Gyroscope

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Contexte

Le gyroscope est un jouet familier qui est d'apparence simple et qui initie les enfants à plusieurs principes mécaniques, bien qu'ils ne s'en rendent peut-être pas compte. Quelque chose comme une toupie complexe en métal usiné avec précision, le gyroscope est un rouet qui peut être placé dans deux ou plusieurs cadres circulaires, chacun orienté le long d'une ligne ou d'un axe différent. Le cadre peut être incliné à n'importe quel angle et la roue, tant qu'elle tourne, conservera sa position ou son attitude.

Mais le gyroscope n'est pas qu'un jouet. Il fait partie de nombreux instruments scientifiques et liés aux transports. Ceux-ci incluent les boussoles, les mécanismes qui dirigent les torpilles vers leurs cibles, l'équipement qui empêche les gros navires tels que les porte-avions de rouler sur les vagues, les pilotes automatiques sur les avions et les navires, et les systèmes qui guident les missiles et les engins spatiaux par rapport à la Terre (c'est-à-dire , systèmes de guidage inertiel).

Le gyroscope se compose d'une roue centrale ou d'un rotor qui est monté dans un cadre d'anneaux. Les anneaux sont correctement appelés cardans, ou anneaux de cardan. Les cardans sont des dispositifs qui supportent une roue ou une autre structure mais lui permettent de se déplacer librement. Les anneaux eux-mêmes sont soutenus par un axe ou un axe à une extrémité qui, à son tour, peut être monté sur une base ou à l'intérieur d'un instrument. La propriété de l'axe du rotor de pointer vers son orientation d'origine dans l'espace est appelée inertie gyroscopique; l'inertie est simplement la propriété d'un objet en mouvement de continuer à se déplacer jusqu'à ce qu'il soit arrêté. La friction contre l'air ralentit finalement la roue du gyroscope, de sorte que son élan s'érode. L'essieu commence alors à vaciller. Pour conserver son inertie, un gyroscope doit tourner à grande vitesse, et sa masse doit être concentrée vers la jante de la roue.

Historique

Le gyroscope est un jouet populaire pour les enfants, il n'est donc pas surprenant que son ancêtre soit la toupie, l'un des jouets les plus anciens au monde. Un gyroscope à une seule image est parfois appelé gyrotop; à l'inverse, un sommet est un gyroscope sans cadre. Du XVIe au XVIIIe siècle, des scientifiques comme Galilée (1564-1642), Christiaan Huygens (1629-1695) et Sir Isaac Newton (1642-1727) ont utilisé des toupies pour comprendre la rotation et les lois de la physique qui l'expliquent. En France dans les années 1800, le scientifique Jean-Bernard-Léon Foucault (1819-1868) a étudié la physique expérimentale et prouvé la rotation de la Terre et expliqué son effet sur le comportement des objets voyageant à la surface de la Terre. Dans les années 1850, Foucault a étudié les mouvements d'un rotor monté dans un cadre à cardan et a prouvé que le rouet conserve sa position ou son orientation d'origine dans l'espace malgré la rotation de la Terre. Foucault a nommé le rotor et les cardans le gyroscope des mots grecs gyros et skopien signifiant « rotation » et « pour voir ».

Ce n'est qu'au début des années 1900 que les inventeurs ont trouvé une utilisation pour le gyroscope. Hermann Anschiutz-Kaempfe, un ingénieur et inventeur allemand, a reconnu que l'orientation stable du gyroscope pouvait être utilisée dans un gyrocompas. Il a développé le gyrocompas à utiliser dans un submersible pour l'exploration sous-marine où les systèmes normaux de navigation et d'orientation ne sont pas pratiques. En 1906, Otto Schlick testa un gyroscope équipé d'un rotor à rotation rapide dans le torpilleur allemand See-bar. La mer a fait rouler le torpilleur de 15° de chaque côté, soit 30° au total; lorsque son gyroscope a été actionné à pleine vitesse, le bateau a roulé de moins de 1° au total.

Aux États-Unis, Elmer Ambrose Sperry (1860-1930) - un inventeur connu pour ses réalisations dans le développement de locomotives électriques et de transmissions de machines - a introduit un gyrocompas qui a été installé sur le cuirassé américain Delaware en 1911. En 1909, il avait développé le premier pilote automatique, qui utilise le sens de l'orientation du gyroscope pour maintenir le cap d'un avion. La société Anschiütz a installé le premier pilote automatique, basé sur un gyroscope à trois cadres, sur un navire à passagers danois en 1916. Cette année-là, l'horizon artificiel pour les avions a également été conçu. L'horizon artificiel indique au pilote comment l'avion roule (se déplace d'un côté à l'autre) ou tangue (se déplace d'avant en arrière) lorsque l'horizon visible disparaît dans les nuages ​​ou dans d'autres conditions.

La réduction du roulis était également nécessaire pour les navires. La société Sperry avait introduit un gyrostabilisateur qui utilisait un gyroscope à deux cadres en 1915. Le roulis d'un navire sur l'océan donne le mal de mer aux passagers, fait bouger la cargaison et subit des dommages, et induit des contraintes dans la coque du navire. Le gyrostabilisateur de Sperry était lourd, cher et occupait beaucoup d'espace sur un navire. Il est devenu obsolète en 1925 lorsque les Japonais ont conçu un aileron sous-marin pour stabiliser les navires.

Au cours du développement intense des systèmes de missiles et des bombes volantes avant et pendant la Seconde Guerre mondiale, des gyroscopes à deux cadres ont été associés à des instruments à trois cadres pour corriger les mouvements de roulis et de tangage et pour fournir une direction automatique, respectivement. Les Allemands ont utilisé cette combinaison sur la bombe volante V-1, la fusée V-2 et un avion sans pilote. Le V-2 est considéré comme l'un des premiers missiles balistiques. Les engins spatiaux en orbite utilisent une petite plate-forme stabilisée par gyroscope pour leurs systèmes de navigation. Cette caractéristique des gyroscopes consistant à rester stables et à définir la direction avec un degré de précision très élevé a été appliquée aux viseurs, aux viseurs et aux plates-formes de bord qui prennent en charge les canons et les radars. Beaucoup de ces mécanismes ont été considérablement améliorés pendant la Seconde Guerre mondiale, et les systèmes de navigation inertielle qui utilisent des gyroscopes pour les engins spatiaux ont été inventés et perfectionnés dans les années 1950 alors que l'exploration spatiale devenait de plus en plus importante.

Matières premières

Les matériaux utilisés pour fabriquer un gyroscope peuvent aller de relativement simples à très complexes selon la conception et le but du gyroscope. Certaines sont fabriquées plus précisément que la meilleure montre. Ils peuvent tourner sur de minuscules roulements à billes, des taches polies de pierres précieuses ou de minces films d'air ou de gaz. Certains fonctionnent entièrement dans un vide suspendu par un courant électrique afin qu'ils ne touchent rien et qu'aucun frottement ne se développe.

Un gyroscope avec un moteur électrique et des cardans métalliques a quatre ensembles de composants de base. Il s'agit du moteur, des composants électriques, des cartes de circuits électroniques pour le fonctionnement programmé et des anneaux d'essieu et de cardan. La plupart des fabricants achètent des moteurs et des composants électriques et électroniques à des sous-traitants. Il peut s'agir d'articles en stock ou ils peuvent être fabriqués selon un ensemble de spécifications fournies au fournisseur par le fabricant du gyroscope. En règle générale, les fabricants de gyroscopes usinent leurs propres cardans et essieux. L'aluminium est un métal préféré en raison de ses caractéristiques d'expansion et de résistance, mais les gyroscopes plus sophistiqués sont en titane. Le métal est acheté en vrac sous forme de barres et usiné.

Conception

En utilisant les aspects électriques et mécaniques de la théorie gyroscopique comme guides, les ingénieurs choisissent une conception de roue pour les cardans et sélectionnent un stock de métal approprié pour la conception. Les conceptions pour de nombreuses utilisations des gyroscopes sont assez standard; c'est-à-dire que la refonte ou la conception d'une nouvelle ligne consiste à adapter une conception existante à une nouvelle utilisation plutôt que de créer un nouveau produit à partir du début le plus élémentaire. Cependant, la conception implique l'observation des pratiques d'ingénierie les plus fondamentales. Les tolérances, les jeux et les applications électroniques sont très précis. Par exemple, la conception des roues de cardan et la conception de leur usinage ont une très faible tolérance aux erreurs ; la section transversale d'un cardan doit être uniforme partout ou le gyroscope sera déséquilibré.

Le processus de fabrication

1. Les cardans et les cadres de cardans sont usinés à partir de barres d'aluminium à l'aide Un exemple de gyroscope. outils développés dans le cadre du processus de conception. Ils sont polis et nettoyés et stockés dans des bacs jusqu'au montage. Pour l'assemblage, les bacs sont déplacés vers des emplacements appropriés le long de la chaîne de montage.
2. Les gyroscopes sont fabriqués selon un processus de chaîne de montage simple qui met l'accent sur l'importance du « travail tactile » par rapport à l'automatisation. Les gyroscopes sont assemblés de l'intérieur vers l'extérieur. Le moteur est le cœur du gyroscope et est installé en premier. Un moteur de gyroscope "typique" est synchronisé pour tourner à 24 000 tours par minute (tr/min). Il doit être parfaitement synchronisé et le moteur est généralement testé sur banc avant assemblage. Des connexions électriques sont ajoutées au moteur.
3. Les cardans et les cadres sont ensuite assemblés, en commençant par le cardan intérieur et en se terminant par le cadre du cardan extérieur. Les roulements sont mis en place. Le « jeu axial » des roulements (le desserrement de l'ajustement) a généralement une très faible tolérance de 0,0002 à 0,0008 po (0,06 à 0,024 mm).
4. Les connexions électriques les plus externes sont fixées sur la chaîne de montage et des cartes de circuits imprimés sont ajoutées. Enfin, le gyroscope est calibré à la fin du processus d'assemblage. La suspension des roulements et l'étalonnage sont vérifiés à la main ; les fabricants ont découvert que, même pour l'étalonnage, l'observation humaine, les tests et la correction sont plus fiables que les méthodes automatisées.

Le gyroscope est un exemple élégant d'une application des principes simples de la physique. Parce que c'est simple, les fabricants gardent de près toutes les techniques propriétaires. Parce que le gyroscope est un appareil simple avec des utilisations étendues, certains nécessitent plus de processus de fabrication. Les étapes de fabrication décrites ci-dessus prennent environ 10 heures et se traduisent par un gyroscope gratuit pour une application telle que le guidage de missiles. Un gyroscope plus exotique peut nécessiter 40 heures de montage.

Contrôle qualité

Le contrôle de la qualité est essentiel tout au long des processus de conception et d'assemblage dans la fabrication des gyroscopes, car les instruments font partie d'avions habités, de missiles sans pilote et d'autres dispositifs de transport et d'armement qui pourraient provoquer des catastrophes en cas de panne. Les ingénieurs, les scientifiques et les concepteurs sont hautement éduqués et formés avant d'être embauchés et pendant leur travail. Les travailleurs de la chaîne de montage doivent suivre une formation initiale pour être embauchés et ils bénéficient de sessions de formation continue et régulières. La plupart des normes de qualité qui doivent être respectées dans la fabrication de gyroscopes peuvent être mesurées, de sorte qu'une inspection en cours de fabrication est effectuée tout au long de la fabrication. Le contrôle qualité au plus haut niveau est effectué par des inspecteurs externes à l'entreprise et inclut des inspecteurs du gouvernement. Les clients effectuent également leurs propres inspections et tests d'acceptation ; si le produit du fabricant échoue aux tests des clients, les gyroscopes ayant échoué sont renvoyés.

Sous-produits/Déchets

Les fabricants de gyroscopes ne produisent pas de sous-produits, mais ils ont tendance à fabriquer des gammes complètes de gyroscopes pour une grande variété d'applications. Ils ne produisent pas non plus beaucoup de déchets. L'usinage des cardans et des anneaux produit des copeaux d'aluminium, mais ceux-ci sont collectés et renvoyés au fournisseur d'aluminium pour recyclage.

Problèmes de sécurité

Les fabricants respectent les mandats de l'Occupational Safety and Health Administration (OSHA) en matière d'éclairage, de ventilation et d'ergonomie (sièges et bancs de travail confortables qui réduisent le risque de traumatismes liés au stress répétitif). L'humidité doit être maintenue dans l'installation pour éviter les décharges électrostatiques. De petites quantités de solvants de nettoyage sont nécessaires, mais des nettoyants à base d'agrumes qui sont bénins (inoffensifs) sont utilisés.

Le futur

Les utilisations des gyroscopes augmentent avec le nombre d'appareils nécessitant un guidage et un contrôle. Bien que les bases du gyroscope soient ancrées dans les lois de la physique et ne puissent jamais changer, la technologie évolue. Les méthodes mécaniques et électriques pour fournir la masse tournante qui fait fonctionner le gyroscope sont progressivement remplacées par les lasers annulaires et la microtechnologie. Les bobines de fibres optiques minces détiennent la clé des gyroscopes compacts et légers qui pourraient avoir des applications dans les systèmes de navigation pour automobiles. Le gyroscope est un instrument si simple mais sophistiqué pour maintenir en équilibre tant d'outils dans les transports, l'exploration et l'industrie que, visible ou invisible, il a certainement une place dans le futur.