Giroscopios: Qué son, cómo funcionan y por qué son importantes

Giroscopios

El giroscopio, a menudo llamado simplemente «gyro», no tiene mucha prensa. Pero sin esta maravilla de la ingeniería, el mundo – y en particular, la exploración de la humanidad de otros mundos – sería fundamentalmente diferente. Los giroscopios son indispensables en la cohetería y la aeronáutica, y como bonus, un simple giroscopio es un gran juguete para los niños.

Un giroscopio, aunque es una máquina con muchas partes móviles, es en realidad un sensor. Su propósito es mantener el movimiento de una pieza giratoria en el centro del giroscopio estable frente a los cambios en las fuerzas impuestas por el entorno exterior del giroscopio. Están construidos de tal manera que estos cambios externos son contrarrestados por los movimientos de las partes del giroscopio que siempre se oponen al cambio impuesto. Esto no es muy diferente a la forma en que una puerta con resorte o una trampa para ratones se opondrá a sus intentos de abrirla, con más fuerza si sus propios esfuerzos aumentan. Un giroscopio, sin embargo, es mucho más intrincado que un resorte.

Los giróscopos parecen desafiar las leyes de la física. Pero, estos dispositivos sirven en realidad como ejemplos perfectos de varias leyes de la física y juegan un papel importante en algunos de los mayores avances de la tecnología.

Los giroscopios son grandes cosas. A primera vista, son objetos bastante extraños que se mueven de formas peculiares y también parecen «desafiar» a la propia gravedad. Las propiedades muy especiales de estos dispositivos los han hecho invaluables para la navegación, entre otras cosas.

Puedes encontrarlos desde tu pequeño smartphone o móvil hasta aviones, estaciones espaciales y en cualquier cosa que realmente gire. Estos fenómenos los que hacen que los giroscopios sean tan fascinantes. Un avión típico tiene una gran variedad de ellos, incluyendo la importante brújula del avión. La Estación Espacial Mir en realidad usó 11 de ellas para mantenerla orientada al sol, y el telescopio Hubble tiene un montón de ellas también.

En el próximo artículo, echaremos un vistazo a estos peculiares dispositivos y su importancia para nuestro mundo moderno.

¿Qué son los giroscopios?

Según el diccionario inglés de Oxford, un giroscopio es un «dispositivo que consiste en una rueda o disco montado de manera que puede girar rápidamente sobre un eje que a su vez es libre de alterar en dirección. La orientación del eje no se ve afectada por la inclinación del montaje».

Aunque la definición es genial, no explica realmente cómo funcionan o por qué son tan importantes (dado que hemos recortado un poco la definición). Primero, echemos un vistazo a su «comportamiento extraño».

El principio básico de un giroscopio puede ilustrarse utilizando una rueda de bicicleta que gira de forma aislada. Si se sostiene la rueda a cada lado por un eje corto colocado en el centro de la rueda (como un bolígrafo) y alguien gira la rueda mientras se sostiene, se notará que si se intenta inclinar la rueda hacia un lado, no irá en esa dirección tan fácilmente como si no estuviera girando. Esto es válido para cualquier dirección que elijas y no importa cuán repentinamente se introduzca el movimiento.

Tal vez sea más fácil describir las partes de un giroscopio de más adentro a más afuera. En primer lugar, en el centro hay un eje o disco giratorio (y cuando se piensa en ello, geométricamente hablando, un disco no es más que un eje muy corto y muy ancho). Este es el componente más pesado del arreglo. El eje que pasa por el centro del disco está unido por cojinetes de bolas casi sin fricción a un aro circular, llamado cardán. Aquí es donde la historia se vuelve extraña y altamente interesante. Este cardán está unido por cojinetes de bolas similares a otro cardán que es un poco más ancho, de modo que el cardán interior puede girar libremente dentro de los confines del cardán exterior. Los puntos de unión de los cardanes entre sí se encuentran a lo largo de una línea perpendicular al eje de rotación del disco central. Finalmente, el cardán externo se fija con más cojinetes de bolas de deslizamiento suave a un tercer aro, que sirve como marco del giroscopio.

La clave de la función del giroscopio es que los tres cardanes interconectados pero que giran independientemente permiten el movimiento en tres planos, o dimensiones. Si algo perturbara potencialmente el eje de rotación del eje interior, esta perturbación puede ser resistida simultáneamente en las tres dimensiones porque los cardanes «absorben» la fuerza de manera coordinada. Lo que ocurre esencialmente es que a medida que los dos anillos interiores giran en respuesta a cualquier perturbación que haya experimentado el giroscopio, sus respectivos ejes de rotación se encuentran dentro de un plano que permanece perpendicular al eje de rotación del eje. Si este plano no cambia, entonces tampoco lo hace la dirección del eje.

La física del giroscopio

El par es la fuerza aplicada sobre un eje de rotación en vez de en línea recta. Por lo tanto, tiene efectos sobre el movimiento de rotación en lugar de un movimiento lineal. En unidades estándar, es fuerza por el «brazo de palanca» (la distancia desde el centro de rotación real o hipotético; piense en el «radio»). Por lo tanto, tiene unidades de N⋅m.

Lo que un giroscopio en acción logra es una redistribución de los pares aplicados para que éstos no afecten el movimiento del eje central. Es vital señalar aquí que un giroscopio no está destinado a mantener algo en movimiento en línea recta; está destinado a mantener algo en movimiento con una velocidad de rotación constante. Si se piensa en ello, probablemente se puede imaginar que las naves espaciales que viajan a la luna o a destinos más distantes no van de un punto a otro, sino que utilizan la gravedad ejercida por diferentes cuerpos y viajan en trayectorias o curvas. El truco es asegurarse de que los parámetros de esta curva permanezcan constantes.

Se ha señalado anteriormente que el eje o disco que forma el centro del giroscopio tiende a ser pesado. También tiende a girar a velocidades extraordinarias – los giroscopios del Telescopio Hubble, por ejemplo, giran a 19.200 rotaciones por minuto, o 320 por segundo. En la superficie, parece absurdo que los científicos equipen un instrumento tan sensible con un componente imprudentemente libre (literalmente) en el centro del mismo. En lugar de eso, por supuesto, esto es estratégico. El impulso, en la física, es simplemente masa por velocidad. En consecuencia, el momento angular es inercia (una cantidad que incorpora la masa, como verás más adelante) por la velocidad angular. Como resultado, cuanto más rápido gire la rueda y mayor sea su inercia por medio de una mayor masa, mayor será el momento angular que posea el eje. Como resultado, los cardanes y los componentes del giroscopio exterior tienen una gran capacidad para silenciar los efectos del par externo antes de que ese par alcance niveles suficientes para interrumpir la orientación del eje en el espacio.

Cómo funciona un giroscopio

Los giróscopos pueden parecer que se comportan de una manera muy extraña, pero un estudio de su física subyacente muestra que reaccionan al mundo exterior de manera muy lógica y predecible. La clave para entender los giróscopos es entender el concepto de momento angular. Este es similar a su contraparte lineal pero con algunas diferencias notables.

El impulso lineal es bien entendido por la mayoría de la gente. Un objeto que se mueve tiende a seguir haciéndolo con la misma dirección y velocidad, a menos que lo haga una fuerza externa. Cuando esto ocurre, la velocidad o dirección cambia de forma intuitiva.

El momento angular es similar pero el vector que representa su dirección está alineado con el eje del espín. Cuando una fuerza actúa sobre un objeto que gira, actúa sobre este vector como lo haría en un caso lineal. La diferencia es que el cambio de momento resultante no es en la dirección de la fuerza sino en ángulos rectos tanto con ella como con el vector de momento.

Una gran explicación de cómo funcionan los giroscopios se puede encontrar en el siguiente vídeo:

Construcción de giroscopios

Cualquier objeto giratorio adquirirá características giroscópicas, pero el efecto se acentúa si el objeto se hace con más masa que se concentra más lejos del eje de giro. Esto le da al objeto giratorio un momento más angular. Los diseños de giroscopios más eficientes utilizan una masa más pesada y concentrada que se equilibra en torno a un punto de pivote de baja fricción.

Estabilidad

La principal cualidad de un giroscopio es que es estable. Una vez que un giroscopio es girado, tiende a permanecer en la misma orientación y cualquier fuerza aplicada para reorientar el eje de giro se encuentra con una fuerza resistiva. Esto se conoce como conservación del momento angular. Así como un coche que va a toda velocidad tiende a continuar su camino a menos que una fuerza abrumadora cambie su momento, un trompo intenta seguir girando con su eje orientado en la misma dirección.

Precesión

La característica más singular de un giroscopio es la precesión, que le da al dispositivo su aparente capacidad para desafiar la gravedad. El movimiento que contrarresta cualquier fuerza que intente realinear el eje de giro se dirige para que el giroscopio permanezca en posición vertical. En lugar de caer por la fuerza de la gravedad, se endereza moviéndose de lado.

La regla de la mano derecha

Los científicos tienden a usar lo que se llama la «regla de la mano derecha» para visualizar esto.

Para hacerlo, toma tu mano derecha y haz un ángulo recto. Luego puedes estirar los dedos a lo largo del radio de la rueda. Si enroscas el extremo de tus dedos en la dirección del giro, tu pulgar estará apuntando en la dirección del momento angular. Básicamente, el eje de la rueda será la dirección en la que toda la rueda giratoria «quiere» moverse.

Aplicaciones de los giroscopios

Los giróscopos se utilizan ampliamente como instrumentos en los dispositivos de referencia inercial. Se pueden encontrar en aviones, misiles y satélites. Los efectos giroscópicos también se encuentran en objetos más comunes. Son responsables de la estabilidad de una bicicleta en movimiento y de un yoyó giratorio.

El Mars Rover incluso tiene un conjunto de ellos. Proporcionan al Rover estabilidad y ayuda en la navegación. También tienen aplicaciones en aviones teledirigidos y helicópteros proporcionando estabilidad y ayudando con la navegación.

A pesar de su simplicidad en el diseño, se han convertido en piezas esenciales del equipo para cualquier cosa, desde un barco oceánico hasta el transbordador espacial y, por supuesto, los helicópteros.