Effetto giroscopico

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L'effetto giroscopico nasce quando l'asse intorno al quale un corpo sta ruotando viene sollecitato a spostarsi da una forza che agisce su uno qualsiasi dei piani che contengono l'asse di rotazione.

Allora si osserva che lo spostamento dell'asse, che inerzialmente non avverrebbe senza la sollecitazione, non si verifica nel piano della coppia, come sarebbe intuitivo aspettarsi, ma in un piano perpendicolare ad esso ed alla direzione della forza.

Per fare un esempio, se un aereo, azionato da una turbina con asse di rotazione posto secondo l'asse longitudinale del velivolo, sta procedendo di moto rettilineo uniforme, essendo la turbina un corpo rotante, si verifica che, quando il pilota manovra per scendere in picchiata, sente il suo aereo virare verso sinistra o verso destra a seconda del senso di rotazione della turbina, nel primo caso in senso orario, antiorario nel secondo. Quando manovra per cabrare (decollare), sente ugualmente l'aereo virare ma in senso opposto a quello percepito durante la picchiata. Similmente avverte la tendenza della sua macchina volante a cabrare o a picchiare quando vira.

L'effetto giroscopico è dunque un fenomeno, o meglio un insieme di fenomeni che rispondono alla legge fisica della conservazione del momento angolare.

Per far variare il momento angolare di un oggetto in rotazione è necessario che vi sia applicato un momento generato da due forze non aventi la stessa retta d'azione.

Il momento angolare è direttamente proporzionale al raggio dell'oggetto ruotante (distanza fulcro-oggetto), dalla velocità dell'oggetto, dalla distribuzione e quantità di massa dell'oggetto.

Questo è un fenomeno di natura vettoriale, pertanto la sua trattazione richiede l'uso di vettori e composizioni esterne.

Caratteristico dell'effetto giroscopio è il moto di precessione, ovvero la variazione in ogni istante della direzione dell'asse di rotazione a seguito dell' interazione con un momento della coppia.

Formule[modifica | modifica sorgente]

L'equazione del momento angolare è così definita:

\vec L=\vec r\times \vec p
\vec L=\vec r\times m\vec v

Dove L indica il momento angolare, r la distanza fulcro-oggetto, m la massa dell'oggetto e v la sua velocità.

L'equazione di una coppia di forze risulta invece:

\vec M=\vec l\times \vec F

Dove M è il momento della coppia, l la distanza tra il fulcro ed il punto d'applicazione ed F la forza applicata.

La combinazione del momento angolare e del momento della coppia segue la regola della mano destra, spostando così l'asse di rotazione su di un piano perpendicolare sia all'uno che all'altro, con un modulo pari a:

\vec L= \vec M\Delta t

La trottola[modifica | modifica sorgente]

Il classico esempio dell'effetto giroscopico si ha nella trottola.

Per osservare l'effetto la trottola deve essere in rotazione, da cui la presenza dell'ingrediente fondamentale dell'effetto giroscopico, quello di una massa in rotazione intorno a un suo asse. Il secondo ingrediente è l'effetto perturbatore, ossia la coppia che tende a far inclinare l'asse di rotazione: è il peso della trottola, applicato nel suo baricentro; se la trottola non ruotasse, si adagerebbe non appena fosse lasciata. Invece, per l'effetto giroscopico innescato dalla rotazione, la trottola anziché cadere inclina il suo asse secondo un piano a 90° rispetto a quello di caduta.

In questa nuova posizione, sempre agente il peso, c'è un nuovo piccolo spostamento di 90° e così di seguito, per cui l'asse della trottola non cade, ma descrive un cono dato dall'insieme di tanti piccoli spostamenti a 90° l'uno rispetto all'altro che la mantengono eretta. A mano a mano che la rotazione si smorza, per via dell'attrito, i movimenti si fanno sempre più ampi, il cono sempre più aperto fino alla caduta.

Bicicletta / Motocicletta[modifica | modifica sorgente]

Altro esempio notevole di effetto giroscopico è il mantenimento dell'equilibrio sulle due ruote, di una bicicletta o di una motocicletta. Come si potrebbe rispondere alla domanda: "Quand'è che si sa andare in bicicletta?". Generalmente si risponde, senza che questo abbia alcuna corrispondenza con le leggi della natura, "quando si acquista l'equilibrio". La realtà invece è un'altra: in bicicletta ci si va senza cadere quando, inconsapevolmente o naturalmente, si riescono ad assecondare i movimenti del manubrio che sono innescati dalla forza di gravità che agisce sul baricentro del sistema uomo più bicicletta, mentre il girostato, la trottola, è la ruota sterzante. Se si provasse a bloccare il manubrio impedendogli di "sterzare" secondo quelle rotazioni infinitesime di cui noi nemmeno ci accorgiamo, la probabilità di capitombolare sul terreno, anche da parte dei più esperti corridori, sarebbe estremamente elevata. Andando più nel dettaglio, possiamo notare che l'effetto giroscopico è anche responsabile dei cambiamenti di traiettoria di un mezzo a due ruote, ovvero la svolta a destra o a sinistra. Qui notiamo che è proprio l'inclinazione del mezzo ad avere come conseguenza la svolta, proprio per l'effetto giroscopico (inclinazione a destra, svolta a destra; inclinazione a sinistra, svolta a sinistra). Ma come ottenere l'inclinazione di una bici o di una moto? Essa può essere ottenuta o tramite fuoriuscita del baricentro del sistema dalla retta di appoggio delle ruote sul terreno, o più facilmente tramite la rotazione del manubrio, rotazione che anch'essa crea un effetto giroscopico al mezzo a due ruote, proprio perché la ruota anteriore sterzante viene sollecitata su un piano contenente l'asse di rotazione della stessa. Quello che è in qualche misura sorprendente è che una rotazione del manubrio a sinistra porta il mezzo ad inclinarsi a destra, e viceversa. L'equilibrio della bicicletta è dovuto anche al bilanciamento tra gravità e forza centrifuga. Quando il mezzo tende a cadere verso destra il pilota istintivamente compie una impercettibile svolta a destra tendente a raddrizzare il mezzo per forza centrifuga. Viceversa in curva occorre inclinare il mezzo per non ribaltarlo per forza centrifuga. Per questo i corridori motociclisti sono il più possibile inclinati in curva. Quando il mezzo è quasi fermo "stand by" l'effetto giroscopico è assente e rimane solo l'equilibrio succitato.

Il proiettile[modifica | modifica sorgente]

Nelle moderne armi da fuoco la rigatura della canna imprime al proiettile un moto rotatorio intorno al suo asse longitudinale, facendolo comportare come un girostato. Questo perché la resistenza dell'aria è una forza che non passa per il baricentro del proiettile, per l'imperfezione della sua forma, per cui nasce una coppia che tende a farlo capovolgere rendendo impreciso il tiro. Invece, per l'effetto giroscopico della rotazione, il proiettile invece di capovolgersi secondo il piano individuato dalle due forze che sono il peso e la resistenza dell'aria devia secondo un piano a 90°. La parabola del tiro diventa così una curva sghemba, ossia non planare e la deviazione si chiama errore di deriva o derivazione, che può essere corretta secondo le tecniche apposite di puntamento e di mira.

Il girostato navale[modifica | modifica sorgente]

Uno dei maggiori problemi che affliggeva la marina militare di fine ottocento inizio novecento era l'imprecisione del tiro delle artiglierie di bordo per effetto del rollìo dello scafo. Il rollio è l'oscillazione dell'imbarcazione intorno al suo asse longitudinale, poppa-prua. Il beccheggio invece è l'oscillazione intorno all'asse trasversale. Poiché il momento di inerzia rispetto all'asse trasversale è maggiore di quello rispetto all'asse longitudinale, per la diversa distanza delle masse, si verifica che lo scafo è molto più soggetto al rollìo che al beccheggio. Il girostato navale ha lo scopo, sfruttando l'effetto giroscopico, di trasformare le oscillazioni di rollio in quelle di beccheggio, che si smorzano assai facilmente per via del maggior momento di inerzia. Il girostato è un grande volano, di peso enorme, mantenuto in continua rotazione da un motore apposito. È piazzato all'interno dello scafo, nella chiglia. Succede che quando il rollio tende a far inclinare lo scafo, si inclina solidalmente anche l'asse del girostato: nasce così una coppia molto forte sul piano a 90° che però è quello di beccheggio, secondo il quale lo scafo ha un'inerzia molto maggiore.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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