Le cardan a 2300 ans et est toujours utilisé

Le cardan a été inventé par l’ingénieur grec Philon de Byzance au IIIe siècle av. J-C, qui l’utilisait pour maintenir son encrier toujours de niveau et l’empêcher de se renverser. Ce mécanisme est toujours utilisé de nos jours dans les gyroscopes et les compas, présents dans les avions ou les navires.

Un cardan est un support pivotant qui permet la rotation d’un objet autour d’un seul axe. Un ensemble de trois cardans, l’un monté sur l’autre avec des axes de pivotement orthogonaux, peut être utilisé pour permettre à un objet monté sur le cardan le plus intérieur de rester indépendant de la rotation de son support. Par exemple, sur un navire, les gyroscopes, les boussoles à bord des navires, les poêles et même les porte-gobelets utilisent généralement des cardans pour les maintenir debout par rapport à l’horizon malgré le tangage et le roulis du navire.

La suspension à cardan utilisée pour le montage de compas et similaires est parfois appelée suspension Cardan d’après le mathématicien et physicien italien Gerolamo Cardano qui la décrit en détail. Cependant, Cardano n’invente pas le cardan, ni ne le prétend. Le dispositif est connu depuis l’antiquité, décrit pour la première fois au IIIe s. ACN par Philo de Byzance, bien que certains auteurs modernes soutiennent qu’il peut ne pas avoir un seul inventeur identifiable.

Le cardan est décrit pour la première fois par l’inventeur grec Philon de Byzance. Philon décrit un pot d’encre à huit côtés avec une ouverture de chaque côté, qui peut être tourné de telle sorte que tandis que n’importe quel visage est sur le dessus, un stylo peut être trempé et encré – mais l’encre ne coule jamais à travers les trous des autres côtés. Cela est fait par la suspension de l’encrier au centre, qui est monté sur une série d’anneaux métalliques concentriques de sorte qu’il reste immobile, peu importe la direction dans laquelle le pot est tourné.

Dans la Chine ancienne, l’inventeur et ingénieur en mécanique de la dynastie Han Ding Huan a créé un brûleur d’encens à cardan vers 180 après JC. Il y a une allusion dans l’écriture du précédent Sima Xiangru que le cardan existe en Chine depuis le 2ème siècle ACN. Il est mentionné pendant la dynastie Liang que des cardans sont utilisés pour les charnières de portes et de fenêtres, tandis qu’un artisan présente une fois un poêle chauffant portable à l’impératrice Wu Zetian qui emploie des cardans. Spécimens de cardans chinois Extant utilisés pour les brûleurs d’encens datent du début de la dynastie des Tang, et font partie de l’argent tradition-smithing en Chine.

L’authenticité de la description de Philo d’une suspension de cardan est mise en doute par certains auteurs au motif que la partie de Pneumatica de Philo qui décrit l’utilisation du cardan ne survit que dans une traduction arabe du début du 9ème siècle. Ainsi, jusqu’en 1965, le sinologue Joseph Needham soupçonne l’interpolation arabe. Cependant, Carra de Vaux, auteur de la traduction française qui fournit toujours la base aux savants modernes, considère la Pneumatique comme essentiellement authentique. L’historien de la technologie George Sarton affirme également qu’il est sûr de supposer que la version arabe est une copie fidèle de l’original de Philon et attribue explicitement à Philon l’invention. Il en va de même de son collègue Michael Lewis. En fait, les recherches de ce dernier universitaire démontrent que la copie arabe contient des séquences de lettres grecques qui tombent en désuétude après le 1er siècle, renforçant ainsi le cas qu’il s’agit d’une copie fidèle de l’original hellénistique, un point de vue récemment partagé également par le classique Andrew Wilson.

L’auteur romain antique Athenaeus Mechanicus, écrivant pendant le règne d’Auguste, décrit l’utilisation militaire d’un mécanisme semblable à un cardan, l’appelant petit singe. Au moment de se préparer à attaquer les villes côtières du côté de la mer, les ingénieurs militaires ont l’habitude d’atteler ensemble des navires marchands pour monter les machines de siège jusqu’aux murs. Mais pour empêcher les engins embarqués de rouler autour du pont dans une mer agitée, Athénée conseille que vous devez fixer le pithêkion sur la plate-forme attachée aux navires marchands au milieu, afin que la machine reste debout dans n’importe quel angle.

Après l’antiquité, les cardans restent largement connus au Proche-Orient. Dans l’Occident latin, la référence à l’appareil apparait à nouveau dans le livre de recettes du 9e siècle appelé la petite clé de la peinture Mappae clavicula. L’inventeur français Villard de Honnecourt dépeint un ensemble de cardans dans son célèbre carnet de croquis. Au début de la période moderne, les boussoles sèches étaient suspendues aux cardans.

En navigation inertielle, comme pour les navires et les sous-marins, un minimum de trois cardans est nécessaire pour permettre à un système de navigation inertielle de rester fixe dans l’espace inertiel, compensant les changements de lacet, de tangage et de roulis du navire. Dans cette application, l’unité de mesure inertielle est équipée de trois gyroscopes montés orthogonalement pour détecter la rotation autour de tous les axes dans l’espace tridimensionnel. Les sorties gyroscopiques sont maintenues à zéro grâce à des moteurs d’entraînement sur chaque axe de cardan, pour maintenir l’orientation de l’IMU. Pour ce faire, les signaux d’erreur gyroscopiques passent par des résolveurs montés sur les trois cardans, roulis, tangage et lacet. Ces résolveurs effectuent une transformation de matrice automatique en fonction de chaque angle de cardan, afin que les couples requis soient délivrés à l’axe de cardan approprié. Les couples de lacet doivent être résolus par des transformations de roulis et de tangage. L’angle du cardan n’est jamais mesuré. Des plates-formes de détection similaires sont utilisées sur les avions.

Dans les systèmes de navigation inertielle, le verrouillage de la nacelle peut se produire lorsque la rotation du véhicule entraîne l’alignement de deux des trois anneaux de la nacelle avec leurs axes de pivotement dans un seul plan. Lorsque cela se produit, il n’est plus possible de maintenir l’orientation de la plate-forme de détection.

Dans la propulsion des engins spatiaux, les moteurs-fusées sont généralement montés sur une paire de cardans pour permettre à un seul moteur de transmettre la poussée sur les axes de tangage et de lacet. Parfois un seul axe est fourni par moteur. Pour contrôler le roulis, des moteurs bimoteurs avec des signaux de commande de tangage différentiel ou de lacet sont utilisés pour fournir un couple autour de l’ axe de roulis du véhicule .

Le mot cardan commence comme un nom. La plupart des dictionnaires modernes continuent de le répertorier comme tel. Faute d’un terme commode pour décrire le mouvement de balancement d’un moteur de fusée, les ingénieurs commencent également à utiliser le mot cardan comme verbe. Lorsqu’une chambre de poussée est basculée par un actionneur attaché, le mouvement est appelé gimballed ou gimballing. La documentation officielle des fusées reflète cet usage.

Dans les équipements de photographie portables, des têtes de cardan à axe unique sont utilisées afin de permettre un mouvement équilibré pour l’appareil photo et les objectifs. Cela s’avère utile dans la photographie animalière ainsi que dans tout autre cas où des téléobjectifs très longs et lourds sont adoptés : une tête de cardan fait tourner un objectif autour de son centre de gravité, permettant ainsi une manipulation facile et fluide tout en suivant des sujets en mouvement.

De très grands supports de cardan sous la forme de supports d’altitude-altitude à 2 ou 3 axes sont utilisés en photographie par satellite à des fins de suivi.

Les cardans gyrostabilisés qui abritent plusieurs capteurs sont également utilisés pour les applications de surveillance aéroportée, y compris l’application des lois aéroportées, l’inspection des canalisations et des lignes électriques, la cartographie et l’ISR. Les capteurs comprennent l’imagerie thermique, la lumière du jour, les caméras à faible luminosité ainsi que le télémètre laser et les illuminateurs.

Les systèmes de cardan sont également utilisés dans les équipements d’optique scientifique. Par exemple, ils sont utilisés pour faire pivoter un échantillon de matériau le long d’un axe afin d’étudier leur dépendance angulaire des propriétés optiques.

Les cardans à 3 axes portatifs sont utilisés dans les systèmes de stabilisation conçus pour donner à l’opérateur de l’appareil photo l’indépendance de la prise de vue à main levée sans vibration ni secousse de l’appareil photo. Il existe deux versions de ces systèmes de stabilisation : mécanique et motorisé.

Les cardans mécaniques ont le traîneau, qui comprend l’étage supérieur où la caméra est fixée, le poteau qui, dans la plupart des modèles, peut être étendu, avec le moniteur et les piles en bas pour contrebalancer le poids de la caméra. C’est ainsi que le Steadicam reste debout, en rendant simplement le bas légèrement plus lourd que le haut, pivotant au niveau du cardan. Cela laisse le centre de gravité de l’ensemble de la plate-forme, aussi lourd soit-il, exactement au bout des doigts de l’opérateur, permettant un contrôle habile et fini de l’ensemble du système avec le plus léger des contacts sur le cardan.

Propulsés par trois moteurs sans balais, les cardans motorisés ont la capacité de maintenir la caméra à niveau sur tous les axes lorsque l’opérateur de la caméra déplace la caméra. Une unité de mesure inertielle réagit au mouvement et utilise ses trois moteurs séparés pour stabiliser la caméra. Grâce aux algorithmes, le stabilisateur est en mesure de remarquer la différence entre un mouvement délibéré tel que des panoramiques et le suivi des coups de secousses indésirables. Cela permet à l’appareil photo de sembler flotter dans l’air, un effet obtenu par un Steadicam dans le passé. Les cardans peuvent être montés sur des voitures et d’autres véhicules tels que des drones, où les vibrations ou autres mouvements inattendus rendraient les trépieds ou autres supports de caméra inacceptables.

Le taux d’un chronomètre de marine mécanique est sensible à son orientation. Pour cette raison, les chronomètres sont normalement montés sur des cardans, afin de les isoler des mouvements de balancement d’un navire en mer.