Giróscopo para niños
Un giróscopo o giroscopio es un aparato mecánico que sirve para medir, mantener o cambiar la dirección de algo en el espacio, como un vehículo. La palabra viene del griego y significa "ver el giro".
Este aparato está hecho principalmente de un objeto que gira muy rápido alrededor de un eje central. Cuando intentas cambiar la dirección de este eje, el giróscopo se comporta de una manera sorprendente. En lugar de moverse como esperarías, gira alrededor de un tercer eje. Este tercer eje es perpendicular tanto al eje por el que lo empujaste como a su eje de giro original.
Si el giróscopo está montado en un soporte de Cardano que reduce las fuerzas externas, o si gira libremente, mantiene la dirección de su eje de giro mucho mejor que un objeto que no está girando. Se desvía menos y en una dirección diferente.
Por lo tanto, tiene dos características importantes:
- La inercia giroscópica, que es como su "rigidez en el espacio".
- La precesión, que es cuando el eje se inclina en ángulo recto si una fuerza intenta cambiar su plano de giro.
Estas propiedades se ven en todos los objetos que giran, ¡incluso en la Tierra! El término giróscopo se usa para objetos redondos o con forma de disco que giran libremente. Se usan para demostrar estas propiedades, para indicar movimientos en el espacio o para crearlos.
Este fenómeno, llamado efecto giroscópico, se puede ver fácilmente en cosas cotidianas como las peonzas o las monedas que ruedan. Cualquier objeto que gira funciona un poco como un giróscopo. Por ejemplo, el giro que un jugador le da a un balón de rugby en el aire, o el giro de una bala disparada desde un arma con ánima rayada para que vuele recta, son ejemplos de cómo se usa este efecto.
Contenido
Historia y usos del giróscopo
La peonza o trompo es quizás el objeto más antiguo que muestra claramente el efecto giroscópico. Se conoce desde hace mucho tiempo, con pruebas de su existencia desde hace miles de años en lugares como Mesopotamia, la Antigua Roma, Grecia, China e India. Sigue siendo un juguete, aunque sus materiales (arcilla, madera, plástico, metal) y decoración han cambiado.
Aunque la gente sabía que una peonza se mantenía de pie al girar, no entendían por qué ocurría ni cómo calcularlo. Por eso, las aplicaciones más importantes del giróscopo no se descubrieron hasta mucho después, tras la revolución científica y la Revolución Industrial.
Uno de los primeros intentos de usar las propiedades de la peonza fue el "espejillo giratorio" de John Serson en 1743. Este capitán inglés inventó una especie de peonza para encontrar el horizonte en el mar cuando la visibilidad era mala. Fue un precursor del horizonte artificial moderno, pero no tuvo mucho éxito.
El descubrimiento del efecto giroscópico y la construcción del primer aparato similar al giróscopo moderno se atribuyen al astrónomo alemán Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger. En 1817, describió una "máquina" con una esfera pesada que giraba. El matemático francés Siméon Denis Poisson ya la había mencionado en 1813, y su colega Pierre-Simon Laplace recomendó usarla para enseñar. Así fue como Léon Foucault la conoció.
El giróscopo, con ese nombre, fue inventado en 1852 por Foucault. Él montó una masa que giraba en un soporte de Cardano para demostrar la rotación de la Tierra. La rotación ya se había demostrado con el péndulo de Foucault, pero el giróscopo ofrecía una forma más directa.
Foucault creó un aparato que podía girar muy rápido (150 a 200 vueltas por segundo) durante varios minutos, lo que permitía hacer mediciones. Esto fue un gran logro para la mecánica de la época.
Foucault también se dio cuenta de que su aparato podía indicar el Norte. Si se limitaban algunos movimientos del soporte, el giróscopo se alineaba con el meridiano. Esto llevó a la invención del girocompás, una brújula giroscópica.
Otra de sus primeras aplicaciones fue guiar los primeros torpedos, permitiéndoles seguir una ruta programada y corregir desviaciones. Los giróscopos se han usado mucho en la navegación inercial de aviones y misiles antes de la llegada del GPS. Aunque el GPS es común ahora, los giróscopos siguen siendo importantes para controlar la dirección con precisión.
Hoy en día, en muchas aplicaciones industriales y en aparatos como tabletas o teléfonos inteligentes, se usan giróscopos "MEMS" (Sistemas Micro Electro Mecánicos). Son más pequeños, ligeros, precisos y sencillos, y cumplen la misma función, aunque su principio de funcionamiento es diferente al del giróscopo mecánico.
Los giróscopos mecánicos también se usan para reducir el balanceo de navíos y para estabilizar plataformas de tiro.
¿Cómo funciona el efecto giroscópico?
Imagina un giróscopo con un disco que gira muy rápido en un eje horizontal. Si lo sostienes con las manos y tratas de girar el eje hacia la derecha (bajando una mano y subiendo la otra), sentirás algo muy extraño. El giróscopo empujará una de tus manos y tirará de la otra. ¡Esa es la sensación del efecto giroscópico! Parece que el giróscopo no se comporta como un objeto "normal".
Explicación detallada
Las partes del giróscopo giran muy rápido. Cuando intentas mover el eje, estas partes reciben un pequeño empujón en una dirección diferente. Por ejemplo, si empujas el eje hacia abajo, las partes que suben se moverán un poco hacia un lado, y las que bajan se moverán un poco hacia el otro.
El resultado es que el plano en el que giran las masas cambia de dirección. Es como si el eje de giro se moviera en dos direcciones a la vez, no solo en la que intentabas moverlo.
En un giróscopo real, no son solo dos puntos, sino toda la masa del disco la que se mueve. Cuando aplicas una fuerza, es como si dieras muchos pequeños empujones. Cada uno de ellos hace que la dirección de la velocidad de las masas cambie, pero sin que la velocidad de giro disminuya.
Una forma sencilla de entender el efecto giroscópico
Imagina un disco girando muy rápido, con un eje horizontal que sostienes con tus manos. La parte de arriba del disco se aleja de ti y la de abajo se acerca. Ahora, inclina el eje un poco, subiendo tu mano izquierda y bajando la derecha.
Si te fijas en un punto del disco, verás que ya no se mueve solo hacia arriba o abajo, sino en diagonal. Por ejemplo, de abajo hacia arriba y de izquierda a derecha.
Ahora, piensa en el disco dividido en dos mitades: la que está más lejos de ti y la que está más cerca. En la mitad lejana, la masa se mueve hacia abajo y a la izquierda. En la mitad cercana, se mueve hacia arriba y a la derecha.
Lo importante son los movimientos horizontales que aparecen al inclinar el eje. La masa se mueve de derecha a izquierda en la parte lejana y de izquierda a derecha en la parte cercana. Estos movimientos horizontales crean fuerzas opuestas (por la Tercera Ley de Newton).
Así, el disco sentirá una fuerza hacia la derecha en su parte lejana y hacia la izquierda en su parte cercana. Tus manos, al inclinar el eje, sentirán una fuerza "extraña" que empuja tu mano derecha hacia atrás y la izquierda hacia adelante. Esta fuerza es el efecto giroscópico.
En resumen, el efecto giroscópico ocurre porque la dirección en que se mueve la masa del disco cambia. Esto crea una reacción que se siente como un giro inesperado.
Esto se entiende mejor si imaginas que el disco del giróscopo, al inclinarse, se convierte en dos discos: uno vertical y otro horizontal. El disco vertical representa el giro original, y el horizontal el nuevo giro que aparece al inclinarlo. Si el giróscopo está vertical, solo hay un disco vertical. Cuando empieza a inclinarse, aparece un pequeño disco horizontal. A medida que se inclina más, el disco vertical se hace "más pequeño" y el horizontal "más grande". Como estos dos "discos" están conectados, el sistema experimenta un giro en el plano horizontal para mantener el equilibrio del giro total. 
Movimientos del giróscopo
Además de girar sobre su propio eje, un giróscopo puede hacer otros dos movimientos principales: la precesión y la nutación. Esto se explica con las leyes de la física.
Para entender cómo se mueve un giróscopo, podemos usar la segunda ley de Newton para la rotación.
Precesión
Cuando aplicas una fuerza que intenta girar un objeto que ya está girando, y esa fuerza no está en la misma dirección que el giro original, el eje de giro del objeto empieza a moverse en círculos. Este movimiento se llama precesión.
La velocidad de la precesión se mide en radianes por segundo. Cuanto más rápido gire el giróscopo o más pesado sea, más lento será el movimiento de precesión. Esto significa que los giróscopos son muy buenos para mantener una dirección de referencia.
Cuando un objeto no gira, una fuerza lo hace acelerar y girar. Cuando la fuerza se detiene, el objeto sigue girando. Pero en un giróscopo, cuando la fuerza se detiene, la precesión también se detiene. Esto hace que los giróscopos sean mucho más estables a largo plazo que los objetos que no giran. Además, puedes hacer que el efecto de las fuerzas externas sea aún menor si el giróscopo es más pesado y gira más rápido.
Nutación
Cuando la fuerza que causa la precesión cambia, la velocidad de precesión también cambia. Pero esto no ocurre al instante. Hay un momento en el que el giróscopo "cede" un poco a la fuerza, como lo haría un objeto que no gira. Después, el giróscopo se recupera, oscilando alrededor de su nueva trayectoria de precesión. Este movimiento de oscilación se llama nutación.
Si la fuerza sigue cambiando, la nutación puede durar mucho tiempo. Esto ocurre con la Tierra. La atracción de la Luna y el Sol sobre el abultamiento de la Tierra en el ecuador crea una fuerza que causa la precesión de los equinoccios. Pero como el Sol y la Luna no están siempre en el plano del ecuador, la fuerza cambia, y el movimiento de nutación de la Tierra no se detiene.
-
Peonza. Precesión uniforme.
-
Peonza. Precesión con cambio de signo.
-
Peonza. Puntos con velocidad de precesión nula.
El giróscopo y las bicicletas
Durante mucho tiempo se pensó que el efecto giroscópico era la razón principal por la que las bicicletas y motocicletas se mantienen en equilibrio. Sin embargo, se ha demostrado que no es así. Una forma sencilla de comprobarlo es usando giróscopos en las ruedas de una bicicleta para cancelar el efecto giroscópico. Se ha visto que la bicicleta sigue siendo estable.
Lo que sí es crucial es poder mover el manillar. Una bicicleta o motocicleta que se lanza sin conductor sigue avanzando sin caerse hasta que choca o pierde velocidad. Su trayectoria será una espiral, un círculo o, rara vez, una línea recta.
Imagina una bicicleta en movimiento, con el manillar recto pero inclinada un poco hacia la izquierda. El peso de la bicicleta crea una fuerza que tiende a inclinarla más y hacerla caer. Pero como la bicicleta avanza, la rueda delantera tiene un giro que la empuja hacia la izquierda.
Este giro hace que la rueda delantera gire hacia la izquierda, como si hubieras movido el manillar. La bicicleta empieza a girar hacia la izquierda. Mientras la bicicleta se inclina más, el manillar gira más a la izquierda y el círculo que describe la bicicleta se hace más pequeño.
Cuando el círculo se hace más pequeño, aparece una fuerza que tiende a enderezar la bicicleta. Esta fuerza compensa el peso que la hace caer. Cuando las dos fuerzas se equilibran, la bicicleta deja de inclinarse y el manillar deja de girar. La bicicleta sigue en su trayectoria circular.
Si la bicicleta pierde velocidad por el roce con el aire, la fuerza que la endereza disminuye, y la bicicleta empieza a caerse de nuevo. Esto hace que el manillar gire más a la izquierda, el círculo se haga más pequeño, y la fuerza que la endereza aumente hasta que se equilibre de nuevo. Si el manillar se bloquea o gira demasiado, la bicicleta se cae.
Si lanzas una bicicleta con el manillar bloqueado, se caerá como si estuviera parada.
Ver también
