Giroscopios, dispositivos de danza equilibrada
2007/07/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
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 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
¿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
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.
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.
