Giroscopio: Definición, efecto y precesión

El efecto giroscópico

El efecto giroscopio es la rotación continua de un objeto. Una vez que un objeto manipulado por el efecto del giroscopio comienza a girar, no se detendrá a menos que sea forzado a hacerlo. A esto se le llama tener un eje de rotación estable. Un giroscopio es una máquina que incluye una bola o rueda que gira continuamente en cualquier situación en la que se coloque. Los cambios en la orientación y otras características externas hacen que el giroscopio se ajuste a estos cambios. Las alteraciones de los giroscopios que compensan estos sucesos hacen que sean herramientas frecuentes para la navegación y orientación de aeronaves y naves espaciales en vuelo.

La precesión en un giroscopio es la propiedad de un giroscopio que provoca un cambio en la dirección del eje de un objeto giratorio. Si bien el eje de rotación ha cambiado, todavía existe. La calidad de la precesión es el factor más persistente que hace que sea una herramienta de navegación eficaz.

Los giroscopios generalmente se asocian con máquinas y navegación. Sin embargo, en realidad son componentes comunes de los artículos cotidianos. Ruedas de bicicleta, frisbees y muchos otros elementos circulares que giran continuamente aprovechan el efecto giroscópico.

¿Qué es un giroscopio?

¿Cómo funciona un giroscopio? Los giroscopios como dispositivos basados ​​en el efecto giroscópico. Todos los giroscopios tienen una rueda giratoria de un tipo u otro. Aunque el eje de rotación cambia debido a los cambios de orientación, la rotación no se detiene hasta que es forzada por una fuerza externa. El eje de rotación de un giroscopio se cambia por la gravedad y otras fuerzas. Por lo tanto, no está determinado por la orientación del montaje de la rueda. La rueca mantendrá su orientación debido al efecto giroscópico cuando cambie la orientación del montaje.

Esta imagen muestra el sistema de giroscopio mecánico básico.

Los usos de los giroscopios

El uso más frecuente de giroscopios es en el aire y naves espaciales. Son excelentes herramientas para la navegación y la orientación. Hay varios tipos de giroscopios:

• Giroscopios mecánicos: estos giroscopios son la forma tradicional de giroscopios. Son máquinas aparentemente complejas. El centro del giroscopio mecánico es un eje de rotación. En el medio de este eje hay una rueda o rotor radial. El eje está conectado a una rueda y la rueda radial está conectada a otra rueda. Todos estos componentes se mantienen en su lugar mediante un marco que es lo suficientemente grande como para sostener el giroscopio en su lugar sin manipular sus movimientos.
• Giroscopios ópticos: este tipo de giroscopio reemplaza la compleja máquina del giroscopio mecánico con un haz de luz. Incorporan fibras ópticas en sus sistemas de navegación. Aprovechan el efecto Sagnac, en el que los “cambios de fase” provocan diferencias en el tiempo que tardan dos luces en llegar a la misma posición si viajan en direcciones exactamente opuestas. La luz atraviesa las fibras ópticas del giroscopio. Los cambios en la velocidad de esta luz dan como resultado alteraciones en la visualización de la herramienta de navegación. Específicamente, un rayo de luz se mueve en sentido antihorario. Otro se mueve en el sentido de las agujas del reloj. La máquina examina las diferencias en el tiempo que tardaron ambos haces de luz en llegar al sensor del giroscopio. Ajusta la pantalla de la máquina en consecuencia.
• Giroscopios MEMS de silicio: estos giroscopios fueron una solución a la baja rentabilidad de los giroscopios mecánicos y ópticos. Los giroscopios MEMS de silicio son giroscopios extraordinariamente en miniatura. MEMS es un acrónimo de sistemas microelectromecánicos. Este término se utiliza para máquinas extremadamente pequeñas, conocidas como nanomáquinas. Los giroscopios MEMS de silicio también son muy pequeños. El fenómeno sobre el que opera el giroscopio MEMS de silicio se denomina efecto Coriolis. El componente central de este giroscopio vibra. Esta vibración generalmente hace que todas las partes de los componentes se muevan hacia afuera desde el centro del giroscopio. Solo dos puntos en el círculo permanecen estacionarios. Cuando la máquina cambia de orientación, como cuando un avión gira, el efecto Coriolis hace que el anillo se doble en formas que no son normales. El giroscopio busca volver a su normalidad, estado original. Esto provoca cambios en las señales enviadas por la máquina al sistema de navegación.

Como los giroscopios ópticos son más simples que los giroscopios mecánicos, uno puede pensar que los giroscopios ópticos van a reemplazar por completo a los giroscopios mecánicos. Sin embargo, los giroscopios ópticos son mucho más grandes que los giroscopios mecánicos. Los giroscopios ópticos pequeños son mucho más débiles y menos precisos que los giroscopios ópticos más grandes. También pueden ser susceptibles a señales de otras fuentes.

Un giroscopio óptico funciona con el efecto Sagnac, que se muestra aquí.

Los giroscopios tienen muchos usos en vuelo. Tres o cuatro de los instrumentos centrales utilizados en los aviones están construidos alrededor de giroscopios. Las manipulaciones de los giroscopios provocan cambios en la pantalla generada por la máquina. Por ejemplo, un giroscopio que gira de cierta manera puede hacer que una aguja suba o baje. Un altímetro indica la altitud de la aeronave. La pantalla de esta máquina puede subir y bajar, así como de lado a lado.

Otros instrumentos importantes que incorporan giroscopios en las aeronaves incluyen indicadores de desviación de rumbo, indicadores de viraje y deslizamiento e indicadores de actitud.

Resumen de la lección

El efecto giroscópico ocurre cuando el eje de rotación de un objeto continúa existiendo a pesar de los cambios en la orientación de su marco. Lo único que puede detener este eje de rotación es ser manipulado por una fuerza externa. Los cambios en la orientación de la nave afectan el eje de rotación de un objeto giroscópico. Un giroscopio es una máquina creada para aprovechar el efecto giroscópico. Los giroscopios se ven afectados por la calidad de la precesión. Este es el hecho de que el eje de rotación de un giroscopio cambia en lugar de detenerse por completo.

Hay dos tipos principales de giroscopios. El primero son los giroscopios mecánicos. Esta iteración del giroscopio es la forma tradicional. Tiene un eje que es atravesado por una rueda o rotor radial. Conectado al eje y al rotor hay ruedas más grandes que giran. Esta máquina está conectada a un marco base que sostiene el giroscopio en su lugar sin alterar la rotación. El segundo grupo principal son los giroscopios ópticos. Estos giroscopios se crean utilizando un haz de luz en lugar de una máquina compleja. Utilizan el efecto Sagnac, en el que dos haces de luz que viajan en trayectorias opuestas iguales llegarán a un sensor al mismo tiempo, a menos que sean interferidos de alguna manera. La diferencia en el tiempo que tardan los rayos de luz en llegar al sensor afecta la pantalla de la máquina a la que está conectado el giroscopio óptico.