El giroscopio Puede ser un objeto desconcertante porque se mueve de maneras peculiares e incluso parece desafiar la gravedad. Estas propiedades especiales son la razón por la que los giroscopios se pueden encontrar en una variedad de máquinas, incluidas la bicicleta y el sistema de navegación avanzado del transbordador espacial.
Un avión típico utiliza alrededor de una docena de giroscopios en todo, desde su brújula hasta su piloto automático. Por ejemplo, la estación espacial rusa Mir utilizó 11 giroscopios para mantener su orientación con respecto al sol, y el Telescopio Espacial Hubble también tiene un lote de giroscopios de navegación. Los efectos giroscópicos también son fundamentales para juguetes como los yoyos y los frisbees.
Echemos un vistazo más profundo a este dispositivo para comprender mejor por qué es tan útil y versátil en una gran cantidad de aplicaciones tecnológicas.
ContenidoUn giroscopio es un dispositivo mecánico o electrónico que utiliza el principio del momento angular para mantener su orientación relativa al eje de la Tierra o resistir cambios en su orientación. Un giroscopio normalmente consta de un rotor giratorio, que proporciona momento angular, y un conjunto de cardanes o soportes pivotantes.
Cada giroscopio está construido alrededor de uno o más ejes, que sirven como elemento fundamental en la construcción del dispositivo. El eje de giro suele estar alineado con el eje Z, lo que permite que el rotor giroscópico gire libremente, algo crucial para el funcionamiento del dispositivo. La carcasa o marco, junto con los cojinetes, proporciona soporte estructural y protege los componentes internos.
Mientras que los giroscopios de un solo eje tienen solo un eje principal de rotación, otros, como los giroscopios de tres ejes, están diseñados para medir cambios de movimiento y orientación a lo largo de los tres ejes espaciales:X, Y y Z. El número y la orientación específicos de estos ejes pueden varían según el diseño del giroscopio y la aplicación prevista.
Piense en un giroscopio de un solo eje como un balancín que sólo va y viene. Sólo puede medir o responder al movimiento en una dirección. Por otro lado, un giroscopio de tres ejes es como una peonza que puedes mover en cualquier dirección:hacia adelante y hacia atrás (eje X), de lado a lado (eje Y) e incluso en un movimiento giratorio como una peonza ( Eje Z).
Ahora quizás te preguntes qué tiene que ver este dispositivo con la Tierra y su eje. La conexión entre ambos se puede encontrar en el concepto de estabilidad giroscópica. El planeta actúa como un giroscopio colosal porque gira alrededor de su eje. Esta rotación le da a la Tierra una propiedad conocida como momento angular, lo que significa que quiere seguir girando en la misma dirección.
Los giroscopios, por otro lado, son dispositivos diseñados para mantener su orientación en el espacio aprovechando los principios del movimiento de rotación (también conocido como movimiento de rotación). Tienen un rotor giratorio que resiste los cambios en su eje.
Cuando se someten a fuerzas externas, los giroscopios exhiben un comportamiento llamado precesión, donde su eje cambia gradualmente de dirección en lugar de inclinarse inmediatamente. (Analizaremos más de cerca este comportamiento en un momento).
Los giroscopios esencialmente imitan la estabilidad de la Tierra en su rotación, razón por la cual los ingenieros y científicos pueden usar estos dispositivos para lograr un movimiento u orientación precisos y constantes en todo, desde sistemas de navegación hasta naves espaciales.
Sólo hay una Tierra, a menos que vivas en un multiverso de cómic, pero hay muchos tipos de giroscopios, cada uno de ellos diseñado para aplicaciones específicas:
Si alguna vez has jugado con giroscopios de juguete, sabrás que pueden realizar todo tipo de trucos interesantes. Pueden mantener el equilibrio sobre una cuerda o un dedo y resistir el movimiento alrededor del eje de giro de formas muy extrañas, pero el efecto más interesante se llama precesión giroscópica. Esta es la parte de un giroscopio que desafía la gravedad. Este vídeo de 30 segundos muestra los efectos de la precesión, utilizando una rueda de bicicleta como giroscopio.
La sección más sorprendente del vídeo es posiblemente la parte en la que la rueda giroscópica de la bicicleta puede colgar en el aire de esta manera:
¿Cómo puede hacer eso?
Este efecto misterioso es la precesión.
En general, la precesión funciona así:si tiene un giroscopio giratorio e intenta cambiar la orientación de su eje de giro, el dispositivo responderá cambiando su orientación a lo largo de un eje diferente que es perpendicular (en ángulo recto) al eje de su fuerza aplicada.
Entonces, ¿por qué ocurre la precesión?
Mira la ilustración de tres ruecas:
¿Por qué un giroscopio muestra este comportamiento? Parece totalmente absurdo que el eje de la rueda de la bicicleta pueda colgar así en el aire.
Sin embargo, si piensas en lo que realmente les sucede a las diferentes secciones del giroscopio mientras gira, podrás ver que este comportamiento es completamente normal.
Miremos dos pequeñas secciones del giroscopio mientras gira (la superior y la inferior), así:
Entonces, la fuerza aplicada al eje actúa sobre el punto superior del giroscopio y comienza a moverse hacia la izquierda. Continúa intentando moverse hacia la izquierda debido a la primera ley de movimiento de Newton, pero el giro del giroscopio lo hace girar.
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 giroscopio gira 90 grados hacia un lado, continúa en su deseo de moverse hacia la izquierda.
Lo mismo ocurre con la sección inferior:gira 90 grados hacia un lado y continúa con 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 movimientos originales se cancelan. Así, el eje del giroscopio cuelga en el aire y realiza una precesión. Cuando lo miras de esta manera, puedes ver que la precesión no es nada misteriosa:se alinea totalmente 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 conjunto de cardanes para que pueda continuar apuntando en la misma dirección, lo hará. Ésta es la base del girocompás.
Si monta dos giroscopios con sus ejes en ángulo recto entre sí en una plataforma y coloca la plataforma dentro de un conjunto de cardanes, la plataforma permanecerá completamente rígida mientras los cardanes giran de la forma que deseen. Esta es la base de los sistemas de navegación inercial (INS).
En un INS, los sensores en los ejes de los cardanes detectan cuando la plataforma gira. El INS utiliza esas señales para comprender las rotaciones del vehículo en relación con la plataforma. Si agrega a la plataforma un conjunto de tres acelerómetros sensibles, 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 avión en rumbo y el sistema de guía de un cohete puede dirigir el cohete a la órbita deseada.
Ahora eso es interesanteEl trabajo pionero de Léon Foucault con el giroscopio en el siglo XIX revolucionó nuestra comprensión de la rotación de la Tierra. Foucault suspendió un gran giroscopio de un alambre delgado, mostrando su notable propiedad de mantener su eje de rotación a pesar del movimiento de la Tierra. A medida que la Tierra giraba debajo de él, el eje del giroscopio cambiaba lentamente de dirección, ofreciendo una prueba tangible de la rotación de la Tierra. Este péndulo de Foucault se convirtió en una demostración científica icónica, que destaca la interacción de la física y la astronomía.
Este artículo fue actualizado junto con tecnología de inteligencia artificial, luego verificado y editado por un editor de HowStuffWorks.
