EL Giroscopio

Introducción

El presente trabajo de investigación tiene como objetivo primordial dar a conocer e informar acerca de un componente electrónico el cual es muy usado en la actualidad, estamos hablando del giroscopio o también llamado giróscopo, dicho componente está equipado con diferentes elementos, entre los cuales cabe mencionar uno o varios brazos en constante vibración, un brazo de detección, un estator central fijo y sensores capaces de captar el movimiento en base a las fuerzas de Coriolis.      

Pero, ¿Qué función tienen estos elementos?... Pues al estar en constante vibración los brazos siempre en el mismo sentido, la velocidad angular que recibirá el giroscopio cuando lo movamos incidirá sobre los brazos, lo cual causará que alterne el sentido de la vibración. Todos estos cambios de movimiento por más mínimos que sean, son alojados por los sensores del giroscopio, los cuales serán capaces de traducir a impulsos eléctricos la rotación en el espacio.

Como ya lo mencioné, dicho componente electrónico es muy usado en la actualidad, incluso en estos momentos puede que lo estés usando. Por ejemplo cada vez que usas tu celular para poder jugar a la realidad aumentada, a la realidad virtual o hasta incluso para poder capturar un video en 360º, puede que te encuentres frente a un giroscopio, aunque en algunos equipos móviles solo se cuenta con el acelerómetro, el cual es también un dispositivo electrónico, muy similar al giroscopio, pero este mide el movimiento en forma lineal, mientras que el giroscopio nos permite hacer una rotación de 360º.

Por otro lado también es importante saber que los giroscopios no solamente sirven para equipos móviles, sino que también sirven para poder medir rotaciones a gran escala, como por ejemplo en el estudio de los movimientos de rotación y traslación de la tierra así como planetas y objetos en el espacio, este fue el primer uso que se le dio aun giroscopio.

El giroscopio al tener esta propiedad de poder mantener su inmovilidad del eje de rotación, ha  sido empleado en varios tipos de aplicaciones, de las cuales podemos destacar dos. En primer lugar, un giroscopio puede reemplazar a una brújula, así como también la aplicación de los giroscopios ha dado lugar a contrarrestar las oscilaciones naturales de las embarcaciones.

Descripción Física

Los giroscopios al tener varios componentes que cumplen diversas funciones son objetos muy interesantes debido a que parecen desafiar la gravedad. Además, en ellos actúan diversos fenómenos físicos, todo esto a causa de que el eje de rotación cambia de dirección en todo momento. Estas propiedades especiales de los giroscopios son muy importantes debido a que se aplican desde una bicicleta, hasta en un sistema de navegación avanzado como puede ser un transbordador espacial.

A continuación usaremos de referencia este modelo de giroscopio:

[pic 1]

Al aplicar distintos movimientos sobre este y si lo sostenemos con eje del volante horizontal y lo soltamos, cuando el volante no este girando sucederá que el extremo libre caerá debido a la fuerza de la gravedad. Por el contrario si el volante esta girando, se producirá  un movimiento circular uniforme del eje en el plano horizontal, lo cual estará sujeto con la rotación del volante alrededor del eje. A este movimiento de un eje no intuitivo se le denomina movimiento de precesión.

Para poder estudiar dicho fenómeno, se puede relacionar el momento de torsión neto que actúa sobre un cuerpo y la razón a la que varía el momento angular del cuerpo, lo cual estará dado por la siguiente ecuación:

             (1)[pic 2]

Cuando el volante gira alrededor de su eje de simetría, L está a lo largo del eje. Por esta razón cada cambio del momento angular dL es perpendicular al eje, porque el momento de torsión también lo es. Esto hace que también cambie la dirección de L, pero no su magnitud. [pic 3]

Los cambios dL siempre estarán en el plano horizontal x-y, así que el momento angular y el eje del volante con el que se mueve siempre son horizontales. Es decir, el eje no se cae, tiene precesión.

El cambio infinitesimal del momento angular es, que es perpendicular a L. Esto implica que el eje del volante del giróscopo giró un ángulo pequeño dado por La razón a la cual se mueve el eje  , se denomina velocidad angular de precesión, la cual estará dada por: [pic 4][pic 5][pic 6][pic 7]

                (2)[pic 8]

De esta forma podemos decir  que la velocidad angular de precesión es inversamente proporcional a la velocidad angular de giro alrededor del eje. Un giroscopio que gira rápidamente tiene precesión lenta; si la fricción hace que el volante se frene, la velocidad angular de precesión aumenta. Al precisar un giroscopio, su centro de masa describe un círculo de radio r en un plano horizontal. La componente vertical de la aceleración es cero, así que la fuerza normal hacia arriba “η” ejercida por el pivote debe ser igual en magnitud al peso.

El movimiento circular del centro de masa con una velocidad Ω requiere una fuerza F dirigida hacia el centro del círculo, con magnitud. Esta fuerza también debe ser proporcional al pivote. El análisis del giroscopio anterior fue hecho suponiendo que el vector momento angular solo está asociado a la rotación del volante y es puramente horizontal. Sin embargo, también habrá una componente vertical del momento angular asociada a la precesión del giroscopio. Al ignorar esto, hemos supuesto tácitamente que la precesión es lenta; es decir, Ω es mucho menor que la velocidad angular de rotación ω, lo cual se cumple por lo tanto, este modelo podría ser adecuado para el experimento.[pic 9]

 [pic 10]

Aplicaciones

Como ya lo mencioné con anterioridad, el primer uso que se le dio a los giroscopios fue en el estudio de los movimientos de rotación y traslación de la tierra así como planetas y objetos en el espacio.

[pic 11]

Una de las más importantes propiedades que posee este componente electrónico , la cual es poder mantener la inmovilidad del eje de rotación ha permitido insertar al giroscopio en dos tipos de aplicaciones: En primer lugar, como sustituto de la brújula, ya que mientras que el giroscopio mantiene un ángulo de rotación prefijado, que la aguja magnética de la brújula por el contario es la  que registra variables en virtud de efectos eléctricos, como asimismo por la influencia de piezas de hierro o acero. Esta aplicación, evidentemente, es primordial en buques de superficie y navíos submarinos, sobre todo en estos últimos en mención, ya que las corrientes eléctricas impiden que la brújula funciones correctamente.

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