¿Qué es un giroscopio?
Un giroscopio es un instrumento que sirve para mantener o conservar la orientación y la velocidad angular de un objeto. Para ello, utiliza el principio de conservación de la orientación del momento cinético. Dotado de un disco de rotación libre, el giroscopio es capaz de adoptar todas las orientaciones posibles sin que varíe su eje de rotación.
De hecho, cuando el disco giratorio de un giroscopio gira, el eje de rotación del instrumento permanece estable, incluso sobre un soporte inclinado. A medida que el disco gana velocidad, el momento cinético también aumenta, estabilizando así el giroscopio y el objeto en el que está contenido.
El movimiento de precesión
En plena rotación, si se ejerciera una fuerza sobre el eje, el giroscopio entraría en desequilibrio. El eje se desplaza más lentamente siguiendo un movimiento cónico denominado movimiento de precesión. El giroscopio sigue girando, pero no se cae.
El giroscopio y el movimiento cinético
En física y mecánica clásica, el giroscopio y el movimiento cinético son inseparables. Si el primero designa un mecanismo de observación de la rotación y la posición angular, el segundo es una magnitud vectorial utilizada para conservar dicha rotación. Descubre aquí todo lo que hay que saber sobre el giroscopio y el momento cinético.
El momento cinético
También denominado momento angular, el momento cinético es una magnitud vectorial que toma la misma dirección y el mismo sentido que la velocidad angular. Para que esto sea posible, es necesario que el eje de rotación del objeto sea también su eje de simetría.
Desde un punto material M hasta un punto O, el momento cinético es igual al momento del momento cinético con respecto al punto O, según Wikipedia. Cuando el momento cinético no varía, el eje de rotación permanece estable. Se trata de la conservación del momento cinético o del efecto giroscópico.
El efecto giroscópico
Para comprender este mecanismo de forma práctica, coge una rueda de bicicleta. Sujétala con el brazo extendido por las tuercas del buje. Pide a alguien que haga girar la rueda rápidamente. Si intentas inclinarte hacia la rueda en rotación, notarás una resistencia. Es la conservación del momento de rotación la que se opone a este movimiento. Es elefecto giroscópico el que permite mantener esta rueda en equilibrio. Es importante señalar que el efecto giroscópico aumenta con la velocidad de rotación.
Historia del giroscopio
El primer giroscopio de tres ejes fue inventado por Léon Foucault en 1852. Este último es conocido por haber creado el péndulo de Foucault. Durante un experimento relacionado con la rotación de la Tierra, Foucault se dio cuenta de que su péndulo giraba lentamente en comparación con la rotación de la Tierra. Este experimento le llevó a diseñar un instrumento capaz de mantener una rotación rápida durante un tiempo considerable. Junto con su colaborador Forment, creó el giroscopio. También se dio cuenta de que este nuevo instrumento era capaz de indicar el norte y alinearse con el meridiano. Lo denominó brújula giroscópica.
A partir de finales del siglo XIX, aparecieron los primeros giroscopios motorizados. Las brújulas giroscópicas se utilizan ahora para indicar el norte geográfico y no el norte magnético. Estas últimas sustituyeron también a las brújulas de los barcos. A partir del siglo XX, las brújulas giroscópicas se incorporaron al armamento militar.
Hoy en día, los giroscopios también se utilizan para mantener la estabilidad de los dispositivos electrónicos. Ahora se encuentran en relojes, pero también en smartphones, donde adoptan la forma de microsistemas electromecánicos inerciales.
Los componentes de un giroscopio
Un giroscopio mecánico se compone esencialmente de los siguientes elementos:
- Un disco giratorio en el centro. En el centro de este disco se encuentra el centro de gravedad del giroscopio; sin él, el instrumento no puede funcionar.
- Un eje de rotación que pasa por el centro del disco y apunta en cualquier dirección.
- Tres cardanes (soporte giratorio que permite que un objeto gire alrededor de un único eje) que permiten disponer de un giroscopio de tres ejes:
- Un primero fijado al eje mediante rodamientos de bolas.
- Un segundo fijado al eje interior
- Un tercero fijado al bastidor exterior
Usos del giroscopio
Hoy en día, el giroscopio se utiliza en varios campos distintos de la física, así como en numerosos sectores (industria, aviación, petrolero, etc.). Se utiliza en:
- El guiado de torpedos y misiles
- La coordinación o indicación de giros en un avión
- La fabricación de ciertos objetos antiestrés, como peonzas, yoyós, vortecons o spinners
- La estabilización de la cámara durante la grabación de un objeto en movimiento
- La construcción de motocicletas, bicicletas o vehículos de dos ruedas en equilibrio
- La construcción de helicópteros teledirigidos, y muchas otras cosas
Por otra parte, este instrumento también se utiliza en estaciones espaciales, a bordo del telescopio espacial Hubble y en otros ámbitos reservados a los expertos en física.