El giroscopio, a menudo llamado simplemente giroscopio (que no debe confundirse con la envoltura de comida griega), no recibe mucha prensa. Pero sin esta maravilla de la ingeniería, el mundo, y en particular, la exploración de otros mundos por parte de la humanidad, sería fundamentalmente diferente. Los giroscopios son indispensables en cohetería y aeronáutica, y como beneficio adicional, un simple giroscopio es un gran juguete para niños.
Un giroscopio, aunque es una máquina con muchas partes móviles, es en realidad un sensor. Su propósito es mantener estable el movimiento de una parte giratoria en el centro del giroscopio frente a cambios en las fuerzas impuestas por el entorno externo del giroscopio. Están construidos de manera que estos cambios externos sean contrarrestados por movimientos de las partes del giroscopio que siempre se oponen al cambio impuesto. Esto no es diferente de la forma en que una puerta con resorte o una trampa para ratones se opondrán a sus intentos de abrirla, con más fuerza si aumentan sus propios esfuerzos. Sin embargo, un giroscopio es mucho más complejo que un resorte.
¿Por qué se inclina hacia la izquierda cuando un automóvil gira a la derecha?
¿Qué significa experimentar una "fuerza exterior", es decir, estar sometido a una nueva fuerza cuando nada nuevo te toca realmente? Considere lo que sucede cuando está en el asiento del pasajero de un automóvil que ha estado viajando en línea recta a una velocidad constante. Debido a que el automóvil no acelera ni desacelera, su cuerpo no experimenta una aceleración lineal, y debido a que el automóvil no gira, usted no experimenta una aceleración angular. Debido a que la fuerza es el producto de la masa y la aceleración, no experimenta fuerza neta en estas condiciones, incluso si se mueve a una velocidad de 200 millas por hora. Esto está de acuerdo con la primera ley de movimiento de Newton, que establece que un objeto en reposo permanecerá en reposo a menos que actúe sobre él un exterior. fuerza, y también que un objeto que se mueve a velocidad constante en la misma dirección continuará a lo largo de su trayectoria exacta a menos que esté sujeto a una fuerza.
Sin embargo, cuando el automóvil gira a la derecha, a menos que usted haga un esfuerzo físico para contrarrestar la introducción repentina de aceleración angular en su viaje en automóvil, se volcará hacia el conductor a su izquierda. Ha pasado de experimentar ninguna fuerza neta a experimentar una fuerza que apunta directamente desde el centro del círculo que el automóvil acaba de comenzar a trazar. Debido a que los giros más cortos dan como resultado una mayor aceleración angular a una velocidad lineal dada, su tendencia a inclinarse hacia la izquierda es más pronunciada cuando su conductor hace un giro brusco.
Su propia práctica socialmente arraigada de aplicar el esfuerzo anti-inclinación suficiente para mantenerse en el La misma posición en su asiento es análoga a lo que hacen los giroscopios, aunque de una manera mucho más compleja y efectiva. camino.
El origen del giroscopio
El giroscopio se remonta formalmente a mediados del siglo XIX y al físico francés Leon Foucault. Foucault es quizás más conocido por el péndulo que lleva su nombre e hizo la mayor parte de su trabajo en óptica, pero se le ocurrió un dispositivo que solía Demostrar la rotación de la Tierra descubriendo una manera de, en efecto, cancelar o aislar los efectos de la gravedad en las partes más internas de la Tierra. dispositivo. Por lo tanto, significaba que cualquier cambio en el eje de rotación de la rueda del giroscopio durante el tiempo que estaba girando tenía que haber sido impartido por la rotación de la Tierra. Así se desarrolló el primer uso formal de un giroscopio.
¿Qué son los giroscopios?
El principio básico de un giroscopio se puede ilustrar utilizando una rueda de bicicleta giratoria de forma aislada. Si sostuviera la rueda a cada lado por un eje corto colocado en el medio de la rueda (como un bolígrafo) y alguien girara la rueda mientras sostenía Si trata de inclinar la rueda hacia un lado, notará que no irá en esa dirección con tanta facilidad como lo haría si no estuviera girando. Esto es válido para cualquier dirección que elija y no importa qué tan repentinamente se introduzca el movimiento.
Quizás sea más fácil describir las partes de un giroscopio desde el más interno hasta el más externo. Primero, en el centro hay un eje o disco giratorio (y cuando lo piensas, 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 mediante rodamientos de bolas casi sin fricción a un aro circular, llamado cardán. Aquí es donde la historia se vuelve extraña y muy interesante. Este cardán está unido por rodamientos de bolas similares a otro cardán que es solo un poquito más ancho, de modo que el cardán interno puede girar libremente dentro de los límites del cardán exterior. Los puntos de unión de los cardanes entre sí están a lo largo de una línea perpendicular al eje de rotación del disco central. Finalmente, el cardán exterior está unido por rodamientos de bolas de deslizamiento aún más suave a un tercer aro, este sirve como marco del giroscopio.
(Debería consultar un diagrama de un giroscopio o ver los videos cortos en los Recursos si aún no lo ha hecho; de lo contrario, ¡todo esto es casi imposible de visualizar!)
La clave de la función del giroscopio es que los tres cardanes giratorios interconectados pero independientes permiten el movimiento en tres planos o dimensiones. Si algo perturbara potencialmente el eje de rotación del eje interior, esta perturbación puede ser resistido simultáneamente en las tres dimensiones porque los cardanes "absorben" la fuerza en un coordinado camino. Lo que esencialmente sucede es que cuando los dos anillos internos giran en respuesta a cualquier perturbación que tenga el giroscopio experimentado, sus respectivos ejes de rotación se encuentran dentro de un plano que permanece perpendicular al eje de rotación de la eje. Si este plano no cambia, tampoco cambia la dirección del eje.
La física del giroscopio
El par es la fuerza aplicada alrededor de un eje de rotación en lugar de en línea recta. Por tanto, tiene efectos sobre el movimiento de rotación más que sobre el movimiento lineal. En unidades estándar, es la fuerza multiplicada por el "brazo de palanca" (la distancia desde el centro de rotación real o hipotético; piensa en "radio"). Por tanto, tiene unidades de N⋅m.
Lo que logra un giroscopio en acción es una redistribución de los pares aplicados para que estos no afecten el movimiento del eje central. Es vital señalar aquí que un giroscopio no está diseñado para mantener algo en movimiento en línea recta; está destinado a mantener algo en movimiento con velocidad de rotación constante. Si lo piensa, probablemente pueda imaginarse que las naves espaciales que viajan a la luna oa destinos más distantes no van de un punto a otro; más bien, hacen uso de la gravedad ejercida por diferentes cuerpos y viajan en trayectorias o curvas. El truco consiste en asegurarse de que los parámetros de esta curva permanezcan constantes.
Se señaló 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 equiparan un instrumento tan sensible con un componente (literalmente) imprudente y libre en el medio. En cambio, por supuesto, esto es estratégico. El momento, en física, es simplemente masa multiplicada por velocidad. En consecuencia, el momento angular es inercia (una cantidad que incorpora masa, como verá a continuación) multiplicada por la velocidad angular. Como resultado, cuanto más rápido gira la rueda y mayor es su inercia en forma de mayor masa, más momento angular posee el eje. Como resultado, los cardanes y los componentes del giroscopio exterior tienen una alta capacidad para silenciar los efectos. de par externo antes de que ese par alcance niveles suficientes para interrumpir la orientación del eje en espacio.
Un ejemplo de giroscopios de élite: el telescopio Hubble
El famoso telescopio Hubble contiene seis giroscopios diferentes para su navegación, y estos deben ser reemplazados periódicamente. La asombrosa velocidad de rotación de su rotor implica que los rodamientos de bolas son poco prácticos o imposibles para este calibre de giroscopio. En cambio, el Hubble hace uso de giroscopios que contienen cojinetes de gas, que ofrecen una experiencia de rotación realmente sin fricción tan cercana como cualquier cosa construida por humanos puede presumir.
Por qué la primera ley de Newton a veces se denomina "ley de inercia"
La inercia es una resistencia al cambio de velocidad y dirección, sean las que sean. Esta es la versión laica de la declaración formal establecida por Isaac Newton hace siglos.
En el lenguaje cotidiano, "inercia" generalmente se refiere a una renuencia a moverse, como, "Iba a cortar el césped, pero la inercia me mantuvo clavado en el sofá". Podría ser Sin embargo, es extraño ver a alguien que acaba de llegar al final de un maratón de 42 kilómetros rehusarse a detenerse debido a los efectos de la inercia, aunque desde el punto de vista de la física. El uso del término aquí sería igualmente permisible: si el corredor continuara corriendo en la misma dirección y a la misma velocidad, técnicamente eso sería inercia en trabaja. Y puedes imaginar situaciones en las que las personas dicen que no dejaron de hacer algo como resultado de la inercia, como "Iba a dejar el casino, pero la inercia me mantuvo yendo de mesa en mesa ". (En este caso," impulso "podría ser mejor, pero solo si el jugador está ¡victorioso!)
¿Es la inercia una fuerza?
La ecuación del momento angular es:
L = Iω
Donde L tiene unidades de kg ⋅ m2/s. Dado que las unidades de velocidad angular, ω, son segundos recíprocos, o s-1, I, la inercia, tiene unidades de kg ⋅ m2. La unidad estándar de fuerza, el newton, se descompone en kg ⋅ m / s2. Por tanto, la inercia no es una fuerza. Esto no ha impedido que la frase "fuerza de inercia" entre en la lengua vernácula dominante, como sucede con otras cosas que "se sienten" como fuerzas (la presión es un buen ejemplo).
Nota al margen: si bien la masa no es una fuerza, el peso es una fuerza a pesar de que los dos términos se usan indistintamente en entornos cotidianos. Esto se debe a que el peso es una función de la gravedad, y dado que pocas personas abandonan la Tierra por mucho tiempo, los pesos de los objetos en la Tierra son efectivamente constantes al igual que sus masas son literalmente constantes.
¿Qué mide un acelerómetro?
Un acelerómetro, como su nombre lo indica, mide la aceleración, pero solo la aceleración lineal. Esto significa que estos dispositivos no son especialmente útiles en muchas aplicaciones de giroscopios tridimensionales, aunque son útil en situaciones en las que se puede considerar que la dirección del movimiento ocurre en una sola dimensión (por ejemplo, un ascensor típico).
Un acelerómetro es un tipo de sensor inercial. Un giroscopio es otro, excepto que el giroscopio mide la aceleración angular. Y, aunque fuera del alcance de este tema, un magnetómetro es un tercer tipo de sensor inercial, este se usa para campos magnéticos. Los productos de realidad virtual (VR) incorporan estos sensores inerciales en combinación para producir experiencias más sólidas y realistas para los usuarios.