Giroscopis, dispositius de dansa equilibrada
2007/07/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Sembla ser que caminar amb bicicleta és una competició contra la gravetat, estant sobre dues rodes, com no cau el ciclista? La resposta consisteix en la manipulació del manillar. Inclinant el manillar, el ciclista és capaç de crear una força centrífuga que mantingui a la bicicleta dempeus. Però no sols això, les rodes reben un altre efecte addicional pel simple gir.
És un efecte giroscòpic: l'eix d'un cos en rotació tendeix a no moure's. En empènyer l'eix de gir, aquest s'oposa a l'impuls i el que gira no canvia de posició. En el cas de la bicicleta, la gravetat tira de l'eix de les rodes cap avall, però l'eix s'oposa.
Com més ràpid gira, més fort és l'efecte giroscòpic. I viceversa. Les rodes de la bicicleta, per exemple, no giren molt ràpid, almenys tan ràpid com l'efecte giroscòpic s'oposa a la gravetat. Les rodes d'un motor són giróscopos eficients. Quan el conductor s'inclina el motor pren la corba, però les dues rodes que té en la part inferior no li deixen caure.
Tot el que gira
Les rodes no són l'únic exemple. Tot el que gira és un giróscopo perquè funciona sota l'efecte giroscòpic. Un planeta, una baldufa, una pilota o una gimnasta sobre gel. Si gira es converteix en un giróscopo.
L'efecte giroscòpic és fàcilment visible en el disc anomenat freesbie, que si es dispara girant vola sense canviar l'orientació de l'eix de rotació. El vol d'un bumerang té el mateix efecte, però com no té forma de disc i en llançar-se se li produeix una rotació molt asimètrica, no vola de la mateixa manera. En definitiva, l'eix d'un bumerang no aconsegueix equilibrar totalment la força exterior i canvia l'orientació durant el vol (per això torna al llançador, entre altres coses).
El moviment que realitza l'eix de rotació del Bumerana es diu en física: la precesión. És com una dansa, el giróscopo gira i alhora gira l'eix de gir. A més dels bumerans, molts giroscopis realitzen aquesta dansa. Per exemple, l'eix de rotació de la Terra és el que té la precesión i, per a donar un exemple més pròxim, el moviment de precesión el realitza una joguina infantil, la baldufa. En tots els exemples, l'eix no pot resistir totalment la força externa i l'orientació de l'eix canvia en un cercle. La precesión sembla un moviment que fuig del control, però aprofita per a aprofitar les aplicacions més interessants dels giróscopos.
Precesión baix control
Com controlar la precesión? Senzill, mantenint l'eix. N'hi ha prou amb mantenir fix l'eix o instal·lar el giróscopo en un sistema de cardan. (Es diu cardan a l'arc que gira en una direcció). Fixant l'eix d'un giróscopo, no podrà seguir la precesión. Atès que l'eix tendeix a no canviar l'orientació, la qual cosa es manté també es manté.
Pot ser tot un vaixell, amb un giróscopo molt gran. Aquesta idea es va utilitzar com a cor del sistema antiembalsamiento dels vaixells --i patentat-, XX. el primer quart del segle XX. Les ones indueixen als vaixells a balancejar-se a un costat i a un altre, però a través d'un giróscopo gegant unit a banda i banda del casc, l'efecte giroscòpic pot reduir aquest balanceig. Posteriorment, es van inventar altres sistemes per a frenar el balanceig, basats en tancs de líquid o gas, que van superar la necessitat que el giróscopo gegant hagués de girar. Però un gran giróscopo estabilitza molt el balanceig d'un vaixell.
En un tren d'un sol carril l'efecte és el mateix. No obstant això, en inclinar-se el tren en les corbes, s'han utilitzat diferents sistemes de giróscopo per a controlar l'angle d'inclinació.
Guies rotatives
Els gegantescos giróscopos van portar noves idees a la indústria dels vehicles, que van ser provats no sols en les barques i als trens, sinó també en altres vehicles. Però el veritable èxit el van tenir els giroscopis petits. Per la seva petita grandària no es podien utilitzar per a estabilitzar tot el vehicle, però van resultar excepcionals per a guiar la navegació. En l'actualitat, la majoria dels sistemes de navegació estan basats en giróscopos.
El pilot automàtic d'avions és un bon exemple. L'objectiu principal d'un pilot automàtic és mantenir l'avió en horitzontal i en equilibri mitjançant una línia d'horitzó artificial. I què millor que un giróscopo per a ser el cor de la línia artificial d'horitzó?
Quan gira, el giróscopo no canvia l'orientació de l'eix, fins i tot quan està dins d'un avió. Per tant, quan l'avió s'inclina, el giróscopo no li segueix. Si al principi estava vertical respecte a la terra, quan l'avió s'inclina també estarà vertical respecte a la terra. Vist des del lloc del pilot, el giróscopo sempre es mourà amb la línia d'horitzó. L'única cosa que ha de fer el pilot automàtic és accionar el sistema de navegació perquè l'avió estigui en tot moment alineat amb el giróscopo. És a dir, el giróscopo informa contínuament el sistema de l'horitzontalitat.
A dalt i a baix
És molt útil saber què hi ha horitzontal, quina vertical, cap a on va "a dalt" i cap a on "a baix". Una màquina que ho sàpiga no caurà si no intencionadament transmetent la informació al sistema de propulsió.
Un robot de dues potes no perdrà l'equilibri, ni un vehicle modern anomenat segway, en el qual una persona estigui damunt (encara que això suposi un canvi de pes! ). Un satèl·lit artificial, l'estació ISS i el telescopi Hubble podran reorientar-se segons les necessitats.
En general, qualsevol instrument que es mou en tres dimensions es beneficiarà d'un sistema de giróscopos. Els giroscopis s'utilitzen amb ulleres per a treballar amb realitat virtual. També els controladors dels jocs Wii que s'han posat de moda, i els ratolins d'ordinador Mouse, un ratolí que funciona sense tocar superfície. Tots ells, i molts altres invents, estan proveïts de giroscopi.
Els vehicles tradicionals van ser els primers a explotar dispositius rotatius. Ara, vehicles moderns, robots, ratolins, etc. És clar que la 'domesticació' del giróscopo ha suposat una revolució semi-silenciosa en la tecnologia. L'home s'ha beneficiat molt, potser perquè l'home viu en un gran giróscopo.
