Un cardán es un soporte pivotante que permite la rotación de un objeto alrededor de un eje. Se puede utilizar un conjunto de tres cardanes, uno montado sobre el otro con ejes de pivote ortogonales , para permitir que un objeto montado en el cardán más interno permanezca independiente de la rotación de su soporte (por ejemplo, vertical en la primera animación). Por ejemplo, en un barco, los giroscopios , las brújulas de a bordo , las estufas e incluso los portabebidas suelen utilizar cardanes para mantenerlos en posición vertical con respecto al horizonte a pesar del cabeceo y balanceo del barco .
La suspensión de cardán utilizada para montar brújulas y similares a veces se denomina suspensión cardán en honor al matemático y físico italiano Gerolamo Cardano (1501-1576), quien la describió en detalle. Sin embargo, Cardano no inventó el cardán, ni pretendió hacerlo. El dispositivo se conoce desde la antigüedad y se describió por primera vez en el siglo III. BC por Filón de Bizancio, aunque algunos autores modernos apoyan la opinión de que puede no tener un único inventor identificable. [1] [2]
El cardán fue descrito por primera vez por el inventor griego Filón de Bizancio (280-220 a. C.). [3] [4] [5] [6] Filón describió un tintero de ocho lados con una abertura en cada lado, que se puede girar de modo que, mientras cualquier cara esté arriba, se puede sumergir una pluma y entintar; La tinta nunca sale por los agujeros de los otros lados. Esto se hizo mediante la suspensión del tintero en el centro, que estaba montado sobre una serie de anillos metálicos concéntricos para que permaneciera estacionario sin importar en qué dirección se girara el bote. [3]
En la antigua China , el inventor e ingeniero mecánico de la dinastía Han (202 a. C. - 220 d. C.), Ding Huan , creó un quemador de incienso tipo cardán alrededor del 180 d.C. [3] [7] [8] Hay una pista en los escritos del anterior Sima Xiangru (179-117 a. C.) de que el cardán existía en China desde el siglo II a. [9] Durante la dinastía Liang (502-557) se menciona que se usaban cardanes para las bisagras de puertas y ventanas, mientras que un artesano presentó una vez una estufa portátil a la emperatriz Wu Zetian (r. 690-705) que empleaba cardanes. [10] Los especímenes existentes de cardanes chinos utilizados para quemadores de incienso datan de principios de la dinastía Tang (618–907) y formaban parte de la tradición de la platería en China. [11]
Algunos autores han puesto en duda la autenticidad de la descripción de Filón de una suspensión cardán basándose en que la parte de la Neumática de Filón que describe el uso del cardán sobrevivió sólo en una traducción árabe de principios del siglo IX. [3] Así, todavía en 1965, el sinólogo Joseph Needham sospechaba de una interpolación árabe . [12] Sin embargo, Carra de Vaux, autor de la traducción francesa que todavía proporciona la base para los estudiosos modernos, [13] considera la Neumática como esencialmente genuina. [14] El historiador de la tecnología George Sarton (1959) también afirma que es seguro asumir que la versión árabe es una copia fiel del original de Philo, y le atribuye explícitamente la invención a Philon. [15] Lo mismo hace su colega Michael Lewis (2001). [16] De hecho, la investigación realizada por este último estudioso (1997) demuestra que la copia árabe contiene secuencias de letras griegas que dejaron de usarse después del siglo I, fortaleciendo así el caso de que se trata de una copia fiel del original helenístico , [ 17] una opinión recientemente compartida también por el clasicista Andrew Wilson (2002). [18]
El antiguo autor romano Ateneo Mechanicus , que escribió durante el reinado de Augusto (30 a. C.-14 d. C.), describió el uso militar de un mecanismo parecido a un cardán, llamándolo "pequeño simio" ( pithêkion ). Cuando se preparaban para atacar las ciudades costeras desde el mar, los ingenieros militares unían los barcos mercantes para llevar las máquinas de asedio hasta las murallas. Pero para evitar que la maquinaria de los barcos ruede por la cubierta en mares agitados, Ateneo aconseja que "hay que fijar el pithêkion en la plataforma unida a los barcos mercantes en el medio, para que la máquina se mantenga erguida en cualquier ángulo". [19]
Después de la antigüedad , los cardanes siguieron siendo ampliamente conocidos en el Cercano Oriente . En el Occidente latino, la referencia al dispositivo apareció nuevamente en el recetario del siglo IX llamado "La pequeña llave de la pintura" ( mappae clavicula ). [20] El inventor francés Villard de Honnecourt representa un conjunto de cardanes en su cuaderno de bocetos (ver a la derecha). A principios del período moderno, las brújulas secas estaban suspendidas en cardanes.
La palabra "cardán" comenzó como un sustantivo. La mayoría de los diccionarios modernos siguen incluyéndolo como tal. A falta de un término conveniente para describir el movimiento oscilante de un motor de cohete , los ingenieros comenzaron a utilizar también la palabra "cardán" como verbo. Cuando un actuador adjunto hace girar una cámara de empuje, el movimiento se denomina "gimballed" o "gimballing". La documentación oficial de cohetes refleja este uso.
En la navegación inercial, aplicada a barcos y submarinos, se necesitan un mínimo de tres cardanes para permitir que un sistema de navegación inercial (mesa estable) permanezca fijo en el espacio inercial, compensando los cambios en la orientación, el cabeceo y el balanceo del barco. En esta aplicación, la unidad de medición inercial (IMU) está equipada con tres giroscopios montados ortogonalmente para detectar la rotación alrededor de todos los ejes en un espacio tridimensional. Las salidas del giroscopio se mantienen nulas a través de motores de accionamiento en cada eje del cardán, para mantener la orientación de la IMU. Para lograr esto, las señales de error del giroscopio pasan a través de " resolutores " montados en los tres cardanes: balanceo, cabeceo y guiñada. Estos resolutores realizan una transformación matricial automática según cada ángulo del cardán, de modo que los pares requeridos se entreguen al eje del cardán apropiado. Los pares de guiñada deben resolverse mediante transformaciones de balanceo y cabeceo. El ángulo del cardán nunca se mide. En los aviones se utilizan plataformas de detección similares.
En los sistemas de navegación inercial, el bloqueo del cardán puede ocurrir cuando la rotación del vehículo hace que dos de los tres anillos del cardán se alineen con sus ejes de pivote en un solo plano. Cuando esto ocurre, ya no es posible mantener la orientación de la plataforma de detección. [ cita necesaria ]
En la propulsión de naves espaciales , los motores de cohetes generalmente se montan en un par de cardanes para permitir que un solo motor vectorice el empuje sobre los ejes de cabeceo y guiñada; o, a veces, solo se proporciona un eje por motor. Para controlar el balanceo, se utilizan motores gemelos con señales de control de inclinación o guiñada diferenciales para proporcionar torsión sobre el eje de balanceo del vehículo .
Los cardanes también se utilizan para montar de todo, desde pequeñas lentes de cámaras hasta grandes telescopios fotográficos.
En los equipos de fotografía portátiles, se utilizan cabezales de cardán de un solo eje para permitir un movimiento equilibrado de la cámara y las lentes. [21] Esto resulta útil en la fotografía de vida silvestre , así como en cualquier otro caso en el que se adopten teleobjetivos muy largos y pesados: un cabezal de cardán gira una lente alrededor de su centro de gravedad , lo que permite una manipulación fácil y fluida mientras se siguen sujetos en movimiento.
En la fotografía por satélite se utilizan monturas de cardán muy grandes en forma de monturas de altitud-altitud de 2 o 3 ejes con fines de seguimiento.
Los cardanes giroestabilizados que albergan múltiples sensores también se utilizan para aplicaciones de vigilancia aérea, incluida la aplicación de la ley en el aire, inspección de tuberías y líneas eléctricas, mapeo e ISR ( inteligencia, vigilancia y reconocimiento ). Los sensores incluyen cámaras de imágenes térmicas , de luz diurna y de poca luz, así como de telémetro láser e iluminadores . [23]
Los sistemas Gimbal también se utilizan en equipos de óptica científica. Por ejemplo, se utilizan para rotar una muestra de material a lo largo de un eje para estudiar su dependencia angular de las propiedades ópticas. [24]
Los cardanes portátiles de 3 ejes se utilizan en sistemas de estabilización diseñados para brindar al operador de la cámara la independencia de disparar con la cámara en mano sin vibraciones ni sacudidas. Hay dos versiones de estos sistemas de estabilización: mecánica y motorizada.
Los cardanes mecánicos tienen el trineo, que incluye la etapa superior donde se fija la cámara, el poste que en la mayoría de los modelos se puede extender, con el monitor y las baterías en la parte inferior para contrarrestar el peso de la cámara. Así es como la Steadicam se mantiene en posición vertical, simplemente haciendo que la parte inferior sea un poco más pesada que la superior, girando en el cardán. Esto deja el centro de gravedad de todo el equipo, por pesado que sea, exactamente al alcance de la mano del operador, lo que permite un control hábil y finito de todo el sistema con un toque muy ligero en el cardán.
Impulsados por tres motores sin escobillas , los cardanes motorizados tienen la capacidad de mantener la cámara nivelada en todos los ejes mientras el operador de la cámara mueve la cámara. Una unidad de medición inercial (IMU) responde al movimiento y utiliza sus tres motores separados para estabilizar la cámara. Con la guía de algoritmos, el estabilizador es capaz de notar la diferencia entre movimientos deliberados, como panorámicas, y tomas de seguimiento de sacudidas no deseadas. Esto permite que la cámara parezca como si estuviera flotando en el aire, un efecto logrado por una Steadicam en el pasado. Los cardanes se pueden montar en automóviles y otros vehículos, como drones , donde las vibraciones u otros movimientos inesperados harían inaceptables los trípodes u otros soportes para cámaras. Un ejemplo que es popular en la industria de la transmisión de televisión en vivo es el cardán de cámara de 3 ejes Newton.
El ritmo de un cronómetro marino mecánico es sensible a su orientación. Por esta razón, los cronómetros normalmente se montaban sobre cardanes para aislarlos de los movimientos oscilantes de un barco en el mar.
El bloqueo del cardán es la pérdida de un grado de libertad en un mecanismo tridimensional de tres cardán que se produce cuando los ejes de dos de los tres cardanes se mueven a una configuración paralela, "bloqueando" el sistema para que gire en una rotación degenerada de dos. espacio dimensional.
La palabra bloqueo es engañosa: ningún cardán está sujeto. Los tres cardanes aún pueden girar libremente alrededor de sus respectivos ejes de suspensión. Sin embargo, debido a la orientación paralela de dos de los ejes de los cardanes, no hay ningún cardán disponible para acomodar la rotación alrededor de un eje.
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