Gyroscope, gyrocompas conservateur de cap: A quel saint se vouer pour trouver le nord? Le gyroscope pointe toujours dans la même direction, c'est un conservateur de cap qu'il faut régulièrement recaler dans la bonne direction. C'est également un gyroscope qui produit l'horizon artificiel dans les avions. Le gyrocompas utilise un gyroscope et pointe automagiquement vers le nord. Il est utilisé sur les navires mais ne fonctionne pas dans les avions, dont la vitesse de déplacement est trop élevée et dont les virages dérèglent le fonctionnement.

Le gyroscope a deux propriétés: l'inertie et la précession

Foucault avait déjà prouvé la rotation de la terre sur elle même en suspendant un long pendule et en mesurant la rotation de la ligne de balancement. Une seconde manière de prouver cette rotation est l'utilisation d'un gyroscope à la place d'un pendule. Dans les deux cas on utilise le phénomène de l'inertie pour montrer que la terre n'est pas immobile.

L'effet de la rotation de la terre est à peine perceptible. Il n'était pas possible de fabriquer un gyroscope équipé d'un moteur à cette époque, il fallait faire la mesure pendant que la toupie était en rotation (tout au plus une dixaine de minutes). Un des moyens de mesurer le déplacement du gyroscope est de monter un petit miroir sur le cardan et de mesurer la déviation d'un fin rayon lumineux.

L'inertie de rotation fait que la masse en rotation semble bien plus lourde qu'elle n'est en réalité. C'est l'inertie de rotation qui empèche le vélo de tomber quand il est en mouvement. Les armes à feu ont un canon strié qui imprime un mouvement rotatif à la balle. La balle en rotation est moins facilement déviée par le vent et la précision de tir est accrue.

C'est également l'inertie de rotation qui fait qu'un gyroscope en rotation pointe toujours dans la même direction. Sans rotation, la friction des cardans ferait que le gyroscope se tourne selon les mouvements externes.

La précession est une forme d'inertie. Quand on appuie sur le cardan horizontal (voir seconde image), le cardan ne va pas s'incliner sous la pression, mais c'est le cardan vertical (extérieur au cardan horizontal) qui va tourner.

L'explication la plus simple est donnée par la figure ci-dessus. Nous avons un gyroscope vu d'en haut, en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre (R). Quand nous appuyons au point F, nous forçons la toupie à s'incliner selon l'axe X-X'. Une molécule située au point A a tendance à se déplacer vers la droite (du fait de l'inertie) et vers le bas (à cause de la pression exercée au point F). La molécule au point C a tendance à se déplacer vers la gauche et vers le haut. Le résultat net est que le gyroscope se tourne par rapport à l'axe Y-Y', avec le coté droit vers le bas et le coté gauche vers le haut.

Les particules situées en B et D ne sont pas affectées par la pression au point F. Par contre elles sont affectées par le basculement selon l'axe Y-Y'. La molécule au point B a tendance à se déplacer vers le bas et celle au point D vers le haut. Dans un gyroscope parfait sans pertes par friction, l'effort au point F est totalement compensé par la poussée contraire du gyroscope à ce même endroit. Le résultat de la pression est un basculement dans la même direction que la poussée, mais situé à 90° dans le sens de la rotation.

Les premiers gyroscopes étaient équipés d'un petit poids pour créer ce plan préférentiel (voir l'introduction des boussoles et compas), mais cela avait comme inconvénient que le gyroscope n'est plus équilibré. Le tanguage et le roulis, ainsi que les accélérations et changements de caps produisent une action parasite sur ce poids qui fait que gyrocompas n'indique plus le nord. Certains gyrocompas étaient équipés d'un second gyroscope servant simplement à stabiliser le gyrocompas.

Un système pour transformer le gyroscope en gyrocompas est l'ajout d'un double réservoir de mercure (relié par un fin tuyau). Au repos, le système est parfaitement équilibré (symmétrie parfaite). Dans un vrai gyrocompas on utilise même 4 réservoirs, situé de chaque coté de la toupie pour avoir la construction la plus stable et équilibrée possible.

L'image suivante nous montre un gyrocompas placé à l'équateur et vu du sud. La terre tourne de l'ouest à l'est. Au début le gyrocompas pointe vers l'est. Comme la terre tourne sur elle même, le gyroscope s'incline vers le haut (il tend à garder la même inclinaison absolue).

Au lieu d'utiliser du mercure, on utilise maintenant de l'huile qui est plus visqueuse et permet un amortissement automatique de l'oscillation du gyrocompas.

Ce type de gyrocompas nécessite un amortissement plus poussé. On utilise alors un second gyroscope placsé à angle droit dont sa seule fonction est d'amortir les oscillations. La réalisation pratique d'un gyrocompas se trouve ici.

On utilise le terme de balistique (“la balistique est l'étude du mouvement des mobiles soumis à la force gravitationnelle”) pour indiquer la partie du gyrocompas qui engendre la précession.

Le gyrocompas qui a effectué sa précession continue son mouvement car tout le mercure ne s'est pas encore ré-équilibré quand le compas indique le nord. Le gyrocompas effectue un certain nombre d'oscillations amorties avant de se stabiliser. La période de stabilisation (par exemple après une mise en route) demande plusieurs heures. Certains gyrocompas se basent sur le signal d'une boussole magnétique électronique (fluxgate) pour aider le gyrocompas à se stabiliser plus rapidement. Une fois le gyrocompas stabilisé, le signal du magnétomètre (moins précis) n'est plus utilisé.

En plus du gyroscope avec son double réservoir de mercure, un gyrocompas conprend encore d'autres composants. Ces composants permettent au gyroscope de fonctionner normalement (mais ne sont pas nécessaire pour la compréhension). Il est important de noter trois éléments.

1- Amortissement des oscillations
Il faut amortir l'oscillation du gyrocompas, et ceci le plus rapidement possible puisque la période d'oscillation est très lente, causée par la relativement "lente" rotation de la terre sur elle même. En pratique la période d'oscillation est d'une heure environ. C'est le freinage du mercure dans les fins tubes qui assure l'amortissement, mais on utilise de plus en plus souvent un amortissement commandé électroniquement.

2- Amplification du couple
Le gyroscope dans son entier est contenu dans un support qui peut tourner suivant l'axe horizontal. La position dans le plan horizontal de la toupie est transmise par des micro-contacts ou des détecteurs de proximité à un circuit électronique qui va aligner le cadre extérieur sur la position du gyroscope. Le but est d'amplifier le très faible moment mécanique (malgré tout plus puissant que celui d'un compas magnétique) pour permettre de commander des répétiteurs (indicateurs de cap) dans tout le navire. Le cadre extérieur qui est aligné sur le cardan vertical permet de réduire la friction par les cables qui sont nécessaires (alimentation électrique du gyroscope).

3- Compensation des mouvements du navire
Plusieurs compensations sont nécessaires pour faire focntionner correctement le gyrocompas. Ces corrections sont actuellement effectuées automatiquement par l'électronique. Une des corrections dépend de la latitude du navire.

Une autre compensation est nécessaire pour éliminer l'effet du déplacement du navire. Si le navire vogue vers le nord (de A à B), il ajoute ce mouvement au mouvement provoqué par la rotation de la terre (mouvement A-C). Le résultat est un mouvement effectif A-D et le gyrocompas va s'aligner non pas selon le méridien, mais selon la ligne E-F qui est inclinée selon la vitesse du navire. Cette correction est également effectuée par l'électronique.

Tout comme la boussole, le fonctionnement du gyrocompas devient moins précis près des pôles (latitude supérieure à 70° environ).