LE GYROSCOPE

Un gyroscope est constitué d'un disque (ou d'un volant) de masse élevée, et animé d'un mouvement de rotation extrêmement rapide; l'axe de rotation étant placé sur un cadre libre de pivoter selon plusieurs axes. Comme ceci:

Du fait de sa masse, et de sa vitesse de rotation, le volant possède une énorme inertie. C'est cette inertie qui est mise à profit dans un gyroscope.
La mise en rotation rapide d'une masse entraine l'apparition d'une force de résistance au pivotement, ou au basculement. C'est ce phénomène qui est à l'origine de l'équilibre d'une toupie sur sa pointe, ou de l'équilibre d'un vélo en marche (c'est la rotation des roues qui assure l'équilibre).

On peut représenter ce moment d'inertie par un vecteur comme ici:

Une translation ne change pas un vecteur, et d'ailleur une toupie n'offre pas de résistance particulière à un déplacement horizontal, ou vertical.
Un basculement, par contre, correspond à un changement de direction du vecteur, et cela n'est possible qu'au prix d'un effort plus grand que pour une translation.

Puisqu'il s'agit d'une force d'inertie, elle dépend directement de la masse et de la vitesse de rotation; c'est la raison pour laquelle le volant d'un gyroscope est tout à la fois très massif, et animé d'une vitesse de rotation aussi élevée que possible.

Il existe deux systèmes d'entrainement pour les gyroscopes: le premier est de faire du volant gyroscopique le rotor d'un moteur électrique, la carcasse du moteur constituant alors le premier cadre. Le deuxième système consiste à entrainer le volant par un jet d'air, comme ceci:

La plupart des gyroscopes tournent à des vitesses comprises entre 10000 et 15000 tours par minutes avec un entrainement pneumatique, et entre 20000 et 25000 tours par minutes pour l'entrainement électrique.

Un gyroscope comme celui dessiné en haut de page est dit à trois degrés de liberté car son axe peut pointer dans n'importe quelle direction.
Pour certains instruments, un gyroscope à deux degrés de liberté est suffisant, dans ce cas, l'un des cadres est fixe.

La propriété qu'ont les gyroscopes de conserver leur axe dans une direction fixe quelque soit les mouvements de leur support (résistance au pivotement ou au basculement) s'appelle la fixité (ou rigidité).

Il éxiste une autre propriété, moins connue mais tout aussi interressante des gyroscopes: c'est la précession.
Lorsque l'on perturbe l'équilibre d'un gyroscope en lui appliquant une force tendant à le faire basculer, le basculement se produit avec un décalage de 90° dans le sens de rotation, comme ceci: