Giroscopios, dispositivos de danza equilibrada

Roa Zubia, Guillermo

Elhuyar Zientzia

Calquera dispositivo que vira pode ter un comportamento admirable. Parece maxia, pero non é, é una actitude contraria ao que manda o instinto. A tecnoloxía aproveita este comportamento. O mundo dos dispositivos rotativos --giroscopios - cobrou gran importancia. Os giróscopos rodéanche e, con todo, case quedaron en silencio, queres coñecelos?
Giroscopios, dispositivos de danza equilibrada
01/07/2007 | Roia Zubia, Guillermo | Elhuyar Zientzia Komunikazioa
(Foto: A. Hart-Davis)

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 dun motor son giróscopos eficientes. Cando o condutor colle a curva, as rodas non lle deixan caer.
TT Assen

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

Girobus: autobús propulsado por un giróscopo. Foi utilizada en Suíza nos anos 50, pero non era fácil de conducir.
Museudantu

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

Liña artificial de horizonte dun avión. Estes sistemas están baseados en giróscopos.
Wikimedia

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.

Vehículo Segway.
G. Roia

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.

Gravidade ambiental
En decembro de 1989, baseándose nunha vella idea, publicaron o resultado dun curioso experimento na revista Physical Review Letters: un giroscopio perdía 12 miligramos ao virar.
O artigo suscitou un gran debate. Era certo? Pódese producir gravidade "negativa" mediante un giróscopo? Á idea chamóuselle ambientalidad, pero parece que é un fenómeno moi incerto. Posteriormente, ninguén puido repetir con éxito o experimento, incluso algúns físicos explicáronlle o fenómeno: o resultado puido ser producido pola propia vibración do giróscopo. Iso si, algúns afeccionados aos obxectos voadores defenderon o novo concepto. Din que os pratos voadores aproveitan a ambientalidad paira voar. Con todo, a comunidade científica actual descartou esta idea.
Non cae!
É difícil facer caer un giróscopo rápido. Pero por que? Pois porque ten una especie de inercia. En física esta inercia chámase momento angular e, segundo unha lei universal, consérvase. Isto significa que se conserva a velocidade de xiro e con iso a orientación do eixo. A única forza que pode actuar contra esta inercia é una forza externa (moitas veces é una fricción no mundo real).
O giróscopo loita contra esta forza. Ese é o segredo da estabilidade: distribúe a forza que recibe en 360 graos por toda a contorna. En repouso empúxase e cae ao eixo, pero ao virar reparte a forza que se exerce sobre el. Una explicación xeométrica é suficiente paira comprendela. Pódese ver no seguinte gráfico.
En lugar de representar un giróscopo ríxido, basta con debuxar catro masas unidas ao eixo. Ao empuxar o eixo cara ao lado da masa C, a masa A recibe un empuxe cara arriba e a masa C cara abaixo (Figura 1). Cando vira 90 graos (Figura 2), o movemento ascendente da masa A empuxará ao eixo cara á dereita. Ao mesmo tempo, a masa D recibirá un empuxe exterior ascendente. As masas A e C virarán 90 graos máis (Figura 3) e resistirán a forza inicial.
En definitiva, a forza exercida sobre o eixo distribuirase ao longo de toda a xira, xerando a precesión (movemento do eixo). Se a rotación é moi rápida, a precesión será moi baixa, é dicir, o giróscopo tende a manterse de pé.
(Foto: G. Roia)
Ponte Roia, Guillermo
Servizos
233
2007
Outros
034
Tecnoloxía
Artigo
Servizos
Babesleak
Eusko Jaurlaritzako Industria, Merkataritza eta Turismo Saila