Diversi strumenti di volo utilizzano le proprietà di un giroscopio per il loro funzionamento. Gli strumenti più comuni che contengono giroscopi sono il coordinatore di virata, l’indicatore di direzione e l’indicatore di assetto. Capire come funzionano questi strumenti richiede la conoscenza dei sistemi di alimentazione degli strumenti, dei principi giroscopici e dei principi di funzionamento di ogni strumento.
Principi giroscopici
Qualunque oggetto che gira presenta proprietà giroscopiche. Una ruota o un rotore progettato e montato per utilizzare queste proprietà è chiamato un giroscopio. Due importanti caratteristiche progettuali di un giroscopio sono un grande peso per le sue dimensioni, o alta densità, e la rotazione ad alta velocità con cuscinetti a basso attrito.
Ci sono due tipi generali di montaggio; il tipo usato dipende da quale proprietà del giroscopio viene utilizzata. Un giroscopio montato liberamente o universalmente è libero di ruotare in qualsiasi direzione intorno al suo centro di gravità. Si dice che una tale ruota abbia tre piani di libertà. La ruota o il rotore è libero di ruotare in qualsiasi piano rispetto alla base ed è bilanciato in modo che, con la ruota del giroscopio a riposo, rimane nella posizione in cui è posto. I giroscopi limitati o semirigidi sono quelli montati in modo che uno dei piani di libertà sia tenuto fisso rispetto alla base.
Ci sono due proprietà fondamentali dell’azione giroscopica: la rigidità nello spazio e la precessione.
Rigidità nello spazio
La rigidità nello spazio si riferisce al principio che un giroscopio rimane in una posizione fissa nel piano in cui sta girando. Un esempio di rigidità nello spazio è quello di una ruota di bicicletta. Man mano che le ruote della bicicletta aumentano la velocità, diventano più stabili nel loro piano di rotazione. Questo è il motivo per cui una bicicletta è instabile e manovrabile a basse velocità e stabile e meno manovrabile a velocità più elevate.
Montando questa ruota, o giroscopio, su una serie di anelli cardanici, il giroscopio è in grado di ruotare liberamente in qualsiasi direzione. Così, se gli anelli cardanici sono inclinati, ruotati o spostati in altro modo, il giroscopio rimane nel piano in cui stava originariamente girando.
Precessione
La precessione è l’inclinazione o la rotazione di un giroscopio in risposta a una forza deflettente. La reazione a questa forza non avviene nel punto in cui è stata applicata, ma in un punto che si trova 90° dopo nella direzione della rotazione. Questo principio permette al giroscopio di determinare una velocità di rotazione rilevando la quantità di pressione creata da un cambiamento di direzione. Il tasso di precessione del giroscopio è inversamente proporzionale alla velocità del rotore e proporzionale alla forza di deviazione.
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Usando l’esempio della bicicletta, la precessione agisce sulle ruote per permettere alla bicicletta di girare. Durante la guida a velocità normale, non è necessario girare il manubrio nella direzione della curva desiderata. Il ciclista si inclina semplicemente nella direzione in cui vuole andare. Poiché le ruote ruotano in senso orario se viste dal lato destro della bicicletta, se un ciclista si piega a sinistra, una forza viene applicata alla parte superiore della ruota a sinistra. La forza agisce effettivamente a 90° nella direzione di rotazione, il che ha l’effetto di applicare una forza alla parte anteriore del pneumatico, causando il movimento della bicicletta verso sinistra. C’è la necessità di girare il manubrio a basse velocità a causa dell’instabilità dei giroscopi che girano lentamente e anche per aumentare la velocità di rotazione.
La precessione può anche creare alcuni errori minori in alcuni strumenti. La precessione può far sì che un giroscopio che gira liberamente venga spostato dal suo piano di rotazione previsto a causa dell’attrito dei cuscinetti, ecc. Alcuni strumenti possono richiedere un riallineamento correttivo durante il volo, come l’indicatore di rotta.
Fonti di alimentazione
In alcuni aerei, tutti i giroscopi sono azionati a vuoto, a pressione o elettricamente. In altri aerei, i sistemi a vuoto o a pressione forniscono l’alimentazione per gli indicatori di rotta e di assetto, mentre il sistema elettrico fornisce l’alimentazione per il coordinatore di virata. La maggior parte dei velivoli ha almeno due fonti di alimentazione per garantire che almeno una fonte di informazioni sul bank sia disponibile se una fonte di alimentazione viene a mancare. Il sistema a vuoto o a pressione fa girare il giroscopio attirando un flusso d’aria contro le pale del rotore per farlo girare ad alta velocità, in modo molto simile al funzionamento di una ruota idraulica o di una turbina. La quantità di vuoto o pressione richiesta per il funzionamento dello strumento varia, ma è di solito tra 4,5 “Hg e 5,5 “Hg.
Una fonte di vuoto per i giroscopi è una pompa a palette azionata dal motore che è montata sulla scatola degli accessori del motore. La capacità della pompa varia nei diversi aerei, a seconda del numero di giroscopi.
Un tipico sistema a vuoto consiste in una pompa a vuoto azionata dal motore, una valvola di scarico, un filtro dell’aria, un manometro e i tubi necessari per completare i collegamenti. Il manometro è montato nel pannello strumenti dell’aereo e indica la quantità di pressione nel sistema (il vuoto è misurato in pollici di mercurio in meno rispetto alla pressione ambiente).
Come mostrato nella Figura 8-20, l’aria viene aspirata nel sistema del vuoto dalla pompa del vuoto azionata dal motore. Prima passa attraverso un filtro, che impedisce alle sostanze estranee di entrare nel sistema del vuoto o della pressione. L’aria poi si muove attraverso gli indicatori di assetto e di direzione dove fa girare i giroscopi. Una valvola di scarico impedisce che la pressione del vuoto, o l’aspirazione, superi i limiti prescritti. Dopodiché, l’aria viene espulsa in mare o utilizzata in altri sistemi, come per il gonfiaggio di stivali antighiaccio pneumatici.
E’ importante monitorare la pressione del vuoto durante il volo, perché gli indicatori di assetto e di direzione potrebbero non fornire informazioni affidabili quando la pressione di aspirazione è bassa. Il manometro del vuoto, o dell’aspirazione, è generalmente contrassegnato per indicare la gamma normale. Alcuni aerei sono dotati di una spia che si accende quando la pressione del vuoto scende al di sotto del livello accettabile.
Quando la pressione del vuoto scende al di sotto del normale range operativo, gli strumenti giroscopici possono diventare instabili e imprecisi. Il controllo incrociato degli strumenti di routine è una buona abitudine da sviluppare.
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