회전체와 지지 구조
기계식 자이로스코프는 회전하는 로터의 각운동량을 이용하는 장치이다. 로터를 지지하는 짐벌은 회전축의 방향이 바뀔 수 있도록 하는 틀이다. 로터의 자체 회전과 짐벌의 기울어짐은 서로 다른 운동 좌표이며, 짐벌 수와 센서가 측정하는 축 수는 같은 개념이 아니다.
세차운동
외부 토크는 τ=dL/dt에 따라 각운동량을 변화시킨다. 토크가 각운동량에 수직이면 주로 크기보다 방향을 바꾼다. 회전축의 방향이 돌아가는 세차운동에서 Ω를 그 각속도라고 할 때, 로터의 스핀 각운동량이 지배적인 근사에서는 τ=Ω×L로 나타낸다. 두 벡터가 수직이면 크기는 τ=ΩL이다.
각운동량의 크기
관성 주축 둘레로 회전하는 로터는 L=Iω로 나타낼 수 있다. I는 회전축에 대한 관성모멘트로 질량뿐 아니라 질량이 축에서 떨어진 분포에 좌우된다. 같은 토크에서는 L이 클수록 회전축 방향의 변화율이 작아질 수 있다. 반대로 같은 세차 각속도를 강제할 때에는 더 큰 토크가 필요하다.
선박 안정화
선박용 자이로 안정기는 로터의 세차운동에 따른 반작용 토크를 선체의 횡동요 완화에 이용한다. 세차 속도를 조절하는 제동과 제어가 성능에 관여한다. 상용 Seakeeper는 유압 제동과 능동 제어를 사용한다. 로터의 각운동량만으로 전체 선박의 안정화 성능을 확정할 수는 없다.