De la toupie aux avions, en passant par les portables, les vélos et automobiles, l’effet gyroscopique nous accompagne au quotidien et facilite notre vie de tous les jours. Chacun d’entre nous a déjà joué au moins une fois avec une toupie et a déjà été fasciné par sa capacité à pouvoir tenir sur elle-même tout en tournant.
Une évolution de ce jouet est aujourd’hui vendue sous le nom de gyroscope et défie les lois de la gravité car le gyroscope peut tenir en équilibre dans des conditions inimaginables. Les figures ci-dessous illustrent cette notion d’équilibre:
Exemple d’équilibre d’une toupie.
Le gyroscope a été inventé en 1852 par Léon Foucault. Afin de démontrer les mouvements qu’effectue la terre, Foucault crée une pendule qui sera plus tard connue sous le nom de pendule de Foucault. Pendant ses expériences, il se rendait compte que sa pendule effectuait des rotations à une vitesse constamment inférieure à celle de la terre. En bloquant certaines pièces de sa pendule, il fit le constat que ce dernier se comportait comme un compas en s’alignant sur le méridien et indiquait le Nord: le compas gyroscopique était né.
Source : Wikipedia/ Léon Foucault
Le gyroscope est un appareil basé sur le principe de conservation du mouvement. En effet, d’après la première loi de Newton dans un référentiel Galiléen, si la somme des forces extérieures appliquées à un système est nulle, alors le centre d’inertie de ce système est soit au repos, soit en mouvement rectiligne uniforme. Une particule se trouvant sur une roue qui tourne possède ainsi une trajectoire circulaire. Ainsi si une force extérieure vient s’exercer sur le système, essayant ainsi de changer la trajectoire de ce dernier, le système s’y oppose ( troisième loi ). C’est ainsi que pour faire changer de trajectoire un système, il faudrait appliquer plus d’efforts. Un exemple serait une moto lors d’un virage : il faut contrebraquer pour générer des efforts qui vont faire changer de trajectoire la moto. Ainsi, les efforts vont faire pencher la moto à l’intérieur du virage.
Le gyroscope tient en équilibre grâce à un couple de forces qui s’opposent à la chute de l’objet. C’est l’effet gyroscopique: cet effet est souvent démontré par une expérience basique que nous allons évoquer ci-dessous.
Prenons une roue de vélo que nous tenons grâce à une barre traversant perpendiculairement le centre de la roue. Lorsqu’elle ne tourne pas, nous pouvons bouger de la route dans tous les sens sans aucun problème.
Maintenant, essayons de faire tourner la roue suivant l’axe Z. Lorsque la roue est en rotation autour de l’axe Z il devient plus difficile de faire tourner la roue suivant l’axe X ou Y. Un couple de force s’y oppose: c’est l’effet gyroscopique. Lorsque nous parvenons quand même à faire pivoter la roue suivant l’axe X ou l’axe Y nous faisons face à une force d’inertie perpendiculaire au mouvement.
Ce phénomène d’effet gyroscopique apparaît donc quand un objet en rotation essaye de garder son axe de rotation. L’objet va exercer un couple de force lorsque son axe de rotation tend à être modifié. Par exemple cet effet participe au maintien de notre équilibre lorsque nous faisons du vélo ou de la moto car les roues en rotation résistent au changement de direction de leur axe de rotation.
La vidéo ci-dessous donne plus d’explications:
Aujourd’hui nous retrouvons les gyroscopes dans nos portables, dans nos avions et bateaux. Le champ d’application des gyroscopes reste large et varié car ce phénomène scientifique a prouvé son utilité dans de nombreux domaines.