Giroscopios, dispositivos de danza equilibrada
2007/07/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Parece ser que andar en bicicleta é una competición contra a gravidade, estando sobre dúas rodas, como non cae o ciclista? A resposta consiste na manipulación do manillar. Inclinando o manillar, o ciclista é capaz de crear una forza centrífuga que manteña á bicicleta de pé. Pero non só iso, as rodas reciben outro efecto adicional polo simple xiro.
É un efecto giroscópico: o eixo dun corpo en rotación tende a non moverse. Ao empuxar o eixo de xiro, este oponse ao impulso e o que vira non cambia de posición. No caso da bicicleta, a gravidade tira do eixo das rodas cara abaixo, pero o eixo oponse.
Canto máis rápido xira, máis forte é o efecto giroscópico. E viceversa. As rodas da bicicleta, por exemplo, non viran moi rápido, polo menos tan rápido como o efecto giroscópico oponse á gravidade. As rodas dun motor son giróscopos eficientes. Cando o condutor inclínase o motor toma a curva, pero as dúas rodas que ten na parte inferior non lle deixan caer.
Todo o que vira
As rodas non son o único exemplo. Todo o que vira é un giróscopo porque funciona baixo o efecto giroscópico. Un planeta, una peonza, una pelota ou una ximnasta sobre xeo. Se xira convértese nun giróscopo.
O efecto giroscópico é facilmente visible no disco chamado freesbie, que se se dispara virando voa sen cambiar a orientación do eixo de rotación. O voo dun bumerán ten o mesmo efecto, pero como non ten forma de disco e ao lanzarse prodúceselle una rotación moi asimétrica, non voa da mesma maneira. En definitiva, o eixo dun bumerán non consegue equilibrar totalmente a forza exterior e cambia a orientación durante o voo (por iso volve ao lanzador, entre outras cousas).
O movemento que realiza o eixo de rotación do Bumerana chámase en física: a precesión. É como una danza, o giróscopo xira e á vez vira o eixo de xiro. Ademais dos bumerans, moitos giroscopios realizan esta danza. Por exemplo, o eixo de rotación da Terra é o que ten a precesión e, paira dar un exemplo máis próximo, o movemento de precesión realízao un xoguete infantil, a peonza. En todos os exemplos, o eixo non pode resistir totalmente a forza externa e a orientación do eixo cambia nun círculo. A precesión parece un movemento que foxe do control, pero aproveita paira aproveitar as aplicacións máis interesantes dos giróscopos.
Precesión baixo control
Como controlar a precesión? Sinxelo, mantendo o eixo. Basta con manter fixo o eixo ou instalar o giróscopo nun sistema de cardan. (Chámase cardan ao arco que vira nunha dirección). Fixando o eixo dun giróscopo, non poderá seguir a precesión. Dado que o eixo tende a non cambiar a orientación, o que se mantén tamén se mantén.
Pode ser todo un barco, cun giróscopo moi grande. Esta idea utilizouse como corazón do sistema antiembalsamiento dos barcos --e patentado-, XX. o primeiro cuarto do século XX. As ondas inducen aos barcos a balancearse ao carón e a outro, pero a través dun giróscopo xigante unido a ambos os dous lados do casco, o efecto giroscópico pode reducir este abalo. Posteriormente, inventáronse outros sistemas paira frear o abalo, baseados en tanques de líquido ou gas, que superaron a necesidade de que o giróscopo xigante tivese que virar. Pero un gran giróscopo estabiliza moito o abalo dun barco.
Nun tren dun só carril o efecto é o mesmo. Con todo, ao inclinarse o tren nas curvas, utilizáronse distintos sistemas de giróscopo paira controlar o ángulo de inclinación.
Guías rotativas
Os xigantescos giróscopos trouxeron novas ideas á industria dos vehículos, que foron probados non só nas barcas e nos trens, senón tamén noutros vehículos. Pero o verdadeiro éxito tivérono os giroscopios pequenos. Polo seu pequeno tamaño non se podían utilizar paira estabilizar todo o vehículo, pero resultaron excepcionais paira guiar a navegación. Na actualidade, a maioría dos sistemas de navegación están baseados en giróscopos.
O piloto automático de avións é un bo exemplo. O obxectivo principal dun piloto automático é manter o avión en horizontal e en equilibrio mediante unha liña de horizonte artificial. E que mellor que un giróscopo paira ser o corazón da liña artificial de horizonte?
Cando xira, o giróscopo non cambia a orientación do eixo, mesmo cando está dentro dun avión. Por tanto, cando o avión inclínase, o giróscopo non lle segue. Se ao principio estaba vertical respecto da terra, cando o avión inclínase tamén estará vertical respecto da terra. Visto desde o lugar do piloto, o giróscopo sempre se moverá coa liña de horizonte. O único que debe facer o piloto automático é accionar o sistema de navegación para que o avión estea en todo momento aliñado co giróscopo. É dicir, o giróscopo informa continuamente ao sistema da horizontalidad.
Arriba e abaixo
É moi útil saber que hai horizontal, que vertical, cara a onde vai "arriba" e cara a onde "abaixo". Una máquina que o saiba non caerá si non intencionadamente transmitindo a información ao sistema de propulsión.
Un robot de dúas patas non perderá o equilibrio, nin un vehículo moderno chamado segway, no que una persoa estea encima (aínda que iso supoña un cambio de peso! ). Un satélite artificial, a estación ISS e o telescopio Hubble poderán reorientarse segundo as necesidades.
En xeral, calquera instrumento que se move en tres dimensións beneficiarase dun sistema de giróscopos. Os giroscopios utilízanse con lentes paira traballar con realidade virtual. Tamén os controladores dos xogos Wii que se puxeron de moda, e os ratos de ordenador Mouse, un rato que funciona sen tocar superficie. Todos eles, e moitos outros inventos, están provistos de giroscopio.
Os vehículos tradicionais foron os primeiros en explotar dispositivos rotativos. Agora, vehículos modernos, robots, ratos, etc. Está claro que a 'domesticación' do giróscopo supuxo una revolución semi-silenciosa na tecnoloxía. O home beneficiouse moito, quizá porque o home vive nun gran giróscopo.
