miniatura|250px|direita|Um giroscópio miniatura|direita|Um giroscópio em funcionamento, mostrando a liberdade de rotação nos três eixos. O rotor mantém a direção de seu eixo de rotação independentemente da orientação da armação externa.
Um giroscópio (do grego antigo γῦρος, gŷros, "círculo", e σκοπέω, skopéō, "olhar") é um dispositivo usado para medir ou manter a orientação e a velocidade angular. Em sua forma mecânica, consiste em uma roda ou disco giratório cujo eixo de rotação pode assumir livremente qualquer orientação. Quando o disco gira, a orientação desse eixo não é alterada pela inclinação ou rotação do suporte, devido à conservação do momento angular.
Também existem giroscópios baseados em outros princípios de funcionamento, entre eles os giroscópios MEMS encapsulados em microchips e encontrados em dispositivos eletrônicos, às vezes chamados de girômetros, os giroscópios a laser de anel de estado sólido, os giroscópios de fibra óptica e o sensível giroscópio quântico.
Os giroscópios são usados em sistemas de navegação inercial, como no Telescópio espacial Hubble, e no interior do casco de aço de submarinos submersos. Por sua precisão, também são empregados em giroteodolitos para manter a direção em escavações de túneis. Podem formar bússolas giroscópicas, que complementam ou substituem bússolas magnéticas em navios, aeronaves, espaçonaves e outros veículos, auxiliar na estabilização de bicicletas, motocicletas e navios, processo chamado giroestabilização, ou integrar um sistema de orientação inercial.
Os giroscópios MEMS, baseados em sistemas microeletromecânicos, tornaram-se comuns na eletrônica de consumo, como em smartphones.
Descrição e diagrama miniatura|200px|direita|Diagrama de uma roda giroscópica. As setas de reação em torno do eixo de saída, em azul, correspondem às forças aplicadas em torno do eixo de entrada, em verde, e vice-versa. miniatura|200px|direita|Regra da mão direita para um giroscópio. Se os dedos curvados indicam o sentido de rotação, as forças aplicadas em torno do eixo de entrada, correspondente ao momento angular e indicado pelo polegar, produzem uma reação em torno do eixo de saída, indicada pela palma.
Um giroscópio mecânico é formado por uma roda montada em dois ou três cardãs, que funcionam como suportes articulados e permitem que a roda gire em torno de um eixo. Três cardãs montados uns sobre os outros, com eixos de articulação ortogonais, podem permitir que a roda instalada no cardã mais interno mantenha uma orientação independente da orientação espacial de seu suporte.
Em um giroscópio com dois cardãs, o cardã externo, que forma a armação do giroscópio, é montado de modo a girar em torno de um eixo situado em seu próprio plano e definido pelo suporte. Esse cardã externo tem um grau de liberdade rotacional, enquanto seu eixo não tem nenhum. O segundo cardã, o interno, é montado na armação do giroscópio de modo a girar em torno de um eixo situado em seu próprio plano e sempre perpendicular ao eixo de articulação do cardã externo. O cardã interno tem dois graus de liberdade rotacional.
O eixo da roda giratória, o rotor, define o eixo de rotação. O rotor fica restrito a girar em torno de um eixo sempre perpendicular ao eixo do cardã interno. Desse modo, o rotor tem três graus de liberdade rotacional e seu eixo tem dois. O rotor responde a uma força aplicada ao eixo de entrada com uma força de reação no eixo de saída.
O volante de um giroscópio gira ou oferece resistência em torno do eixo de saída conforme os cardãs de saída estejam em configuração livre ou fixa. Entre os dispositivos com cardã de saída livre estão os giroscópios de controle de atitude usados para detectar ou medir os ângulos de arfagem, rolagem e guinada de espaçonaves e aeronaves.
miniatura|200px|direita|Animação de uma roda giroscópica em funcionamento.
O centro de gravidade do rotor pode permanecer em uma posição fixa. O rotor gira em torno de um eixo e, ao mesmo tempo, pode oscilar em torno dos outros dois, além de poder se orientar em qualquer direção em torno do ponto fixo, exceto pela resistência inerente causada por sua própria rotação. Alguns giroscópios substituem um ou mais de seus elementos por equivalentes mecânicos. O rotor giratório, por exemplo, pode ser suspenso em um fluido em vez de ser instalado em cardãs. Um giroscópio de momento de controle (CMG) é um dispositivo com cardã de saída fixo empregado em espaçonaves para manter determinado ângulo de atitude ou direção de apontamento por meio da resistência giroscópica.
Em casos especiais, o cardã externo, ou seu equivalente, pode ser omitido, deixando o rotor com apenas dois graus de liberdade. Em outros, o centro de gravidade do rotor pode ficar deslocado do eixo de oscilação, de modo que o centro de gravidade e o centro de suspensão do rotor não coincidam.
História miniatura|direita|Giroscópio projetado por Léon Foucault em 1852. Réplica construída por Dumoulin-Froment para a Exposição Universal de 1867, no Conservatoire national des arts et métiers, em Paris.
Dispositivos semelhantes anteriores Em essência, um giroscópio é um pião combinado com um par de cardãs. Piões foram criados em muitas civilizações, entre elas a Grécia clássica, Roma e a China. Em geral, esses objetos não eram usados como instrumentos.
O primeiro aparelho conhecido semelhante a um giroscópio, chamado "Whirling Speculum" ou "Serson's Speculum", foi inventado por John Serson em 1743. Era usado como nível para localizar o horizonte em condições de nevoeiro ou névoa.
O primeiro instrumento empregado de maneira mais próxima à de um giroscópio foi construído pelo alemão Johann Bohnenberger, que escreveu sobre ele pela primeira vez em 1817. Inicialmente, chamou-o apenas de "máquina".Johann G. F. Bohnenberger, "Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren", Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde, vol. 3, 1817, pp. 72–83. Versão digital, arquivada em 19 de julho de 2011.Poisson mencionou a máquina de Bohnenberger já em 1813. Siméon-Denis Poisson, "Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans", Journal de l'École Polytechnique, vol. 9, 1813, pp. 247–262. Versão digital, arquivada em 19 de julho de 2011. A máquina de Bohnenberger usava uma esfera maciça em rotação.Uma fotografia do instrumento de Bohnenberger pode ser vista no ION Museum, "The Machine of Bohnenberger": página original e cópia arquivada em 28 de setembro de 2007. Em 1832, o norte-americano Walter R. Johnson criou um aparelho semelhante, baseado em um disco giratório.Walter R. Johnson, "Description of an apparatus called the rotascope for exhibiting several phenomena and illustrating certain laws of rotary motion", The American Journal of Science and Art, 1.ª série, vol. 21, n.º 2, janeiro de 1832, pp. 265–280. Cópia arquivada em 19 de agosto de 2016.Desenhos do "rotascope" de Walter R. Johnson foram usados para ilustrar fenômenos na palestra de E. S. Snell, "On planetary disturbances", em Tenth Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution, Washington, D.C., Cornelius Wendell, 1856, pp. 175–190. Cópia arquivada em 19 de agosto de 2016. O matemático francês Pierre-Simon de Laplace, que trabalhava na École Polytechnique em Paris, recomendou a máquina como recurso didático, e assim ela chamou a atenção de Léon Foucault.
Giroscópio de Foucault Em 1852, Foucault usou o aparelho em um experimento que demonstrava a rotação da Terra.L. Foucault, "Sur les phénomènes d'orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la terre – Nouveaux signes sensibles du mouvement diurne", Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences, Paris, vol. 35, 1852, pp. 424–427. Gallica, cópia arquivada em 16 de julho de 2012.Por volta de 1852, Friedrich Fessel, mecânico alemão e ex-professor de escola secundária, desenvolveu independentemente um giroscópio. Ver Julius Plücker, "Über die Fessel'sche rotationsmachine", Annalen der Physik, vol. 166, n.º 9, setembro de 1853, pp. 174–177, e "Noch ein wort über die Fessel'sche rotationsmachine", vol. 166, n.º 10, outubro de 1853, pp. 348–351, e Charles Wheatstone, "On Fessel's gyroscope", Proceedings of the Royal Society of London, vol. 7, 1864, pp. 43–48. Cópia arquivada em 19 de agosto de 2016.
Foucault deu ao dispositivo seu nome moderno em um experimento destinado a observar, do grego skopeein, "ver", a rotação da Terra, do grego gyros, "círculo, rotação". O efeito podia ser observado durante oito a dez minutos, antes que o atrito reduzisse a rotação do rotor.
Comercialização Na década de 1860, a chegada dos motores elétricos permitiu que um giroscópio girasse indefinidamente. Isso levou aos primeiros protótipos de indicadores de rumo e a um dispositivo mais elaborado, a bússola giroscópica. O primeiro girocompasso funcional foi patenteado em 1904 pelo inventor alemão Hermann Anschütz-Kaempfe.Hermann Anschütz-Kaempfe e Friedrich von Schirach, "Kreiselapparat", patente alemã DE182855C, depositada em 27 de março de 1904 e concedida em 2 de abril de 1907. O norte-americano Elmer Sperry apresentou seu próprio projeto no mesmo ano. Outros países perceberam rapidamente a utilidade militar da invenção, numa época em que o poder naval era uma medida central da força militar, e criaram suas próprias indústrias de giroscópios. A Sperry Gyroscope Company expandiu-se rapidamente para fornecer estabilizadores para aeronaves e navios, seguida por outros fabricantes.
Por volta de 1911, a L. T. Hurst Mfg Co, de Indianápolis, começou a produzir o "Hurst gyroscope", um giroscópio de brinquedo acionado por cordão e colocado sobre um pedestal. Em algum momento, a fabricação passou para a Chandler Mfg Co, ainda com a marca Hurst. O produto foi rebatizado mais tarde como "Chandler gyroscope", provavelmente porque a Chandler Mfg Co assumiu os direitos sobre o giroscópio. A Chandler continuou a fabricá-lo até ser comprada pela TEDCO Inc. em 1982. O brinquedo ainda é produzido pela TEDCO.
Nas primeiras décadas do século XX, outros inventores tentaram, sem sucesso, usar giroscópios como base para sistemas de navegação do tipo caixa-preta, criando uma plataforma estável a partir da qual poderiam ser feitas medições precisas de aceleração, sem depender da observação de estrelas para calcular a posição. Princípios semelhantes foram usados mais tarde no desenvolvimento de sistemas de navegação inercial para mísseis balísticos.
Na Segunda Guerra Mundial, o giroscópio tornou-se um componente de miras de aeronaves e de armas antiaéreas.Gold Sanders, "The Little Top That Aims a Gun", Popular Science, julho de 1945. Cópia arquivada em 10 de julho de 2011. Depois da guerra, a tentativa de miniaturizar giroscópios para mísseis guiados e sistemas de navegação de armamentos levou ao desenvolvimento e à fabricação dos chamados giroscópios miniatura, com menos de 85 g e cerca de 2,5 cm de diâmetro. Alguns desses giroscópios miniaturizados chegavam a 24.000 rotações por minuto em menos de dez segundos.
Os giroscópios impõem exigências de engenharia rigorosas. Os rolamentos do eixo, por exemplo, precisam ter grande precisão. Uma pequena quantidade de atrito é introduzida deliberadamente nos rolamentos, pois, sem ela, seria necessária uma precisão superior a 2,5 nm.