Gyroscope

Les gyroscopes triaxiaux à base de MEMS sont également utilisés dans les appareils électroniques portables tels que tablettes , les smartphones [ et les montres connectées . Ils viennent compléter la capacité de détection d'accélération triaxiale déjà présente sur les générations précédentes d'appareils. Ensemble, ces capteurs fournissent une détection de mouvement à six composantes : des accéléromètres pour les mouvements selon les axes X, Y et Z, et des gyroscopes pour mesurer l'amplitude et la vitesse de rotation dans l'espace (roulis, tangage et lacet). Certains appareils intègrent en outre un magnétomètre afin de fournir des mesures angulaires absolues par rapport au champ magnétique terrestre. Les centrales inertielles à base de MEMS de nouvelle génération intègrent jusqu'à neuf axes de détection dans un seul circuit intégré, offrant ainsi une détection de mouvement économique et largement disponible

où représente la précession, est représenté par le spin,est l'angle de nutation, etreprésente l'inertie selon son axe respectif. Cette relation n'est valable que lorsque les moments selon les axes Y et Z sont égaux à 0.

L'équation peut être simplifiée davantage en remarquant que la vitesse angulaire le long de l'axe z est égale à la somme de la précession et de la rotation :, Oùreprésente la vitesse angulaire le long de l'axe z.

ou

La précession gyroscopique est induite par un couple. Elle correspond à la variation du moment cinétique produite par le couple appliqué. La précession engendre des phénomènes dynamiques contre-intuitifs, comme le fait qu'une toupie ne tombe pas. Elle est utilisée dans le domaine aérospatial pour détecter les changements d'attitude et de direction.

Un gyrostat est constitué d'un volant d'inertie massif dissimulé dans un boîtier rigide. Son comportement sur une table, ou avec différents modes de suspension ou de support, illustre l'inversion curieuse des lois ordinaires de l'équilibre statique due au comportement gyrostatique du volant d'inertie interne invisible lorsqu'il est mis en rotation rapide. Le premier gyrostat a été conçu par Lord Kelvin pour illustrer l'état de mouvement plus complexe d'un corps en rotation libre de se déplacer sur un plan horizontal, comme une toupie lancée sur le trottoir ou un vélo sur la route. Kelvin a également utilisé des gyrostats pour développer des théories mécaniques de l'élasticité de la matière et de l'éther. En mécanique des milieux continus moderne , il existe divers modèles de ce type, basés sur les idées de Lord Kelvin. Elles représentent un type particulier de théories de Cosserat (proposées initialement par Eugène et François Cosserat ), qui peuvent servir à décrire des matériaux intelligents artificiels ainsi que d'autres milieux complexes. L'une d'elles, le milieu de Kelvin, possède les mêmes équations que les isolants magnétiques au voisinage de la saturation magnétique dans l'approximation quasi-magnétostatique.

De nos jours, le concept de gyrostat est utilisé dans la conception des systèmes de contrôle d'attitude des engins spatiaux et des satellites en orbite. Par exemple, la station spatiale Mir disposait de trois paires de volants d'inertie montés à l'intérieur, appelés gyrodynes ou gyroscopes à moment de contrôle .

En physique, plusieurs systèmes présentent des équations dynamiques similaires aux équations du mouvement d'un gyrostat. On peut citer comme exemples un corps solide comportant une cavité remplie d'un liquide homogène, incompressible et non visqueux, la configuration d'équilibre statique d'une tige élastique contrainte dans la théorie de l'élastique , la dynamique de polarisation d'une impulsion lumineuse se propageant dans un milieu non linéaire, le système de Lorenz dans la théorie du chaos, et le mouvement d'un ion dans un spectromètre de masse à piège de Penning .

Lors de sa mise en service en 1983, le Boeing 757-200 était équipé du premier gyroscope laser annulaire adapté. Le développement de ce gyroscope a nécessité de nombreuses années et les modèles expérimentaux ont subi de nombreuses modifications avant d'être jugés prêts pour la production par les ingénieurs et les responsables de Honeywell et de Boeing . Ce développement était le fruit de la concurrence avec les gyroscopes mécaniques, qui ne cessaient de s'améliorer. Si Honeywell, parmi toutes les entreprises, a choisi de développer le gyroscope laser, c'est parce qu'elle était la seule à ne pas disposer d'une gamme de gyroscopes mécaniques performante, évitant ainsi une concurrence interne. Le premier problème à résoudre était l'impossibilité, avec les gyroscopes laser, de détecter les rotations inférieures à un certain seuil, en raison d'un phénomène appelé « verrouillage ». Dans ce cas, les deux faisceaux se comportent comme des oscillateurs couplés et leurs fréquences convergent, entraînant une annulation du signal de sortie. La solution a consisté à agiter rapidement le gyroscope afin d'éviter ce verrouillage. Paradoxalement, un mouvement de vibration trop régulier entraînait une accumulation de brèves périodes de blocage lorsque l'appareil était au repos aux extrémités de son amplitude. Ce problème a été résolu par l'ajout d'un bruit blanc aléatoire à la vibration. Le matériau du bloc a également été modifié : le quartz a été remplacé par une nouvelle vitrocéramique Cer-Vit , fabriquée par Owens Corning , en raison de fuites d'hélium.