Il blocco del gimbal può verificarsi in giroscopi, telescopi e altri dispositivi che si muovono in più direzioni ed è causato quando i gimbal, o montature, si allineano in modi che impediscono al dispositivo di muoversi nella direzione desiderata. Un giroscopio è una ruota che gira supportata all’interno di una serie di gabbie o supporti e viene utilizzata negli aerei e nelle navi per aiutare nella navigazione. Ogni gabbia fornisce movimento in una delle tre direzioni, consentendo al giroscopio di essere montato su una nave o un aereo in movimento mantenendo un orientamento orizzontale.
I giroscopi furono discussi per la prima volta in letteratura nel XVIII secolo e gli strumenti pratici per le navi costruiti nel XIX secolo. Elmer Sperry costruì il primo giroscopio per il controllo del pilota automatico degli aerei all’inizio del XX secolo. Il vantaggio dell’utilizzo dei giroscopi per la navigazione è che la ruota del giroscopio rotante mantiene un orientamento orizzontale indipendentemente dal movimento della nave o dell’aereo. Il collegamento del giroscopio agli strumenti può fornire un “orizzonte artificiale” o una vista strumentale del livello anche durante le tempeste in mare o la turbolenza degli aerei.
Tutti gli oggetti nello spazio possono essere descritti da una combinazione di tre angoli definiti da una formula matematica chiamata angoli di Eulero. Questi tre angoli sono spesso descritti dai termini x, y e z. Si dice che un dispositivo abbia tre gradi di libertà quando può alzarsi o abbassarsi, sinistra o destra, dentro o fuori. I giroscopi montati in tre gabbie, ciascuna rotante in uno dei tre angoli, possono in teoria ruotare in qualsiasi direzione necessaria per la navigazione.
L’effetto del blocco cardanico può essere visto in un giroscopio, ma può verificarsi in dispositivi meno complicati. Ad esempio, un visualizzatore che insegue un satellite in alto con un telescopio raggiungerà un punto in cui il telescopio è rivolto verso l’alto. A questo punto, lo spettatore ruota il telescopio di 180° e può continuare a seguire il satellite mentre si muove verso l’orizzonte nella direzione opposta.
Il blocco cardanico si verifica se l’oggetto inseguito, come un aereo, si sposta sopra la testa e poi cambia direzione di 90° e si allontana. A quel punto, il telescopio non può girare lateralmente, perché le montature oi gimbal impediscono il movimento in quella direzione. Lo strumento deve essere ruotato, o ruotato sulla sua base, per superare il problema.
Gli esseri umani possono adattarsi a queste situazioni, perché possono riconoscere che il telescopio non può continuare a seguire l’aereo a meno che il telescopio non sia ruotato di 90°. Il problema è che spesso l’inseguimento dell’oggetto si perde finché l’osservatore non lo ritrova nell’oculare del telescopio. Ciò può verificarsi anche con le antenne radar utilizzate per tracciare gli aerei che girano quando si trovano sopra l’antenna. Il software del computer deve essere scritto per compensare la perdita di tracciamento dovuta al blocco cardanico.
Nei giroscopi, ci sono diversi angoli in cui può verificarsi il blocco del gimbal quando le gabbie si allineano, impedendo al giroscopio di ruotare. Come nell’esempio del telescopio, il giroscopio ora non può muoversi liberamente e si dice che sia “giroscopio bloccato”. Gli aerei che eseguono acrobazie, o virano e ruotano in direzioni insolite, possono causare questo comportamento nei loro strumenti di navigazione. I piloti che eseguono queste manovre spesso bloccheranno manualmente gli strumenti giroscopici prima delle acrobazie per evitare il blocco del gimbal e lo stress sui giroscopi.
La navigazione spaziale utilizza i giroscopi per mantenere un punto di riferimento noto. Non esiste un orizzonte nello spazio e la posizione deve essere determinata dalla sua posizione rispetto a stelle specifiche, una tecnica chiamata navigazione celeste. Quando un veicolo spaziale cade o cambia direzione, i giroscopi che mantengono l’orientamento “livellato” possono bloccare il gimbal e causare una perdita di riferimento.
Gli astronauti dovevano fare riferimento visivamente alle stelle di navigazione e ripristinare il giroscopio per prevenire errori di navigazione. Un modo in cui il problema è stato risolto è stato quello di aggiungere un quarto grado di libertà, un’altra gabbia, che è stata montata con un orientamento o un angolo diverso dalle altre gabbie. Ciò forniva il movimento anche se due gabbie erano bloccate a cardano, consentendo così allo strumento di continuare la navigazione.