Come funziona il giroscopio

Lo hai sentito nominare un'infinità di volte nei menu delle applicazioni del tuo smartphone, nelle opzioni dei videogiochi su console portatili e ne hai anche sentito parlare perfino a proposito di droni, aerei, veicoli spaziali e giocattoli come gli yo-yo.

Sto parlando del giroscopio, ossia il dispositivo (utilizzato solitamente in accoppiata ad alcuni sensori) che permette di stabilire l'orientamento dell'apparecchio nel quale è presente. A furia di sentirlo menzionare ti è venuta ora la curiosità di scoprire, in dettaglio, le varie dinamiche che consento a questo utilissimo strumento di “fare il suo lavoro”, ho indovinato?

Ottimo! Dato che ci siamo, allora, se vuoi posso spiegarti io come funziona il giroscopio. Ti illustrerò, in maniera chiara e immediata, le peculiarità di quest'ultimo e le relative tipologie, di modo che lo stesso non avrà più segreti per te e potrai, eventualmente, anche illuminare amici e partenti al riguardo. Che ne dici? Sei già tutt'orecchi? Benissimo! In tal caso ti auguro una buona lettura!

Indice

• Come funziona il giroscopio: meccanismo di funzionamento
• Come funziona il giroscopio ottico
• Come funziona giroscopio smartphone
• Come funziona un giroscopio elettronico

Come funziona il giroscopio: meccanismo di funzionamento

Il modo più intuitivo per immaginare il meccanismo di funzionamento di un giroscopio è pensare a una trottola: una volta che quest'ultima inizia a ruotare su se stessa, si mantiene sempre in equilibrio e il suo asse di rotazione non varia; almeno fino a quando la velocità di rotazione è costante.

Ebbene, il giroscopio meccanico (ossia la forma più “classica” di questi dispositivi) funziona proprio allo stesso modo: il corpo rotante all'interno di questo dispositivo, mentre gira su sé stesso, mantiene “fisso” l'orientamento del proprio asse di rotazione. Ciò avviene per effetto della legge di conservazione del momento angolare.

Il momento angolare è la grandezza vettoriale che descrive la quantità di rotazione di un oggetto attorno a un asse o a un punto. Il momento angolare, indicato solitamente come L, di un oggetto corrisponde al prodotto vettoriale della posizione dell'oggetto rispetto al punto di riferimento (r) e della quantità di moto dell'oggetto (p). In termini matematici, tale relazione è espressa in questo modo: L = r x p.

La legge di conservazione del momento angolare determina che, se non vi sono forze esterne ad agire sull'oggetto, il momento angolare è conservato, cioè resta invariato. Il rotore inerziale, ossia la parte rotante “isolata” all'interno del giroscopio (da immaginare come un disco montato su un asse di rotazione), gira su se stesso sempre alla stessa velocità, quindi, mantiene invariato l'orientamento del proprio asse di rotazione anche se l'orientamento del supporto in cui è inserito cambia.

Quest'ultimo è detto gabbia giroscopica ed è costituito da uno o più cerchi girevoli concentrici che ruotano, al loro volta, ognuno attorno a un'asse. In questo modo, il rotore rappresenta il “metro di riferimento” in base al quale vengono effettuate le rilevazioni dei sensori giroscopici.

Questi ultimi, misurano la velocità angolare (ω). Si tratta della variazione di velocità delle sue coordinate angolari in una data unità di tempo. Matematicamente, il concetto è espresso con la formula ω= Δθ/ Δt, dove Δθ indica la variazione angolare che determina la rotazione dell'oggetto e Δt indica il lasso di tempo in cui avviene tale variazione angolare. Questa grandezza è solitamente espressa in gradi al secondo (°/s) o in radianti al secondo (rad/s).

Quando viene applicata una forza esterna al dispositivo nel quale è presente il giroscopio, l'asse di rotazione del rotore non muta il suo orientamento; al contrario, viene provocata una rotazione della gabbia giroscopica intorno a un altro asse, ortogonale sia all'asse di rotazione del giroscopio sia alla direzione della forza applicata. Questo fenomeno è noto come effetto giroscopico.

Il giroscopio meccanico è impiegato solitamente in ambito di navigazione inerziale (impiegata in aerei, navi, droni, missili e veicoli spaziali), per rilevare la variazione di movimento e/o far si ché venga mantenuto costantemente l'orientamento in base al punto di riferimento desiderato.

Questo tipo di giroscopio può essere utilizzato anche negli smartphone, nelle console portatili e in altri dispositivi appartenenti all'elettronica di consumo, per permettere vari tipi di interazioni con applicazioni e videogiochi (es. nei giochi che consentono azioni come prendere la mira muovendo il dispositivo). Allo stesso modo, esso può anche essere utilizzato nelle fotocamere e nelle videocamere, ad esempio, per stabilizzare le riprese.

Come funziona il giroscopio ottico

Il funzionamento del giroscopio ottico è basato sull'interferometro, ossia un dispositivo che analizza i dati dei fasci di luce monocromatica che vengono fatti passare in un determinato percorso. Quest'ultimo è costituito da una o più fibre ottiche e solitamente ha la forma di un anello circolare.

In un dato punto del cerchio che compone il percorso è posta, una fonte luminosa (es. un laser). La luce viene emessa dalla fonte, contemporaneamente, in due direzioni opposte ed entrambi i fasci generati percorrono il percorso. Se il percorso lungo il quale vengono fatti passare i raggi luminosi non ruota, il tempo di percorrenza è invariato nel tempo e i due raggi finiscono per incontrarsi sempre nello stesso punto e nello stesso lasso di tempo (dando luogo a una specifica interferenza di onde che ha determinate caratteristiche).

Tuttavia, se il percorso viene fatto ruotare, il raggio emesso nella stessa direzione di rotazione aumenterà il proprio tempo di percorrenza all'interno del circuito, poiché il proprio “punto di arrivo” si allontanerà progressivamente durante la rotazione. Al contempo, il raggio che si muove in direzione opposta a quella di rotazione giungerà al “punto di arrivo” in un tempo minore rispetto a quello rilevato in assenza di rotazione. In questo caso, dunque, il “punto di arrivo” si avvicinerà progressivamente. Tale dinamica è nota come “effetto Sagnac”.

Questa variazione nel tempo di percorrenza dei due fasci luminosi viene utilizzata per calcolare la velocità angolare (della quale ti ho parlato a metà del capitolo precedente) del dispositivo di cui fa parte il giroscopio ottico. Il punto di arrivo corrisponde al punto in cui i due fasci, all'interno del percorso ad anello, si incontrano e danno origine a una nuova onda (l'interferenza) che ha caratteristiche differenti all'interferenza rilevata inizialmente (e impostata come "predefinita).

Il rilevatore dell'interferometro (detto fotodetettore), dunque, analizza proprio i dati generati dalle variazioni di interferenze delle onde luminose all'interno del giroscopio ottico. Come intuibile da quanto visto finora, i giroscopi basati su questo sistema di rivelano strumenti molto precisi e affidabili.

Come i giroscopi meccanici, questi dispositivi sono in grado di stabilire l'orientamento del dispositivo di cui fanno parte. Possono essere impiegati negli stessi ambiti di cui ti ho parlato al termine del capitolo precedente.

Sono utilizzati, tuttavia, in modo particolare nell'ambito delle telecomunicazioni (per l'allineamento delle apparecchiature ottiche), così come anche in topografia e geodesia per gli studi sulla rotazione dell'asse terrestre e la mappatura dei terreni. Infine, vengono anche usati per rilevare le oscillazioni e vibrazioni di ponti, vari tipi di edifici e macchinari industriali.

Come funziona giroscopio smartphone

I giroscopi integrati nella maggior parte degli smartphone attualmente in commercio sono basati su un piccolo componente detto MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Si tratta di un dispositivo, dalle dimensioni estremamente ridotte, simile a una minuscola scatola, che include uno strato di materiale semiconduttore e una piccola cavita interna. Una massa è sospesa all'interno di questa piccola struttura e viene tenuta in una posizione “fissa” da alcune molle elettrostatiche o piezoelettriche.

Quando lo smartphone viene mosso e si sposta nello spazio, la massa si sposta rispetto al substrato di silicio all'interno del componente MEMS. Le variazione di posizione della massa sono rilevate da sensori specifici, che possono sfruttare, ad esempio, dei condensatori; in questo modo, tali spostamenti vengono “tradotti” in impulsi elettrici di intensità variabile (in modo proporzionale alle variazioni rilevate).

I segnali elettrici vengono quindi elaborati da alcuni chip che calcolano e quantificano, in base ai dati raccolti, lo spostamento dello smartphone nelle tre dimensioni dello spazio (ossia i tre assi X, Y e Z). A ognuno di questi ultimi corrisponde un determinato elettrodo di rilevamento. Oltre ai sensori di posizione i giroscopi degli smartphone includono anche dei sensori di accelerazione che sono in grado di misurare l'accelerazione angolare del dispositivo, ossia quanto cambia la velocità angolare in funzione di un dato lasso di tempo.

Come gli altri tipi di giroscopio di cui ti ho parlato, anche questi visti in queste ultime righe sono in grado di rilevare la velocità angolare (della quale ti ho parlato in dettaglio a metà di questo capitolo) e l'orientamento del dispositivo.

Come funziona un giroscopio elettronico

Solitamente, per giroscopio elettronico può essere inteso un giroscopio basato sul sistema ottico che ti ho illustrato in questo capitolo della guida (con il fascio di luce emesso dalla fonte, solitamente laser) e i rilevatori correlati.

Al tempo stesso, tuttavia, con questo termine può anche essere indicato il giroscopio integrato negli smartphone, ossia quello basato sulle componenti MEMS e che include sensori di posizione e di accelerazione.

Autore

Salvatore Aranzulla

Salvatore Aranzulla è il blogger e divulgatore informatico più letto in Italia. Noto per aver scoperto delle vulnerabilità nei siti di Google e Microsoft. Collabora con riviste di informatica e cura la rubrica tecnologica del quotidiano Il Messaggero. È il fondatore di Aranzulla.it, uno dei trenta siti più visitati d'Italia, nel quale risponde con semplicità a migliaia di dubbi di tipo informatico. Ha pubblicato per Mondadori e Mondadori Informatica.