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Il giroscopio e l’effetto giroscopico

Il giroscopio è un oggetto che, messo in rotazione, è in grado di mantenere la direzione dell’asse di rotazione invariato.
Ne sono lampante esempio le trottole. Fin tanto che ruotano ad una certa velocità sono in grado mantenere il proprio asse di rotazione perpendicolare al suolo.
Quando le trottole iniziano a rallentare si manifesta un altro fenomeno tipico degli oggetti in rotazione come il giroscopio chiamato precessione. Infatti l’asse di rotazione della trottola si inclina e inizia a ruotare in senso opposto alla rotazione della trottola.

Ciò che avviene ad un trottola è parzialmente esplicativo degli effetti giroscopici. Parzialmente perché nonostante la precessione sia facile da notare esiste un ulteriore fenomeno che appare detta nutazione

Perché l’asse di rotazione del giroscopio ha direzione invariata?

Quando la trottola gira velocemente, la direzione dell’asse rimane invariata. Questo avviene per una legge fisica detta di conservazione del moto angolare.
Matematicamente parlando il momento (M) applicato sul corpo è dato dal suo momento di inerzia (I) e accelerazione angolare(α).

M=Iα

In parole semplici, grazie alla massa in rotazione ad una velocità relativamente alta, il corpo non cade e fin tanto che la velocità sarà sufficiente e non ci saranno disturbi esterni, continuerà a girare senza variare ala direzione dell’asse di rotazione.

Precessione del giroscopio

Quando la trottola perde energia, ossia rallenta, si inclina e inizia a girare. Quindi oltre alla rotazione attorno all’asse centrato con la punta inferiore e superiore della trottola inizia a girare attorno ad un altro asse passante solo per la punta a contatto con il terreno.

Questo moto è detto di precessione. Da notare che la rotazione di precessione ha verso opposto a quella della trottola. A livello matematico capire velocità e angolo di inclinazione della trottola è abbastanza complesso ma il momento applicato alla trottola può essere espresso grazie al lavoro complessivo (L) e alla velocità angolare di precessione (Ω_P):

M=Ω_P x L

Nutazione del giroscopio

La nutazione di un corpo in rotazione è molto difficile da notare ad occhio. Questo perché consiste in piccole “vibrazioni” nel moto di precessione. Avviene anche in una trottola, ma generalmente lo si nota negli ultimi istanti prima che cada e non ci si fa troppo caso.

Se si immagina la traiettoria percorsa dalla punta superiore di una trottola, ossia circa una circonferenza, con una nutazione evidente si noterà la punta oscillare attorno a questa traiettoria immaginaria.

Questo fenomeno è dovuto alla combinazione del moto di rotazione della trottola e della precessione.

Dove troviamo l’effetto giroscopico?

Oltre per utilizzi particolari come la girobussola, un dispositivo che permette un’alta precisione nell’indicare il nord magnetico per aeromobili e navi, è un fenomeno che si manifesta molto spesso. Banalmente in bicicletta o in moto, è più facile stare in equilibrio su questi mezzi quando sono in movimento, ossia quando le ruote girano, piuttosto che da fermi.

In alcuni casi specifici l’effetto giroscopio è indispensabile, ad esempio nelle moto. Una moto con una grade velocità in percorrenza di curva e grande angolo di piega necessita di muovere il manubrio nel senso opposto alla curva. Così facendo l’effetto giroscopico permette il controllo della moto.

In altri casi invece l’effetto giroscopico può essere un grosso deficit che va compensato, ad esempio negli elicotteri dove l’effetto giroscopico secondario, la precessione, e terziario, la nutazione, va compensato dal pilota o da sistemi elettronici avanzati per garantire un volo confortevole ed efficiente.

Questo fenomeno coinvolge un po’ tutti da vicino anche se spesso passa inosservato e spero che dopo questo articolo ci si riesca a fare più caso a questo fantastico fenomeno fisico.

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La Portanza

Come facciamo a volare? Com’è possibile che velivoli da tonnellate di chilogrammi siano in grado di staccarsi da terra?
A parte nei casi di razzi, aerostati (ad esempio mongolfiere) e particolari velivoli militari il volo è concesso grazie alla portanza. Questi velivoli sono definiti aerodine.

Questi velivoli sfruttano l’interazione tra l’aria e un corpo da cui nasce una forza aerodinamica. La resistenza aerodinamica e la portanza sono due delle componente della forza aerodinamica

La portanza è definita come la componente della forza aerodinamica perpendicolare alla direzione del vento relativo. Quindi se non c’è vento e l’aeromobile avanza come nell’immagine la portanza sarà rappresentata dalla freccia verde sopra l’ala.

Per generare portanza è necessaria una forma particolare che sarà diversa a seconda delle velocità per cui è studiato il velivolo.
Ogni corpo aerodinamico è caratterizzato da dei coefficienti e questi compaiono nelle formule più semplici della portanza e della resistenza aerodinamica:

Come si vede dalla formula la portanza dipende dalla densità dell’aria (ρ), la superficie, in pianta, del corpo considerato (S), da un coefficiente detto di portanza (Cp) ma soprattutto dalla velocità (V), con un contributo quadratico.
Il coefficiente di portanza dipende dalla forma del corpo e dalla sua posizione rispetto al vento relativo. Ad esempio la portanza generata dall’ala di un aereo se va in avanti è superiore rispetto allo stesso aereo che si muove (ipoteticamente) all’indietro.

Ala fissa

Un aereo, definito aerodina ad ala fissa, genera portanza grazie ai motori che, generando spinta, accelerano l’aereo. Quando la velocità è tale per cui la portanza generate dall’ala è maggiore del peso del velivolo, questo potrà decollare.

Ala rotante

Anche un’aerodina ad ala rotante, ad esempio un elicottero, un quadricottero, un aerogiro, eccetera, vola grazie alla portanza. In questi casi però si ha un’ala o più (dette solitamente pale) che ruotano attorno ad un asse. In questo caso il vento relativo dipende prevalentemente dalla velocità rotazione delle pale piuttosto che dalla velocità del mezzo.

Automobilismo

Anche nell’ambito dell’automobilismo si sfrutta questa forza. Per auto stradali comuni si cerca di migliorare la forma del veicolo così da ridurre la resistenza all’avanzamento, mentre in ambito sportivo la si usa per avere percorrenze maggiori in curva.

Prendendo uno degli esempi più estremi, in Formula 1 le auto sono dotate di ali e diverse appendici aerodinamiche per avere una portanza negativa, detta deportanza.
Si sfrutta la deportanza per migliorare l’aderenza del veicolo ad alte velocità.

La forza aerodinamica

Ma come si genera la portanza? Come già detto è una componente della forza aerodinamica insieme alla resistenza e dipende dalla forma del corpo. Prendendo in considerazione un profilo aerodinamico che potrebbe essere usato per l’ala di un aereo o le pale di un elicottero, vediamo cosa succede alla velocità.

Le varie linee colorate rappresentano il percorso delle particelle di aria attorno al profilo.
Si nota (da destra a sinistra) che inizialmente sono verdi e attorno al corpo cambiano colore per poi tornare verdi. I colori tendenti all’arancione e rosso rappresentano velocità maggiori rispetto al verde, mentre l’azzurro e il blu velocità minori.
Si vede bene quindi che la velocità sopra il profilo dell’aria è mediamente maggiore rispetto a quella sotto.

Seguendo la formula qui sopra e trascurando il terzo termine (+ρgh), si nota un fenomeno particolare. Con la velocità media (u) che aumenta sopra il profilo, affinché l’equazione rimanga costante, il primo termine (p) ossia la pressione dovrà calare. Quindi essendoci una pressione sotto maggiore rispetto che sopra il profilo, si genera una spinta verso l’alto, la portanza

Ovviamente, a causa dell’attrito e dell’ingombro del profilo si creerà una forza opposta al moto, la resistenza. La combinazione di portanza e resistenza definisce la forza aerodinamica.

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Che cos’è un Drone ?

I droni sono “ Sistema Aeromobili a Pilotaggio Remoto” (SAPR) cioè apparecchi volanti che non hanno bisogno di un pilota a bordo perchè sono pilotati da remoto.

Nascita e sviluppo dei Droni

Il drone è stato utilizzato per la prima volta in guerra per trasportare carichi esplosivi. Infatti è stato usato nel 1849 per bombardare Venezia. Ovviamente i “droni” dell’epoca erano dei palloncini che venivano lanciati contro i nemici.
L’avvento delle due guerre mondiali, la Guerra Fredda e del Vietnam lo sviluppo tecnologico permise di raggiungere un elevato livello qualitativo dei droni, portando negli anni 2000 sul mercato soluzioni sempre più piccole e con caratteristiche tali da poter essere impiegati in innumerevoli scenari operativi.

Come funziona un Drone ?

Per semplicità prendiamo un quadricottero, le 4 eliche ruotando generano portanza, ossia la spinta dal basso verso l’alto che permette al drone di volare. È importante notare che non girano tutte nello stesso verso, ma due in senso orario e due in senso antiorario per permettere un volo stabile.

A cosa servono i Droni?

La tecnologia dei droni si sviluppa parallelamente per usi Militari e usi Civili.

Per quanto riguarda usi civili, è poi possibile distinguire tra l’utilizzo Professionale e quello Amatoriale dei droni.

Utilizzi Amatoriali:

Foto, dall’alto mostrano scenari meravigliosi, anche di un posto comune.
Video, con risoluzioni fino a 4K è possibile editare le immagini catturate e montarle per video o slogan pubblicitari.
Sport, i droni più moderni possono essere impostati per seguirci durante un tragitto in moto o in bici, girarci attorno in canoa e tanto altro.
FPV, acronimo di First Person View. Si indicano con questa sigla i droni generalmente pilotati indossando un visore per visualizzare l’anteprima della telecamere posta sul drone.
Gare, i droni FPV da gara vengono modificati dagli appassionati per renderli sempre più veloci, vince chi conclude il percorso nel minor tempo.

Utilizzi Professionali:

video e foto, i professionisti usano i droni per realizzare video aerei da mixare anche con riprese terrestri. Non solo matrimoni, ma anche video istituzionali, aziendali, pubblicitari, ecc.
termografia, attraverso delle ottiche particolari è possibile effettuare telerilevamenti termografici in volo e a distanza grazie ai droni.
topografia, molti enti locali e realtà specializzate si vanno sempre più dotando dei droni per la ricostruzione topografica di strade, città e terreni.
geologia, i droni sono in grado di restituire immagini del territorio e preziose informazioni per rilevamenti geologici, dissesto idrogeologico, monitoraggio rischio vulcanico, glaciologia.
ingegneria. Come gli architetti, anche gli ingegneri lavorano con i droni come ausilio nella progettazione, restauro ed edificazione.
fotogrammetria, si tratta di una tecnica che consente di elaborare un modello tridimensionale di un territorio, partendo da fotografie digitali.
rilievi 3D, alcuni droni professionali offrono la possibilità comprare delle fotocamere sofisticate e il software per la creazione di un modello 3D del rilievo.
ispezioni aeree, per esempio sopra i tetti pericolanti o difficili da raggiungere, addirittura in zone difficili da raggiungere da persone umane.
sorveglianza, la polizia è in grado di sorvegliare vaste aree o edifici.
ricerca e soccorso, grazie alla loro possbilità di trasportare pesi (generalmente almeno pari al loro), i droni vengono utilizzati anche per consegnare generi di prima necessità e medicinali a persone isolate.