Dalla Rivista Enciclopedica Contemporanea, dispense del 1918.
Di L.M. Brunelli.

” ■ Il giroscopio o girostato è un apparecchio noto da molto tempo nella fisica sperimentale e che in questi ultimi anni trovò alcune notevoli applicazioni pratiche.

Teoria meccanica. — È noto dalla meccanica teorica che un corpo in rotazione attorno ad un asse esercita delle azioni dinamiche su quest’asse. Tuttavia se il solido è simmetrico attorno all’asse di rotazione, queste azioni si eliminano a due a due e se il corpo è sottratto ad ogni azione esterna, il suo moto continua uniformemente intorno all’asse stesso. Quest’asse conserva allora una direzione costante e si chiama asse permanente di rotazione. Ogni corpo possiede teoricamente almeno tre assi permanenti di rotazione i quali si incontrano nel centro di gravità e si dicono assi principali di inerzia. Questi assi, abbiamo detto, sono almeno tre, ma possono anche essere in numero maggiore. Alcuni esempi chiariranno la questione.

■ Un parallelopipedo rettangolo ha solo tre assi permanenti d’inerzia, cioè ne ha il numero minimo; coincidono con i tre assi geometrici del solido. In un cilindro circolare retto sono assi permanenti l’asse geometrico e tutti i diametri della sezione retta passante per il centro di gravità. In una sfera infine tutti i diametri sono assi permanenti di inerzia.
■ Quando un solido ruota attorno ad uno dei suoi assi permanenti o principali di inerzia non solo continua nel suo moto iniziale senza che sia necessario di mantenerlo fisso, ma (appunto per inerzia) oppone una reazione alle azioni esterne che tendono a spostarlo in modo che per spostare un corpo che ruota attorno ad un asse stabile occorre esercitare un’azione proporzionata alla forza viva della quale è animato il corpo.

■ Tale proprietà può essere sperimentalmente dimostrata a mezzo di un apparecchio elementare: il giroscopio. Questo apparecchio è costituito da un volantino massiccio il cui asse è imperniato in un cerchio orizzontale portato in falso da un piccolo braccio sporgente che può essere appoggiato ad un sostegno oppure tenuto in mano dallo sperimentatore. Quando il volano si fa girare con moto rapido e si tiene contemporaneamente con la mano l’anello, occorre un certo sforzo per fare deviare anche di poco l’asse di rotazione. Identicamente, mentre è impossibile di far rimanere sospeso in falso l’apparecchio sul suo sostegno, come si vede nella figura, quando il volano non è animato da alcun noto di rotazione, l’apparecchio invece rimane sospeso quando il volano è animato da una sufficiente velocità. In quest’ultimo caso sembra che l’esperimento descritto contrasti con le leggi della gravità. Il giroscopio descrive intanto un moto circolare movendosi nel suo supporto come su di un perno.
■ L’esperienza poi ci rivela che ogni tentativo per fare deviare l’asse di rotazione dello apparecchio viene subito neutralizzato, poiché il giroscopio ritorna automaticamente nella sua posizione iniziale.
■ Molti sono i corpi animati da azioni girostatiche. Tali sono tutti gli organi delle macchine che ruotano con grandi velocità, le trottole, ecc.
■ Anche la terra non è altro che un girostato gigantesco; infatti la terra gira attorno ad un asse permanente in modo che esso tende a trasportarsi sempre orientato nella stessa direzione, mantenendo inalterata la sua inclinazione sul piano dell’orbita terrestre. È questa inclinazione costante di 66 gradi e mezzo che cagiona il succedersi delle stagioni. È appunto l’azione girostatica della massa terrestre in rapida rotazione che mantiene tale orientamento fisso all’asse di rotazione opponendosi all’azione di attrazione del sole che tenderebbe invece a ridurre l’asse stesso perpendicolare al piano dell’orbita. L’asse della terra (analogamente al giroscopio sperimentale da noi descritto) descrive poi appunto per l’effetto giroscopico una superficie conica coll’angolo al vertice di 47° gradi nel corso di 26.000 anni (anno platonico), in conseguenza i punti d’incontro dell’equatore coll’orbita terrestre si spostano continuamente.

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Conseguenze pratiche dell’effetto giroscopico. — Da alcuni anni si vanno introducendo nell’industria macchine che girano a velocità sempre crescente; l’effetto girostatico di questi organi animati di velocità di rotazione così elevate si manifesta in modi vari.
■ L’azione girostatica è sopratutto interessante quando è dovuta ad organi rotanti posti a bordo di aeroplani, di navi o di automobili poiché in questi casi i movimenti dei mobili producono reazioni talvolta assai forti e pericolose.
■ In alcuni casi si è invece utilizzata l’azione girostatica per costruire dei meccanismi molto eleganti a scopi diversi. Descriveremo in quanto segue alcune di queste applicazioni.
■ Il fisico Foucault per primo applicò il giroscopio allo studio della rotazione terrestre. L’apparecchio che il Foucault immaginò a questo scopo si compone essenzialmente di un volano con sospensione cardanica in modo che il suo asse di rotazione sia libero di muoversi nel piano orizzontale (da disporsi cioè secondo un qualunque azimut). Tale apparecchio deve essere costruito con grande precisione in modo che il centro di gravità coincida con quello d’inerzia. Così l’equilibrio è indifferente rispetto alla gravità e solo il moto di rotazione terrestre può avere un’influenza sul comportamento del giroscopio.

■ Ora dalle osservazioni di Foucault, confermate poi da altri, l’effetto della rotazione della terra è quello di spostare l’asse di rotazione in modo da disporlo verso il meridiano. Invece se il volante è libero di oscillare nel piano che contiene il meridiano il suo asse si orienta in modo da disporsi parallelamente all’asse della terra. Si può così trovare la latitudine d’un posto del quale si conosce il meridiano.
■ Un altro apparecchio astronomico molto noto ed utilizzato in navigazione è l’orizzonte artificiale giroscopico. Si tratta di un apparecchio che comprende un giroscopio in forma di toro (anello a sezione retta circolare) tenuto in moto da un congegno pneumatico.
■ Questo giroscopio è portato da una punta che riposa in una cavità sferica e tende quindi a mantenere il suo piano orizzontale qualunque sia l’oscillazione della nave.
■ Il piano orizzontale porta un obiettivo col quale è possibile di vedere una lastra di vetro nero che porta una serie parallela di striscie trasparenti chiare. Queste striscie trasparenti sono perpendicolari all’asse del giroscopio in modo da comparire sempre orizzontali nel canocchiale del sestante. Si ha in questo modo un piano orizzontale di riferimento immutabile. Questo apparecchio sostituisce, nella determinazione della posizione locale a mezzo del sestante, l’orizzonte vero (linea fra cielo e mare) che non è sempre visibile di giorno mentre è invisibile di notte.
■ Tale istrumento è di uso molto diffuso nella navigazione.
■ Un’altra applicazione di grandissima importanza del giroscopio alla navigazione è quella alla bussola.
■ La bussola magnetica, […], fu istrumento di insuperabile semplicità e precisione finché le navi furono costruite di legno, ma con le odierne navi costruite in ferro e portanti in ogni senso conduttori elettrici, la bussola magnetica si rivelò istrumento di imperfetto funzionamento.
■ Per risolvere il problema teoricamente sarebbe sufficiente l’adozione del giroscopio di Foucault; ma difficoltà costruttive ne rendono difficile l’attuazione. Nel 1909 comparve il compasso giroscopico Auschutz Kaempfe che fu subito adottato dalla marina tedesca. Tale girostato è mantenuto orizzontale da una sospensione senza attriti ed è formato da un volante del peso di circa 6 chilogrammi tenuto in movimento elettricamente. L’asse orizzontale del giroscopio è sostenuto da un galleggiante posto in una vasca di mercurio. In questo modo si realizza praticamente la sospensione senza attrito.
■ Il complesso è sostenuto da una sospensione cardanica. La rosa dei venti è disegnata sul piano del galleggiante con la sua linea nord-sud disposta parallelamente all’asse del volante. Appena il volante si pone in movimento la linea si dispone nella direzione voluta. Questo compasso ha tuttavia qualche difetto. Più perfetto è il compasso immaginato nel 1912 dall’americano Sperry.
■ Questo apparecchio consiste in un giroscopio ad asse verticale che gira in una scatola vuota d’aria che può oscillare attorno ad un asse orizzontale in un sopporto sostenuto da un filo. Questo filo permette l’orientazione del compasso. Il volano gira a 30000 giri al minuto primo ed è azionato da un piccolo motore elettrico molto ingegnoso.
■ Il compasso Sperry è molto diffuso e usato ora in tutte le marine del mondo.
■ Altre applicazioni notevoli del giroscopio sono gli stabilizzatori destinati a scopi diversi.
■ Come fu esposto prima, il girostato oppone una particolare resistenza ad ogni azione che tenda a spostare il suo asse. Si può utilizzare questa proprietà per mantenere un corpo in un certo equilibrio dinamico. In alcuni dispositivi il giroscopio agisce su dei comandi che valgono a ricondurre il mobile, regolato dal giroscopio stesso, alla sua direzione iniziale quando ne venga spostato per una causa qualunque. In altri dispositivi il giroscopio agisce direttamente per azione della sua massa. In quest’ultimo caso il volano deve essere di grandi dimensioni.
■ Si applica il primo sistema per dirigere le torpedini e per la stabilizzazione degli aeroplani.
■ Il giroscopio fu applicato alle torpedini la prima volta dall’inglese Whitehead che ha impiegato l’apparecchio Obry. L’asse del volano del giroscopio è diretto nel senso dell’asse longitudinale della torpedine. L’azione giroscopica si manifesta obbligando, ad ogni deviazione del siluro, il volano ad oscillare mantenendo l’asse di rotazione nella direzione iniziale. In altre parole ad ogni deviazione del siluro corrisponde una inclinazione dell’asse di rotazione del volano sull’asse del siluro stesso. Nel dispositivo di Obry il girostato comanda le manovre pneumatiche dei timoni e mantiene in tal modo automaticamente la rotta del siluro; invece nel dispositivo dell’americano Howell (che appartiene al secondo sistema) è l’azione girostatica diretta che con la sua inerzia impedisce le deviazioni del siluro. Nei tipi di siluri moderni si può raggiungere una precisione di lancio mirabile.
■ Il giroscopio, come si è detto, fu pure applicato per la stabilizzazione degli aeroplani. Gli studi relativi si devono al Maxim (1884), al Renard (1910) ed allo Sperry (1913).
■ Si potrebbero porre sul velivolo due girostati liberi, entrambi ad assi orizzontali, uno disposto nel senso del moto (secondo l’asse della fusoliera) ed agente sui timoni di altitudine, l’altro disposto trasversalmente (perpendicolarmente all’asse della fusoliera) ed agente sugli alettoni laterali. In questo modo il volo del velivolo diventerebbe automaticamente stabile così nel senso del moto, come in quello trasversale; al pilota sarebbe così solo riserbato il compito di guidare nel piano orizzontale l’aeroplano comandando al timone di direzione.
■ Tuttavia questo equilibrio non potrebbe durare che per breve tempo poiché gli attriti finirebbero per far deviare i giroscopi ed in conseguenza si avrebbe un effetto contrario a quello descritto. Occorre di potere disporre di un giroscopio il cui asse si mantenga automaticamente secondo una linea fissa. Tale linea può essere la verticale quando si disponga di un giroscopio pendolare capace di spostarsi in ogni senso e munito di smorzatori delle oscillazioni. Queste oscillazioni si smorzano però difficilmente e cagionano quindi moti pericolosi del velivolo. La difficoltà dipende dalla velocità e dalla mobilità del sostegno. Pertanto l’autoequilibramento dei velivoli con questo sistema non si può ancora ritenere un problema praticamente risoluto.
■ Per le ferrovie ad una sola rotaia (monoguide) si è efficacemente applicato il giroscopio per l’autoequilibramento del veicolo. In questo caso il giroscopio agisce per azione diretta.
■ Il meccanismo stabilizzatore della ferrovia ad una sola rotaia consiste in due giroscopi rotanti in senso inverso con i due assi perpendicolari al piano longitudinale della vettura. I due assi sono posti l’uno sul prolungamento dell’altro. I due giroscopi sono ciascuno sostenuti in un telaio a sospensione cardanica e ad asse verticale. Questi due telai sono entrambi portati da un telaio unico con l’asse nel senso longitudinale. I due telai dei due giroscopi sono collegati da un ingranaggio, in modo che i loro angoli di oscillazione nel piano orizzontale devono essere uguali ed opposti.
■ Quando il sistema riceve un’inclinazione trasversale i due girostati, girando in senso opposto, descriveranno due rotazioni contrarie ed uguali. I loro effetti pertanto si sommeranno ed il complesso comporterà come un giroscopio solo.
■ Invece quando la vettura cambierà di direzione orizzontalmente, come nelle curve del binario, i due girostati tenderanno a ruotare nello stesso senso e, se ciascuno fosse libero rispetto all’altro, effettivamente ruoterebbero nello stesso senso. Invece essendo i due telai collegati il sistema resterà rigido poiché l’azione di ciascun girostato sarà neutralizzata da quella dell’altro.
■ Inizialmente la vettura corre orizzontalmente e gli assi dei due girostati sono perpendicolari al suo piano mediano. Se per una causa qualunque la vettura tende a piegarsi su di un fianco comincerà a premere nel telaio a gabbia che contiene i due telai dei giroscopi, da una parte. Questa pressione si trasmetterà agli assi dei due giroscopi che reagiranno al moto impedendo la caduta. Il telaio esterno a gabbia comanda poi, a mezzo di un congegno elettrico od idraulico (che obbedisce ai piccolissimi movimenti del telaio), la posizione degli assi dei due girostati in modo da imprimere loro una certa rotazione (precessione) forzata appena avviene uno spostamento. Dunque si ha una reazione maggiore dell’azione che la provoca.
■ In vero il problema meccanico è più complesso di quanto non sia possibile di esporlo qui; ma nel complesso il fenomeno è all’incirca come lo abbiamo descritto.

■ Il giroscopio è stato pure applicato per attenuare il rullio delle navi in mare. Il primo apparecchio di questo genere è quello di Schlick che è comparso nel 1904. Si tratta di un volano molto pesante ad asse verticale libero di oscillare nel senso trasversale della nave. L’effetto giroscopico cagiona una reazione perpendicolare che smorza il rullio. Quest’apparecchio non ha dato tuttavia risultati del tutto soddisfacenti.
■ Più pratico è il dispositivo dell’americano Sperry inventato nel 1912. Il volano in questo caso ha l’asse orizzontale ed è montato ordinariamente al traverso della nave. Un servomotore imprime a questo volano delle rotazioni attorno ad un asse verticale. Il servomotore è posto in azione da un secondo piccolo giroscopio. I movimenti di questo secondo giroscopio sono amplificati dal grande volano che reagisce al rullio che praticamente viene ridotto entro limiti piccolissimi.

■ È pure l’azione giroscopica quella che obbliga i proiettili oblunghi delle moderne armi da guerra a rimanere sensibilmente tangenti alla traiettoria del loro centro di gravità. La resistenza dell’aria tenderebbe infatti a rovesciare traversalmente i solidi lanciati nella direzione dell’asse maggiore. Appena l’azione dell’aria comincia a far inclinare il proiettile, l’azione giroscopica reagisce richiamando l’asse del proiettile stesso verso la tangente della traiettoria del suo centro. In realtà maggiore l’asse del proiettile descriverà un cono di piccolo angolo attorno alla traiettoria.
■ Analogamente nel boomerang dei selvaggi australiani l’azione giroscopica reagente su quella dell’aria provoca caratteristici moti. Altre azioni giroscopiche notevoli che valgono a rendere stabili dei moti in equilibrio instabile, sono quelle che si osservano nella bicicletta ed in taluni giuochi infantili come la trottola ed il diabolo.”