Los giroscopios pueden ser objetos muy desconcertantes porque se mueven de formas peculiares e incluso parecen desafiar la gravedad. Estas propiedades especiales hacen que los giroscopios sean extremadamente importantes en todo, desde su bicicleta hasta el avanzado sistema de navegación del transbordador espacial. Un avión típico usa alrededor de una docena de giroscopios en todo, desde su brújula hasta su piloto automático. La estación espacial rusa Mir usó 11 giroscopios para mantener su orientación al sol, y el telescopio espacial Hubble también tiene un lote de giroscopios de navegación. Los efectos giroscópicos también son fundamentales para cosas como yoyos y frisbees.
En esta edición de Como funcionan las cosas , Examinaremos los giroscopios para comprender por qué son tan útiles en tantos lugares diferentes. ¡También llegarás a ver la razón detrás de su comportamiento tan extraño!
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haga clic aquí para descargar el video de movimiento completo de 30 segundos que muestra la precesión en el trabajo. (1,7 MB) Si alguna vez ha jugado con giroscopios de juguete, sabes que pueden realizar todo tipo de trucos interesantes. Pueden mantener el equilibrio sobre una cuerda o un dedo; pueden resistir el movimiento sobre el eje de giro de formas muy extrañas; pero el efecto más interesante se llama precesión . Esta es la parte de un giroscopio que desafía la gravedad. El siguiente video muestra los efectos de la precesión usando una rueda de bicicleta como giroscopio:
La sección más sorprendente del video, y también lo increíble de los giroscopios, es la parte donde la rueda de bicicleta giroscópica puede colgar en el aire de esta manera:
¡La capacidad de un giroscopio para "desafiar la gravedad" es desconcertante! ¿Cómo puede hacer eso?
Este efecto misterioso es la precesión. En el caso general, La precesión funciona así:si tienes un giroscopio giratorio e intentas rotar su eje de giro, En cambio, el giroscopio intentará girar alrededor de un eje en ángulo recto con su eje de fuerza, como esto:
En la figura 1, el giroscopio gira sobre su eje. En la figura 2, se aplica una fuerza para intentar rotar el eje de giro. En la figura 3, el giroscopio reacciona a la fuerza de entrada a lo largo de un eje perpendicular a la fuerza de entrada. Entonces, ¿por qué ocurre la precesión?
A medida que se aplican fuerzas al eje, los dos puntos identificados intentarán moverse en las direcciones indicadas. ¿Por qué un giroscopio debería mostrar este comportamiento? Parece totalmente absurdo que el eje de la rueda de la bicicleta pueda colgar en el aire de esa manera. Si piensa en lo que realmente está sucediendo con las diferentes secciones del giroscopio mientras gira, sin embargo, ¡Puedes ver que este comportamiento es completamente normal!
Veamos dos pequeñas secciones del giroscopio mientras gira:la parte superior y la inferior, como esto:
Cuando la fuerza se aplica al eje, la sección en la parte superior del giroscopio intentará moverse hacia la izquierda, y la sección en la parte inferior del giroscopio intentará moverse hacia la derecha, como se muestra. Si el giroscopio no gira, luego la rueda se cae, como se muestra en el video de la página anterior. Si el giroscopio está girando, Piense en lo que sucede con estas dos secciones del giroscopio: Primera ley de movimiento de Newton establece que un cuerpo en movimiento continúa moviéndose a una velocidad constante a lo largo de una línea recta a menos que actúe sobre él una fuerza desequilibrada. Entonces, el punto superior del giroscopio se ve afectado por la fuerza aplicada al eje y comienza a moverse hacia la izquierda. Sigue intentando moverse hacia la izquierda debido a la primera ley de movimiento de Newton, pero el giro del giróscopo lo hace girar, como esto:
A medida que giran los dos puntos, continúan su movimiento. Este efecto es la causa de la precesión. Las diferentes secciones del giroscopio reciben fuerzas en un punto, ¡pero luego giran a nuevas posiciones! Cuando la sección en la parte superior del giróscopo gira 90 grados hacia un lado, continúa en su deseo de moverse hacia la izquierda. Lo mismo ocurre con la sección en la parte inferior:gira 90 grados hacia un lado y continúa en su deseo de moverse hacia la derecha. Estas fuerzas hacen girar la rueda en la dirección de precesión. A medida que los puntos identificados continúan girando 90 grados más, sus mociones originales se cancelan. De modo que el eje del giroscopio cuelga en el aire y precesa. Cuando lo miras de esta manera, puedes ver que la precesión no es misteriosa en absoluto, ¡está totalmente de acuerdo con las leyes de la física!
El efecto de todo esto es que, una vez que haces girar un giroscopio, su eje quiere seguir apuntando en la misma dirección. Si monta el giroscopio en un juego de cardanes para que pueda seguir apuntando en la misma dirección, va a. Esta es la base del giroscopio .
Si monta dos giroscopios con sus ejes en ángulo recto entre sí en una plataforma, y coloque la plataforma dentro de un juego de cardanes, la plataforma permanecerá completamente rígida mientras los cardanes giran como les plazca. Esta es esta base de sistemas de navegación inercial (EN S).
En un INS, Los sensores en los ejes de los cardanes detectan cuando la plataforma gira. El INS usa esas señales para comprender las rotaciones del vehículo en relación con la plataforma. Si agrega a la plataforma un conjunto de tres acelerómetros , puede saber exactamente hacia dónde se dirige el vehículo y cómo cambia su movimiento en las tres direcciones. Con esta información, El piloto automático de un avión puede mantener el rumbo del avión. ¡y el sistema de guía de un cohete puede insertar el cohete en una órbita deseada!
Para obtener más información sobre giroscopios y sus aplicaciones, ¡Mira los enlaces en la página siguiente!
