O Giroscópio Humano do Parque Cientec é um experimento de física baseado nos princípios de um giroscópio.

Áreas do conhecimento ligadas ao experimento:

Mecânica

Geolocalização

Princípios físicos ligados ao experimento:

 Leis físicas de Newton (2º lei de Newton)

Momento angular

Matemática trigonométrica

O que é um giroscópio: O Giroscópio é constituído por um  disco que gira em torno do seu eixo,  suspenso de forma a poder ter, em seu movimento, diversos graus de liberdade (proporcional ao número de anéis/rodas que possui). Sua composição baseia-se em uma argola,  presa dentro de outra argola, fixada em uma base.

Giroscópios são sensores que permitem medir a velocidade de rotação de um objeto em torno de um centro de rotação, ou seja,  a velocidade angular do objeto.

Giroscópio Humano

Seu conceito básico consiste em uma ou mais rodas livres para girarem em qualquer direção, se opondo da tentativa de mudar da posição inicial.

Não há a presença de motor e o que interfere no movimento é o peso da pessoa, que funciona como um eixo, e o efeito da inércia aplicada. Dentro do objeto, o peso da pessoa ali e o efeito giroscópio é o que  faz produzir diferentes movimentos.

Com o início do movimento, através da aplicação de força em uma das rodas, mesmo que a base se mova, o eixo permanece em sua posição inicial. Na ausência de forças externas, o eixo de rotação mantém o movimento porque o momento angular não adquire variação. O brinquedo para quando encontra um equilíbrio ou quando é tocado externamente com pouca força.

Aplica-se o conceito da primeira lei de Newton, de equação força é igual a massa x aceleração da gravidade (F = m x a). Um corpo em movimento permanecerá em movimento. Mesmo se for movimentado, o suporte permite que a roda gire  na mesma direção.

Quando é impulsionado por um par de torção, que age de modo a alterar a direção deste eixo, o instrumento reage efetuando uma precessão (mudança na direção do eixo de rotação devido à aplicação de uma força, que ocorre na direção perpendicular à de rotação e da força), que tende a restaurar a direção inicial do eixo. A velocidade angular da precessão é dada pela expressão:

w = P/L

Em que P é o par de torção que atua sobre o giroscópio e L é o momento angular do instrumento.

Esta propriedade torna o giroscópio um dispositivo conveniente para manter uma direção de referência fixa no espaço e é o fundamento da sua utilização nos compassos giroscópicos e sensores inerciais.

É possível obter uma visualização de conceitos físicos na prática. O aprendizado fora da sala de aula, ensinado e supervisionado pelo monitor, proporciona a experimentação do conceito físico-matemático de maneira marcante.

As bases de segurança são duas cordas para os braços (ou pulsos, dependendo do tamanho da pessoa), um grande cinturão almofadado e suporte para fixação dos pés.

Dentro dele há uma maior mobilidade e conforto do que o usual em brinquedos de parque de diversões. Existe espaço para movimentar a cintura, os braços e ter visão periférica.  As medidas de segurança  no giroscópio impedem que a pessoa se solte durante o movimento.  

Princípio correlato ao experimento

Como funciona o Giroscópio:

O Giroscópio do Parque de Ciência e Tecnologia da USP - Parque CienTec

Funciona da seguinte forma: o visitante será fixado no interior do diâmetro das argolas do aparelho. Sendo assim, ele terá, de forma segura, seus pés e mãos presos ao equipamento. O impulso inicial do giro pode ser realizado tanto por parte do funcionário, do  monitor responsável ou mesmo pelo visitante com o próprio corpo.

Entrando em movimento, as forças da física explicadas acima entrarão em ação, e o visitante poderá tentar controlar sua mobilidade apenas com impulsos do centro de massa de seu corpo, experimentando assim, sua capacidade de autocontrole dos anéis e de coordenação motora nessas condições.

Lembramos que o giroscópio serve como referência de direção, mas não de posição.

Representação matemática entre o movimento do eixo e da estrutura de um giroscópio:

Decompondo seu funcionamento, temos três fatores: 

Nota:

O equipamento simula a ausência de gravidade. Se compõe de 3 anéis concêntricos móveis posicionados de forma ortogonal (o maior anel externo possui 2,9m de diâmetro). Em função da mobilidade defasada de 90 graus entre anéis, o usuário  quando ocupa  um dos diâmetros do anel interno, fica praticamente com os 3 (três) graus de liberdade.

O mesmo princípio é utilizado no treinamento de astronautas, para trabalhar no autocontrole do deslocamento de seus corpos em condições de gravidade zero. Mas você não precisará ser um astronauta e ir para o Espaço Sideral para isso! No Parque Cientec você tem a chance de experimentar efetivamente estas mesmas teorias físicas! De forma divertida  e acima de tudo, segura.

Cuidados necessários: A altura do usuário precisa ser maior que 1,20 metros. O equipamento é CONTRA INDICADO para pessoas que sofrem de enjoo, durante movimentos inusitados, ( de cabeça para baixo, corpo inclinado, e etc...); pessoas que fizeram refeição pesada  e pessoas com labirintite.

Observações: Em volta do equipamento há um cercado com diâmetro de 5,0 metros e 1,0 metro de altura para que os espectadores não entrem na área de risco.

•  O manuseio do experimento requer responsabilidade para evitar acidentes ou que o instrumento deixe de funcionar. Nossas recomendações a serem seguidas são:

• Entrada somente sob supervisão de um monitor do Parque;

• Atenção e acompanhamento são imprescindíveis durante o seu uso, atentando-se no ajuste correto do corpo ao equipamento antes do movimento circular ser iniciado.

• Garantia de segurança ao visitante na checagem de perfeito estado das peças para a atividade;

• Não tentar girar o experimento sem orientação do monitor;

• Respeitar a altura mínima, de 1,35 metros e a máxima de 1,80m  para conseguir girar de forma correta no equipamento.

Os elementos de segurança impedirão que ocorram quaisquer tipos de incidentes. Total  atenção ao pleno funcionamento e principalmente das travas  devem ser inspecionados.

        Perguntas Recorrentes:

• Tenho Labirintite. Posso rodar no giroscópio?

Não é aconselhável. O experimento provoca giros rápidos ou devagar em movimentos que tendem a ser mantidos. Se você sofre de labirintite ou problemas semelhantes, como vertigem, pode sentir desconfortos relacionados a esses movimentos circulares.

• Quando estiver dentro do giroscópio, que movimento fazer com o corpo para guiar o movimento?

Não existe a necessidade de guiar o equipamento. Apenas com o peso do corpo e movimento das rodas, o equipamento já começará a ganhar velocidade. 

•  Que movimento fazer com o corpo para que o giroscópio pare?

Uma vez iniciado o movimento e adquirido velocidade, ela irá aumentar. Caso não deseje aguardar o giroscópio adquirir equilíbrio, os monitores usando um pouco de força interrompem  o movimento.

• Se eu conseguir de forma satisfatória controlar meus movimentos no Giroscópio Humano, estarei preparado para ser astronauta e ir para o espaço?

Não necessariamente. O fato de você ter facilidade de autocontrole corporal é uma ótima habilidade. Porém, para se tornar astronauta e ir para o espaço é preciso muito  estudo e treinamento. Não desista!!

•  O Parque Cientec criou esse experimento?

Não. O objeto científico foi construído baseado em conhecimentos científicos de giroscópio já existentes, de uso antigo e muito utilizado em diversas áreas.

• Qual a velocidade máxima?

Não é muito rápido em comparação aos brinquedos de parques de diversão. O giro das rodas em diferentes direções fornece a ilusão do movimento ser muito mais rápido.

• Há limite de idade?

Não há distinção de idade. É destinado para visitantes a partir da faixa etária infantil até os mais adultos, desde que possuam altura suficiente para alcançar os dispositivos de segurança. A atividade agrega boa didática ao estudo da física e detém características que despertam a atenção e a curiosidade dos alunos e pessoas de todas as idades.

Recomendamos:

1- Episódio O mundo de Beakman - Giroscópio, por que nós  conseguimos  equilibrar ao andar de bicicleta?  https://www.youtube.com/watch?v=0h0TiaY8K5c

2- Como montar um Giroscópio: Canal XProjetos. https://www.youtube.com/watch?v=krvX6scn1W4

Créditos (referência)

Bidinotto, J. H. SAA0167 Princípios de Aviônica e Navegação.. Disponível: <https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/5631777/mod_resource/content/0/Apostila%20-%20Avi%C3%B4nica.pdf> Acesso em 29 de junho de 2021.

 https://old.scielo.br/

mundoeducação.com.br

Kurt Seifert and Oscar Camacho.“Implementing Positioning Algorithms Using Accelerometers”. 2007

SANTANA, D. D. S. ; CAMPOS, V. A. F. ; FURUKAWA, C. M. ; MARUYAMA, N. . “Estimação de Trajetórias Utilizando Sistema de Navegação Inercial Strapdown”.. In: XV CBA, 2004, Gramado – RS. Anais do XV Congresso Brasileiro de Automática, 2004

Neisy Amparo; Escobar Forhan.“GIROSCÓPIOS MEMS”, 2010;

http://www2.decom.ufop.br/imobilis/?p=1931

http://www2.decom.ufop.br/imobilis/?p=1889

http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1240-comparativo-entre-acelermetros

http://www.engineersgarage.com/articles/accelerometer?page=3

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Texto:

Plinio Jose Sebastiao Ferreira, Alana Giulia de Oliveira Marques da Silva e Stephanne Alves Silva

Revisão:

Ailton Marcos Bassini

Apoio Técnico:

João Gabriel Guimarães Mariz