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Giroscopios, dispositivos de danza equilibrada

2007/07/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

Cualquier dispositivo que gira puede tener un comportamiento admirable. Parece magia, pero no es, es una actitud contraria a lo que manda el instinto. La tecnología aprovecha este comportamiento. El mundo de los dispositivos rotativos --giroscopios - ha cobrado gran importancia. Los giróscopos te rodean y, sin embargo, casi han quedado en silencio, ¿quieres conocerlos?
Giroscopios, dispositivos de danza equilibrada
01/07/2007 | Roa Zubia, Guillermo | Elhuyar Zientzia Komunikazioa
(Foto: A. Hart-Davis)

Parece ser que andar en bicicleta es una competición contra la gravedad, estando sobre dos ruedas, ¿cómo no se cae el ciclista? La respuesta consiste en la manipulación del manillar. Inclinando el manillar, el ciclista es capaz de crear una fuerza centrífuga que mantenga a la bicicleta de pie. Pero no sólo eso, las ruedas reciben otro efecto adicional por el simple giro.

Es un efecto giroscópico: el eje de un cuerpo en rotación tiende a no moverse. Al empujar el eje de giro, éste se opone al impulso y el que gira no cambia de posición. En el caso de la bicicleta, la gravedad tira del eje de las ruedas hacia abajo, pero el eje se opone.

Cuanto más rápido gira, más fuerte es el efecto giroscópico. Y viceversa. Las ruedas de la bicicleta, por ejemplo, no giran muy rápido, al menos tan rápido como el efecto giroscópico se opone a la gravedad. Las ruedas de un motor son giróscopos eficientes. Cuando el conductor se inclina el motor toma la curva, pero las dos ruedas que tiene en la parte inferior no le dejan caer.

Todo lo que gira

Las ruedas de un motor son giróscopos eficientes. Cuando el conductor coge la curva, las ruedas no le dejan caer.
TT Assen

Las ruedas no son el único ejemplo. Todo lo que gira es un giróscopo porque funciona bajo el efecto giroscópico. Un planeta, una peonza, una pelota o una gimnasta sobre hielo. Si gira se convierte en un giróscopo.

El efecto giroscópico es fácilmente visible en el disco llamado freesbie, que si se dispara girando vuela sin cambiar la orientación del eje de rotación. El vuelo de un bumerán tiene el mismo efecto, pero como no tiene forma de disco y al lanzarse se le produce una rotación muy asimétrica, no vuela de la misma manera. En definitiva, el eje de un bumerán no consigue equilibrar totalmente la fuerza exterior y cambia la orientación durante el vuelo (por eso vuelve al lanzador, entre otras cosas).

El movimiento que realiza el eje de rotación del Bumerana se llama en física: la precesión. Es como una danza, el giróscopo gira y a la vez gira el eje de giro. Además de los bumerans, muchos giroscopios realizan esta danza. Por ejemplo, el eje de rotación de la Tierra es el que tiene la precesión y, para dar un ejemplo más cercano, el movimiento de precesión lo realiza un juguete infantil, la peonza. En todos los ejemplos, el eje no puede resistir totalmente la fuerza externa y la orientación del eje cambia en un círculo. La precesión parece un movimiento que huye del control, pero aprovecha para aprovechar las aplicaciones más interesantes de los giróscopos.

Precesión bajo control

Girobus: autobús propulsado por un giróscopo. Fue utilizada en Suiza en los años 50, pero no era fácil de conducir.
Museudantu

¿Cómo controlar la precesión? Sencillo, manteniendo el eje. Basta con mantener fijo el eje o instalar el giróscopo en un sistema de cardan. (Se llama cardan al arco que gira en una dirección). Fijando el eje de un giróscopo, no podrá seguir la precesión. Dado que el eje tiende a no cambiar la orientación, lo que se mantiene también se mantiene.

Puede ser todo un barco, con un giróscopo muy grande. Esta idea se utilizó como corazón del sistema antiembalsamiento de los barcos --y patentado-, XX. el primer cuarto del siglo XX. Las olas inducen a los barcos a balancearse a un lado y a otro, pero a través de un giróscopo gigante unido a ambos lados del casco, el efecto giroscópico puede reducir este balanceo. Posteriormente, se inventaron otros sistemas para frenar el balanceo, basados en tanques de líquido o gas, que superaron la necesidad de que el giróscopo gigante tuviera que girar. Pero un gran giróscopo estabiliza mucho el balanceo de un barco.

En un tren de un solo carril el efecto es el mismo. Sin embargo, al inclinarse el tren en las curvas, se han utilizado distintos sistemas de giróscopo para controlar el ángulo de inclinación.

Guías rotativas

Línea artificial de horizonte de un avión. Estos sistemas están basados en giróscopos.
Wikimedia

Los gigantescos giróscopos trajeron nuevas ideas a la industria de los vehículos, que fueron probados no sólo en las barcas y en los trenes, sino también en otros vehículos. Pero el verdadero éxito lo tuvieron los giroscopios pequeños. Por su pequeño tamaño no se podían utilizar para estabilizar todo el vehículo, pero resultaron excepcionales para guiar la navegación. En la actualidad, la mayoría de los sistemas de navegación están basados en giróscopos.

El piloto automático de aviones es un buen ejemplo. El objetivo principal de un piloto automático es mantener el avión en horizontal y en equilibrio mediante una línea de horizonte artificial. ¿Y qué mejor que un giróscopo para ser el corazón de la línea artificial de horizonte?

Cuando gira, el giróscopo no cambia la orientación del eje, incluso cuando está dentro de un avión. Por lo tanto, cuando el avión se inclina, el giróscopo no le sigue. Si al principio estaba vertical respecto a la tierra, cuando el avión se inclina también estará vertical respecto a la tierra. Visto desde el lugar del piloto, el giróscopo siempre se moverá con la línea de horizonte. Lo único que debe hacer el piloto automático es accionar el sistema de navegación para que el avión esté en todo momento alineado con el giróscopo. Es decir, el giróscopo informa continuamente al sistema de la horizontalidad.

Vehículo Segway.
G. Roa

Arriba y abajo

Es muy útil saber qué hay horizontal, qué vertical, hacia dónde va "arriba" y hacia dónde "abajo". Una máquina que lo sepa no caerá si no intencionadamente transmitiendo la información al sistema de propulsión.

Un robot de dos patas no perderá el equilibrio, ni un vehículo moderno llamado segway, en el que una persona esté encima (aunque eso suponga un cambio de peso! ). Un satélite artificial, la estación ISS y el telescopio Hubble podrán reorientarse según las necesidades.

En general, cualquier instrumento que se mueve en tres dimensiones se beneficiará de un sistema de giróscopos. Los giroscopios se utilizan con gafas para trabajar con realidad virtual. También los controladores de los juegos Wii que se han puesto de moda, y los ratones de ordenador Mouse, un ratón que funciona sin tocar superficie. Todos ellos, y muchos otros inventos, están provistos de giroscopio.

Los vehículos tradicionales fueron los primeros en explotar dispositivos rotativos. Ahora, vehículos modernos, robots, ratones, etc. Está claro que la 'domesticación' del giróscopo ha supuesto una revolución semi-silenciosa en la tecnología. El hombre se ha beneficiado mucho, quizá porque el hombre vive en un gran giróscopo.

Gravedad ambiental
En diciembre de 1989, basándose en una vieja idea, publicaron el resultado de un curioso experimento en la revista Physical Review Letters: un giroscopio perdía 12 miligramos al girar.
El artículo suscitó un gran debate. ¿Era cierto? ¿Se puede producir gravedad "negativa" mediante un giróscopo? A la idea se le llamó ambientalidad, pero parece que es un fenómeno muy incierto. Posteriormente, nadie ha podido repetir con éxito el experimento, incluso algunos físicos le explicaron el fenómeno: el resultado pudo ser producido por la propia vibración del giróscopo. Eso sí, algunos aficionados a los objetos voladores defendieron el nuevo concepto. Dicen que los platos voladores aprovechan la ambientalidad para volar. Sin embargo, la comunidad científica actual ha descartado esta idea.
¡No se cae!
Es difícil hacer caer un giróscopo rápido. ¿Pero por qué? Pues porque tiene una especie de inercia. En física esta inercia se llama momento angular y, según una ley universal, se conserva. Esto significa que se conserva la velocidad de giro y con ello la orientación del eje. La única fuerza que puede actuar contra esta inercia es una fuerza externa (muchas veces es una fricción en el mundo real).
El giróscopo lucha contra esta fuerza. Ese es el secreto de la estabilidad: distribuye la fuerza que recibe en 360 grados por todo el entorno. En reposo se empuja y cae al eje, pero al girar reparte la fuerza que se ejerce sobre él. Una explicación geométrica es suficiente para comprenderla. Se puede ver en el siguiente gráfico.
En lugar de representar un giróscopo rígido, basta con dibujar cuatro masas unidas al eje. Al empujar el eje hacia el lado de la masa C, la masa A recibe un empuje hacia arriba y la masa C hacia abajo (Figura 1). Cuando gira 90 grados (Figura 2), el movimiento ascendente de la masa A empujará al eje hacia la derecha. Al mismo tiempo, la masa D recibirá un empuje exterior ascendente. Las masas A y C girarán 90 grados más (Figura 3) y resistirán la fuerza inicial.
En definitiva, la fuerza ejercida sobre el eje se distribuirá a lo largo de toda la gira, generando la precesión (movimiento del eje). Si la rotación es muy rápida, la precesión será muy baja, es decir, el giróscopo tiende a mantenerse de pie.
(Foto: G. Roa)
Puente Roa, Guillermo
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