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Qué son los giroscopios, cómo funcionan y su importancia


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

Los giroscopios están por todas partes en nuestro mundo moderno. Los encontrará en aviones, estaciones espaciales y cualquier cosa que gire.

Y son impresionantes.

Un avión típico a menudo tendrá una gama completa de ellos, incluida la brújula de suma importancia. La estación espacial Mir realmente usó 11 de ellos para mantenerlo orientado en relación con el sol, además el telescopio Hubble también tiene un lote de ellos.

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Aquí, echaremos un vistazo rápido a estos dispositivos peculiares y su importancia para nuestro mundo moderno.

¿Cuál es la definición de giroscopio?

Según el diccionario inglés de Oxford, un giroscopio es un "dispositivo que consiste en una rueda o un disco montado de modo que pueda girar rápidamente alrededor de un eje que puede cambiar libremente de dirección. La orientación del eje no se ve afectada por la inclinación de el montaje ".

Si bien esta definición es excelente, realmente no explica cómo funcionan o por qué son tan importantes (dado que hemos recortado un poco la definición). Primero, echemos un vistazo a su "comportamiento extraño".

Trucos del oficio

Los giroscopios, en su forma más básica, son una rueda / disco giratorio sobre un eje. También se montarán ejemplos más complejos sobre un marco de metal, o un conjunto de marcos o cardanes móviles o inmóviles para una mayor precisión del aparato.

Aunque parecen simples objetos en la superficie, pueden realizar algunos trucos muy extraños.

Cuando la rueda no está girando, los giroscopios son pisapapeles sobre-diseñados. Si intentas levantar uno, simplemente se caerá, obviamente.

¿Pero pensamos que podrían desafiar la gravedad? Espéralo, haz girar la rueda y observa cómo ocurre la magia.

¿Quizás jugaste con giroscopios cuando eras niño? ¿Quizás tienes un fidget spinner? Si es así, recordará cómo pueden realizar muchos trucos interesantes. Puede equilibrar uno con una cuerda o con su dedo mientras está en movimiento, por ejemplo.

Otra propiedad notable de ellos, si alguna vez ha tenido uno, es que intentará resistir los intentos de mover su posición.

Incluso puede inclinarlo en ángulo cuando está suspendido de un soporte, y parecerá que levita, aunque esté en órbita alrededor del soporte. Aún más impresionante, puede levantar un giroscopio con un trozo de cuerda alrededor de un extremo.

¿Cómo funcionan los giroscopios?

La explicación de este fenómeno es difícil de entender intuitivamente. Su capacidad para desafiar aparentemente la gravedad es un producto del momento angular, influenciado por el torque en un disco, como la gravedad, para producir un precesión giroscópica del disco o rueda giratoria.

Este fenómeno también se conoce como movimiento giroscópico o fuerza giroscópica, y ha demostrado ser muy útil para nosotros los humanos. Estos términos se refieren a la tendencia de un objeto giratorio, no solo un giroscopio, a mantener la orientación de su rotación.

Como tal, el objeto giratorio posee un momento angular, como se mencionó anteriormente, y este debe conservarse. Debido a esto, el objeto giratorio tenderá a resistir cualquier cambio en su eje de rotación, ya que un cambio en la orientación resultará en un cambio en el momento angular.

Otro gran ejemplo de precesión ocurre también con el planeta Tierra. Como saben, el eje de rotación de la Tierra en realidad se encuentra en un ángulo con respecto a la vertical que, debido a su ángulo, traza un círculo a medida que gira el propio eje de rotación.

Si bien no es del todo relevante para este artículo, la razón de la extraña inclinación de la Tierra es bastante interesante.

Este efecto aumenta cuanto más rápido gira el disco o la rueda, como predice la Segunda Ley de Newton. Esto parece bastante obvio para cualquiera con conocimientos básicos de física.

La razón principal por la que parecen desafiar la gravedad es el par efectivo que se aplica al disco giratorio en su vector de momento angular. La influencia de la gravedad en el plano del disco giratorio hace que el eje de rotación se "desvíe".

Esto da como resultado que todo el eje de rotación encuentre un "término medio" entre la influencia de la gravedad y su propio vector de momento angular. Ahora, recuerde que algo en el camino impide que el aparato del giroscopio caiga hacia el centro de gravedad, como su mano, el marco / cardanes o una mesa, por ejemplo.

Ahora, tener en cuenta el hecho de que algo en el camino impide que el giroscopio caiga hacia el centro de gravedad conduce a las fascinantes propiedades que vemos en estos dispositivos.

Una imagen, bueno, un video, vale más que mil palabras, así que delegaremos una explicación más detallada al siguiente video:

Giroscopio vs acelerómetro: ¿Cuál es la diferencia entre los dos?

Para responder completamente a esta pregunta, debemos evaluar cómo funciona cada dispositivo. Dado que ya hemos cubierto el giroscopio con cierto detalle arriba, veamos qué es un acelerómetro y cómo funciona.

El diccionario Merriam Webster define un acelerómetro como "un instrumento para medir la aceleración o para detectar y medir vibraciones".

Genial, pero eso realmente no nos da mucha información. Los acelerómetros, en su sentido más básico, son dispositivos electromecánicos que miden las fuerzas de aceleración, de ahí el nombre.

Estas fuerzas pueden ser estáticas (como la gravedad) o dinámicas (causadas por el movimiento o la vibración del dispositivo). Hay varias formas de hacer un acelerómetro y la mayoría usa el efecto piezoeléctrico o la capacitancia de detección.

Los primeros tienden a consistir en estructuras cristalinas microscópicas que se estresan por las fuerzas aceleradoras y generan un voltaje a cambio. Este último hace uso de dos microestructuras colocadas una al lado de la otra.

Cada uno tiene una cierta capacitancia y, a medida que las fuerzas de aceleración mueven una de las estructuras, su capacitancia cambiará. Al agregar algunos circuitos para convertir de capacitancia en voltaje, obtendrá un pequeño acelerómetro muy útil.

Hay incluso más métodos, incluido el uso del efecto piezorresistivo, burbujas de aire caliente y luz, por nombrar solo algunos. Entonces, como puede ver, los acelerómetros y los giroscopios son bestias muy diferentes.

En esencia, la principal diferencia entre los dos es que uno puede sentir la rotación, mientras que el otro no. Dado que los giroscopios funcionan según el principio del momento angular, son perfectos para ayudar a indicar la orientación de un objeto en el espacio.

Los acelerómetros, por otro lado, solo pueden medir la aceleración lineal en función de la vibración.

Sin embargo, existen algunas variaciones de acelerómetro que también incorporan un giroscopio. Estos dispositivos consisten en un giroscopio con un peso en uno de sus ejes.

El dispositivo reaccionará a una fuerza generada por el peso cuando se acelera integrando esa fuerza para producir velocidad.

¿Qué son los giroscopios ópticos?

Otra forma de giroscopio es un giroscopio óptico. Este dispositivo no tiene partes móviles y se usa comúnmente en aviones comerciales modernos, cohetes impulsores y satélites en órbita.

Aprovechando algo llamado efecto Sagnac, estos dispositivos utilizan haces de luz para proporcionar una función similar a los giroscopios mecánicos. El efecto fue demostrado por primera vez en 1911 por Franz Harris, pero fue el científico francés Georges Sagnac quien identificó correctamente la causa.

Si un haz de luz se divide y se envía en dos direcciones opuestas alrededor de un camino cerrado en una plataforma giratoria con espejos en su perímetro, y luego los haces se recombinan, exhibirán efectos de interferencia. En 1913, Sagnac concluyó que la luz se propaga a una velocidad independiente de la velocidad de la fuente.

También descubrió que a pesar de que los dos rayos estaban dentro de un circuito cerrado, el rayo que viajaba en la misma dirección de rotación llegaba a su punto de partida un poco más tarde que el otro.

Según la Enciclopedia Británica, "como resultado, se detectó un patrón de" interferencia marginal "(bandas alternas de luz y oscuridad) que dependía de la velocidad precisa de rotación de la plataforma giratoria".

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 hacer esto, toma tu mano derecha y forma un ángulo recto. Luego, puede estirar los dedos a lo largo del radio de la rueda.

Si dobla la punta de sus dedos en la dirección del giro, su pulgar apuntará en la dirección del momento angular. Básicamente, el eje de la rueda será la dirección en la que toda la rueda giratoria "quiere" moverse.

Este video nos da una explicación bastante simple usando una rueda de bicicleta suspendida.

Aplicaciones de los giroscopios

Las interesantes propiedades de los giroscopios han proporcionado a científicos e ingenieros algunas aplicaciones fascinantes. Su capacidad para mantener una orientación particular en el espacio es fantástica para algunas aplicaciones.

Dale una palmada a algunos sensores y tendrás una receta para la utilidad. Con eso en mente, aquí hay algunos buenos ejemplos del uso de giroscopios en nuestro mundo moderno.

1. Encontrarás muchos giroscopios en aviones.

En las aeronaves modernas, los sistemas de guía inercial hacen un buen uso de estos dispositivos relativamente simples. Tienen un conjunto de giroscopios giratorios para monitorear y controlar la orientación de la aeronave en vuelo. Los giroscopios giratorios se guardan en jaulas especiales que les permiten mantener su orientación, independientemente de la orientación de la aeronave.

Las jaulas del giroscopio tienen contactos eléctricos y sensores que pueden transmitir información al piloto cada vez que el avión rueda o cabecea. Esto permite que el piloto y los sistemas de guía "conozcan" la orientación relativa actual del avión en el espacio.

2. El Mars Rover también tiene un par de giroscopios

El Mars Rover también tiene un juego de giroscopios. Proporcionan estabilidad al Rover y le ayudan a navegar. También tienen aplicaciones en aviones no tripulados y helicópteros, para proporcionar estabilidad y ayudar con la navegación.

3. Los misiles balísticos y de crucero también utilizan giroscopios

Otra aplicación interesante de los giroscopios es para los sistemas de guiado de misiles balísticos y de crucero. Usados ​​para dirigir y corregir automáticamente el balanceo, cabeceo y guiñada, los sensores de giroscopios se han utilizado para este propósito desde los misiles alemanes V-1 y V-2 de la Segunda Guerra Mundial.

Normalmente, los misiles llevarán al menos dos giroscopios para este propósito, y cada giroscopio proporcionará una línea de referencia fija a partir de la cual se pueden calcular las desviaciones. Una referencia tiende a incluir el eje de giro de un giroscopio vertical.

A partir de este eje, se pueden medir fácilmente las desviaciones de cabeceo, balanceo y guiñada. Los giroscopios también se abrieron camino en estabilizadores de mira, miras de bombas y plataformas para transportar armas y sistemas de radar a bordo de buques de guerra.

4. Los giroscopios también se pueden encontrar en naves espaciales orbitales.

Otra aplicación interesante de los giroscopios es para los sistemas de guía inercial de naves espaciales orbitales. Una embarcación tan pequeña requiere un alto grado de precisión en lo que respecta a la estabilización, y los giroscopios son prácticamente perfectos para el trabajo.

Hay algunos dispositivos más grandes y pesados, llamados ruedas de impulso o ruedas de reacción, que también se emplean para los controles de altitud de algunos satélites más grandes.

5. Parte de Star Wars: El retorno del Jedi se filmó con giroscopios.

Se utilizó un dispositivo llamado "Steadicam" para filmar ciertas escenas de la película. Star Wars: El regreso del Jedi (así como en muchas otras películas). Este dispositivo, utilizado junto con varios giroscopios, mantuvo la cámara estable al filmar las tomas de fondo de la famosa persecución en moto deslizadora en Endor.

Inventado por Garrett Brown, operó la plataforma para caminar a través de un bosque de secuoyas con la cámara en un cuadro por segundo. Cuando el metraje se aceleró hasta 24 cuadros por segundo, daba la impresión de un viaje a alta velocidad a través de los árboles.

Hoy en día, los descendientes de Steadicam son una característica común de muchas producciones cinematográficas.

6. Es posible que tu teléfono también tenga uno

Los giroscopios también se han abierto camino en varios productos de consumo durante los últimos años. Incluirlos dentro de los dispositivos portátiles, como los teléfonos inteligentes, permite una forma muy precisa de determinar el movimiento en un espacio 3D.

Los giroscopios se combinan normalmente con acelerómetros en los teléfonos inteligentes modernos para proporcionar una excelente detección direccional y de movimiento. Ejemplos notables incluyen el Samsung Galaxy Note 4, HTC Titan, iPhone 5s, etc.

Las consolas de juegos modernas también tienden a incluir algún tipo de giroscopio. Desde el mando de Wii hasta varios periféricos de Playstation 3 y 4, los giroscopios han abierto una forma completamente nueva de jugar juegos de computadora.

7. Para que no olvidemos los drones

Sin embargo, otra aplicación interesante de los giroscopios en nuestra vida cotidiana son los drones. Para que estos dispositivos vuelen perfectamente se requieren giroscopios, entre otros dispositivos, para poder flotar y volar nivelados.

Los drones comerciales modernos tienden a utilizar estabilizadores giroscópicos de tres y seis ejes para proporcionar información de navegación al controlador de vuelo, lo que hace que volar sea más fácil y seguro.

Y eso es todo amigos.

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

En general, los giroscopios son bastante increíbles, incluso si no te das cuenta de que están ahí. Es sorprendente pensar que un dispositivo tan simple puede tener aplicaciones tan interesantes y variadas.

Si bien son dispositivos relativamente simples, tienen propiedades fantásticas que los científicos e ingenieros han explotado para hacer que nuestro mundo sea un poco mejor.

Si este artículo ha despertado su imaginación y quiere su propio giroscopio, hay muchos minoristas en línea para elegir. ¿Cómo diablos podrías negarte?


Ver el vídeo: 10 Trucos con el Giroscopio o Giróscopo. ASMR (Diciembre 2021).