de frottement par un moteur (électrique, pneumatique, etc.).

Il en résulte que H peut être c [...]

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Gyroscope à suspension élastique

Gyroscope à suspension élastique
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Gyroscope libre

Gyroscope libre
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Gyroscope muni d'un axe

Gyroscope muni d'un axe
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Toupie en rotation

Toupie en rotation
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Pour citer l’article

Jean-Claude RADIX, « GYROSCOPES & GYROMÈTRES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 12 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/gyroscopes-et-gyrometres/