Una herramienta de ejercicio giroscópica es un dispositivo especializado que se utiliza en fisioterapia para mejorar la fuerza de la muñeca y promover el desarrollo de los músculos de la palma, la muñeca, el antebrazo y los dedos. También se puede utilizar como una demostración única de algunos aspectos de la dinámica rotacional . El dispositivo consiste en una carcasa de plástico o metal del tamaño de una pelota de tenis que rodea una masa que gira libremente, con un núcleo pesado interno, que se puede girar mediante una cuerda corta o utilizando un mecanismo de arranque automático mediante el rebobinado contra un resorte para darle energía potencial. Una vez que el giroscopio en el interior va lo suficientemente rápido, la persona que sostiene el dispositivo puede acelerar la masa giratoria a altas velocidades de rotación moviendo la muñeca en un movimiento circular. La fuerza ejercida sobre el usuario aumenta a medida que aumenta la velocidad del giroscopio interno.
Dentro de la carcasa exterior, la masa giratoria está fijada a un eje metálico delgado , cada extremo atrapado en una ranura circular ecuatorial en la carcasa exterior. Un anillo liviano con dos muescas para los extremos del eje descansa en la ranura. Este anillo puede deslizarse en la ranura, lo que permite que la bola gire perpendicularmente al eje de rotación del anillo.
Para aumentar la velocidad angular de la bola, los lados de la ranura ejercen fuerzas sobre los extremos del eje. Las fuerzas normales y axiales no tendrán efecto, por lo que la fuerza tangencial debe ser proporcionada por la fricción del anillo que actúa sobre el eje. El usuario puede aplicar un par de torsión sobre la bola inclinando la carcasa en cualquier dirección excepto en el plano de la ranura o alrededor de un eje alineado con el eje. La inclinación da como resultado un desplazamiento de los extremos del eje a lo largo de la ranura. La dirección y la velocidad del desplazamiento se pueden encontrar a partir de la fórmula para la precesión de un giroscopio : el par de torsión aplicado es igual al producto vectorial de la velocidad angular de precesión y el momento angular de la masa giratoria. La velocidad de rotación de la bola interna aumenta a medida que aumenta la cantidad total de par de torsión aplicado. La dirección del par de torsión no importa, siempre que sea perpendicular al plano de rotación de la bola. La fricción del anillo aumenta en el lado opuesto al plano de rotación. Este proceso obedece a la simetría a través del plano perpendicular al eje. La única restricción para este proceso es que la velocidad relativa de la superficie del eje y el lado de la ranura debido a la precesión, , debe superar la velocidad relativa debido a la rotación de la masa giratoria, . El par mínimo requerido para cumplir con esta condición es , donde I es el momento de inercia de la masa giratoria y ω es su velocidad angular .
Dado que la aceleración angular se producirá independientemente de la dirección del par aplicado, siempre que sea lo suficientemente grande, el dispositivo funcionará sin ningún ajuste fino del movimiento de accionamiento. La inclinación de la carcasa no tiene por qué tener un ritmo particular con la precesión o incluso tener la misma frecuencia. Dado que la fricción cinética suele ser casi tan fuerte como la fricción estática para los materiales que se utilizan habitualmente, no es necesario aplicar exactamente la cantidad de par necesaria para que el eje gire sin deslizarse a lo largo del lateral de la ranura. Estos factores permiten a los principiantes aprender a acelerar la rotación después de solo unos minutos de práctica.
Aplicando la proporcionalidad de la fuerza cinética de fricción a la fuerza normal , , donde es el coeficiente cinético de fricción , se puede demostrar que el par que hace girar la masa es un factor de menor que el par aplicado a la carcasa. Dado que la fuerza de fricción es esencial para el funcionamiento del dispositivo, la ranura no debe lubricarse para permitir que la fricción del anillo ejerza una fuerza sobre el giróscopo. [1] [2] [3] [4] [5]
