Giroscópio

---

Antecedentes

O giroscópio é um brinquedo familiar de aparência aparentemente simples e que apresenta às crianças vários princípios mecânicos, embora elas possam não perceber isso. Algo como um topo complexo feito de metal usinado com precisão, o giroscópio é uma roda giratória que pode ser ajustada em duas ou mais estruturas circulares, cada uma orientada ao longo de uma linha ou eixo diferente. A estrutura pode ser inclinada em qualquer ângulo e a roda - enquanto estiver girando - manterá sua posição ou atitude.

Mas o giroscópio não é apenas um brinquedo. É parte de muitos instrumentos científicos e relacionados com transporte. Isso inclui bússolas, os mecanismos que direcionam torpedos em direção a seus alvos, o equipamento que impede grandes navios, como porta-aviões de rolar sobre as ondas, pilotos automáticos em aviões e navios e os sistemas que orientam mísseis e espaçonaves em relação à Terra (isto é , sistemas de orientação inercial).

O giroscópio consiste em uma roda ou rotor central que é montado em uma estrutura de anéis. Os anéis são apropriadamente chamados de cardan ou anéis de cardan. Os cardan são dispositivos que suportam uma roda ou outra estrutura, mas permitem que ela se mova livremente. Os próprios anéis são apoiados em um fuso ou eixo em uma extremidade que, por sua vez, pode ser montado em uma base ou dentro de um instrumento. A propriedade do eixo do rotor de apontar para sua orientação original no espaço é chamada de inércia giroscópica; a inércia é simplesmente a propriedade de um objeto em movimento se manter em movimento até que seja parado. A fricção contra o ar eventualmente desacelera a roda do giroscópio, de modo que seu ímpeto se desgasta. O eixo então começa a oscilar. Para manter sua inércia, um giroscópio deve girar em alta velocidade e sua massa deve ser concentrada em direção ao aro da roda.

História

O giroscópio é um brinquedo popular para crianças, então não é surpresa que seu ancestral seja o pião, um dos brinquedos mais antigos do mundo. Um giroscópio de quadro único às vezes é chamado de girotopo; inversamente, um pião é um giroscópio sem moldura. Do século XVI ao XVIII, cientistas incluindo Galileo (1564-1642), Christiaan Huygens (1629-1695) e Sir Isaac Newton (1642-1727) usaram piões de brinquedo para entender a rotação e as leis da física que a explicam. Na França durante os anos 1800, o cientista Jean-Bernard-Léon Foucault (1819-1868) estudou física experimental e provou a rotação da Terra e explicou seu efeito no comportamento de objetos que viajam na superfície da Terra. Na década de 1850, Foucault estudou os movimentos de um rotor montado em uma estrutura de cardan e provou que a roda giratória mantém sua posição original, ou orientação, no espaço, apesar da rotação da Terra. Foucault chamou o rotor e os gimbais de giroscópio das palavras gregas giroscópios e skopien significando "rotação" e "para visualizar".

Foi só no início de 1900 que os inventores encontraram um uso para o giroscópio. Hermann Anschiutz-Kaempfe, um engenheiro e inventor alemão, reconheceu que a orientação estável do giroscópio poderia ser usada em um giroscópio. Ele desenvolveu a bússola giratória para uso em um submersível para exploração submarina, onde os sistemas normais de navegação e orientação são impraticáveis. Em 1906, Otto Schlick testou um giroscópio equipado com um rotor giratório rápido no barco torpedeiro alemão See-bar. O mar fez o barco torpedeiro rolar 15 ° para cada lado, ou 30 ° no total; quando seu giroscópio foi operado em velocidade total, o barco rolou menos de 1 ° no total.

Nos Estados Unidos, Elmer Ambrose Sperry (1860-1930) - um inventor conhecido por suas realizações no desenvolvimento de locomotivas elétricas e transmissões de maquinário - introduziu uma bússola giratória que foi instalada no encouraçado norte-americano Delaware em 1911. Em 1909, ele desenvolveu o primeiro piloto automático, que usa o sentido de direção do giroscópio para manter o curso de um avião. A Anschiütz Company instalou o primeiro piloto automático - baseado em um giroscópio de três quadros - em um navio de passageiros dinamarquês em 1916. Naquele ano, o horizonte artificial para aeronaves também foi projetado. O horizonte artificial informa ao piloto como o avião está rolando (movendo-se de um lado para o outro) ou lançando (movendo-se da frente para trás) quando o horizonte visível desaparece nas nuvens ou em outras condições.

A redução de rotação também era necessária para os navios. A Sperry Company introduziu um giroestabilizador que usava um giroscópio de dois quadros em 1915. O movimento de um navio no oceano deixa os passageiros enjoados, faz com que a carga se desloque e sofra danos e induz tensões no casco do navio. O giroestabilizador de Sperry era pesado, caro e ocupava muito espaço em uma nave. Tornou-se obsoleto em 1925, quando os japoneses desenvolveram uma barbatana subaquática para estabilizar navios.

Durante o intenso desenvolvimento de sistemas de mísseis e bombas voadoras antes e durante a Segunda Guerra Mundial, giroscópios de dois quadros foram emparelhados com instrumentos de três quadros para corrigir os movimentos de rotação e inclinação e para fornecer direção automática, respectivamente. Os alemães usaram essa combinação na bomba voadora V-1, no foguete V-2 e em um avião sem piloto. O V-2 é considerado um dos primeiros mísseis balísticos. As espaçonaves em órbita usam uma pequena plataforma estabilizada por giroscópio para seus sistemas de navegação. Esta característica dos giroscópios para permanecerem estáveis ​​e definirem a direção com um alto grau de precisão tem sido aplicada a miras de armas, miras de bombardeio e plataformas de bordo que suportam armas e radar. Muitos desses mecanismos foram bastante aprimorados durante a Segunda Guerra Mundial, e os sistemas de navegação inercial que usam giroscópios para espaçonaves foram inventados e aperfeiçoados na década de 1950, à medida que a exploração espacial se tornou cada vez mais importante.

Matérias-primas

Os materiais usados ​​para fabricar um giroscópio podem variar de relativamente simples a altamente complexos, dependendo do projeto e da finalidade do giroscópio. Alguns são feitos com mais precisão do que o melhor relógio. Eles podem girar em minúsculos rolamentos de esferas, manchas polidas de pedras preciosas ou finas películas de ar ou gás. Alguns operam inteiramente no vácuo, suspensos por uma corrente elétrica, de modo que não tocam em nada e não ocorre atrito.

Um giroscópio com motor elétrico e balancins de metal tem quatro conjuntos básicos de componentes. São eles o motor, os componentes elétricos, as placas de circuito eletrônico para operação programada e o eixo e os anéis do cardan. A maioria dos fabricantes compra motores e componentes elétricos e eletrônicos de subcontratados. Eles podem ser itens de estoque ou podem ser fabricados de acordo com um conjunto de especificações fornecidas ao fornecedor pelo fabricante do giroscópio. Normalmente, os fabricantes de giroscópio usinam seus próprios cardan e eixos. O alumínio é um metal preferido devido às suas características de expansão e resistência, mas os giroscópios mais sofisticados são feitos de titânio. O metal é comprado a granel como estoque de barras e usinado.

Design

Usando os aspectos elétricos e mecânicos da teoria giroscópica como guias, os engenheiros escolhem um projeto de roda para os cardan e selecionam o estoque de metal apropriado para o projeto. Os designs para muitos usos de giroscópios são razoavelmente padronizados; isto é, redesenhar ou projetar uma nova linha é uma questão de adaptar um projeto existente a um novo uso, em vez de criar um novo produto desde o início mais básico. O design, no entanto, envolve observar as práticas de engenharia mais fundamentais. Tolerâncias, folgas e aplicações eletrônicas são muito precisas. Por exemplo, o projeto das rodas do cardan e o projeto da usinagem para elas têm uma tolerância muito pequena para erros; a seção transversal de um gimbal deve ser totalmente uniforme ou o giroscópio ficará desequilibrado.

O processo de fabricação

1. Os cardan e quadros de cardan são usinados em barra de alumínio usando Um exemplo de giroscópio. ferramentas desenvolvidas como parte do processo de design. Eles são polidos e limpos e armazenados em caixas até a montagem. Para a montagem, as bandejas são movidas para os locais apropriados ao longo da linha de montagem.
2. Os giroscópios são fabricados em um processo de linha de montagem simples que enfatiza a importância do "trabalho de toque" sobre a automação. Os giroscópios são montados de dentro para fora. O motor é o coração do giroscópio e é instalado primeiro. Um motor de giroscópio "típico" é sincronizado para girar a 24.000 revoluções por minuto (rpm). Deve estar perfeitamente sincronizado e o motor normalmente é testado em bancada antes da montagem. As conexões elétricas são adicionadas ao motor.
3. Os cardans e quadros são montados em seguida, começando com o cardan interno e terminando com o quadro de cardan externo. Os rolamentos são colocados no lugar. A "folga final" dos rolamentos (a folga do ajuste) normalmente tem uma tolerância muito pequena de 0,006-0,024 mm (0,0002-0,0008 in (0,006-0,024 mm).
4. As conexões elétricas mais externas são anexadas à linha de montagem e as placas de circuito são adicionadas. Finalmente, o giroscópio é calibrado ao final do processo de montagem. A suspensão dos rolamentos e a calibração são verificadas manualmente; os fabricantes descobriram que, mesmo para calibração, observação humana, teste e correção são mais confiáveis ​​do que métodos automatizados.

O giroscópio é um exemplo elegante de aplicação de princípios simples da física. Por ser simples, os fabricantes guardam de perto todas as técnicas proprietárias. Como o giroscópio é um dispositivo simples com usos mais amplos, alguns requerem mais processos de fabricação. As etapas de fabricação descritas acima levam cerca de 10 horas e resultam em um giroscópio livre para uma aplicação como o guiamento de mísseis. Um giroscópio mais exótico pode exigir 40 horas de tempo de montagem.

Controle de qualidade

O controle de qualidade é essencial em todos os processos de projeto e montagem na fabricação de giroscópios porque os instrumentos fazem parte de aeronaves tripuladas, mísseis não tripulados e outros dispositivos de transporte e armas que podem causar catástrofes se falharem. Engenheiros, cientistas e designers são altamente qualificados e treinados antes de serem contratados e durante o trabalho. Os trabalhadores da linha de montagem devem ser aprovados no treinamento inicial para serem contratados e devem ter sessões de treinamento regulares e contínuas. Muitos dos padrões de qualidade que devem ser atendidos na fabricação do giroscópio podem ser medidos, portanto, a inspeção do processo é realizada durante a fabricação. O controle de qualidade no mais alto nível é realizado por inspetores externos à empresa e inclui inspetores do governo. Os clientes também realizam suas próprias inspeções e testes de aceitação; se o produto do fabricante falhar nos testes dos clientes, os giroscópios com falha são devolvidos.

Subprodutos / resíduos

Os fabricantes de giroscópios não produzem subprodutos, mas tendem a fazer linhas completas de giroscópios para uma ampla variedade de aplicações. Eles também não produzem muitos resíduos. A usinagem de cardan e anéis produz alguns cavacos de alumínio, mas esses são coletados e devolvidos ao fornecedor de alumínio para reciclagem.

Preocupações de segurança

Os fabricantes observam os mandatos da Administração de Segurança e Saúde Ocupacional (OSHA) para iluminação, ventilação e ergonomia (assentos confortáveis ​​e bancadas de trabalho que reduzem a probabilidade de lesões por esforço repetitivo). A umidade deve ser mantida na planta para evitar descarga eletrostática. São necessárias pequenas quantidades de solventes de limpeza, mas são usados ​​produtos de limpeza à base de frutas cítricas que são benignos (inofensivos).

O Futuro

O uso de giroscópios está aumentando com o número de dispositivos que exigem orientação e controle. Embora os fundamentos do giroscópio sejam baseados nas leis da física e nunca possam mudar, a tecnologia está evoluindo. Métodos mecânicos e elétricos para fornecer a massa giratória que faz o giroscópio funcionar estão gradualmente sendo substituídos por lasers de anel e microtecnologia. Bobinas de fibras ópticas finas são a chave para giroscópios compactos e leves que podem ter aplicações em sistemas de navegação para automóveis. O giroscópio é um instrumento tão simples, mas sofisticado, para manter tantas ferramentas de transporte, exploração e indústria em equilíbrio que, visto ou não, certamente tem um lugar no futuro.