Un cardán es un soporte pivotante que permite la rotación de un objeto sobre 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 portavasos suelen utilizar cardanes para mantenerse en posición vertical con respecto al horizonte a pesar del cabeceo y balanceo del barco .
La suspensión cardánica utilizada para montar brújulas y similares se denomina a veces suspensión cardánica en honor al matemático y físico italiano Gerolamo Cardano (1501-1576), quien la describió en detalle. Sin embargo, Cardano no inventó la suspensión cardánica, ni afirmó haberla inventado. El dispositivo se conoce desde la antigüedad, y fue descrito por primera vez en el siglo III a. C. 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 en la parte superior, se puede sumergir una pluma y entintar, sin que la tinta se escape 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 de modo que permaneciera estacionario sin importar en qué dirección se girara el tintero. [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 con cardán alrededor del año 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. C. [9] Hay mención durante la dinastía Liang (502-557) de que se utilizaban cardanes para las bisagras de puertas y ventanas, mientras que un artesano una vez presentó una estufa portátil para calentar a la emperatriz Wu Zetian (r. 690-705) que empleaba cardanes. [10] Los ejemplares 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]
La autenticidad de la descripción de Filón de una suspensión cardánica ha sido puesta en duda por algunos autores sobre la base de que la parte de la Pneumatica de Filón que describe el uso del cardán sobrevivió solo en una traducción árabe de principios del siglo IX. [3] Así, en 1965, el sinólogo Joseph Needham sospechó de una interpolación árabe . [12] Sin embargo, Carra de Vaux, autor de la traducción francesa que todavía proporciona la base para los eruditos modernos, [13] considera que la Pneumatics es 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 Filón, y atribuye explícitamente a Filón la invención. [15] Lo mismo hace su colega Michael Lewis (2001). [16] De hecho, la investigación de este último investigador (1997) demuestra que la copia árabe contiene secuencias de letras griegas que cayeron en desuso después del siglo I, lo que refuerza la idea de que se trata de una copia fiel del original helenístico , [17] una opinión compartida recientemente también por el clasicista Andrew Wilson (2002). [18]
El antiguo autor romano Ateneo Mecánico , que escribió durante el reinado de Augusto (30 a. C.-14 d. C.), describió el uso militar de un mecanismo similar a un cardán, al que llamó "pequeño simio" ( pithêkion ). Cuando se preparaban para atacar ciudades costeras desde el lado del mar, los ingenieros militares solían unir los barcos mercantes para llevar las máquinas de asedio hasta las murallas. Pero para evitar que la maquinaria embarcada se moviera por la cubierta en mares agitados, Ateneo aconseja que "se debe fijar el pithêkion en la plataforma unida a los barcos mercantes en el medio, de modo que la máquina se mantenga en posición vertical en cualquier ángulo". [19]
Después de la Antigüedad , los cardanes siguieron siendo ampliamente conocidos en Oriente Próximo . En el Occidente latino, la referencia al dispositivo apareció nuevamente en el libro de recetas 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). En el período moderno temprano, las brújulas secas se suspendían en cardanes.
En la navegación inercial, tal como se aplica a los 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 del barco. En esta aplicación, la unidad de medición inercial (IMU) está equipada con tres giroscopios montados ortogonalmente para detectar la rotación sobre todos los ejes en el espacio tridimensional. Las salidas del giroscopio se mantienen en un valor nulo 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 " resolvedores " montados en los tres cardanes, alabeo, cabeceo y guiñada. Estos resolvers realizan una transformación matricial automática según cada ángulo del cardán, de modo que los pares requeridos se entregan al eje del cardán apropiado. Los pares de guiñada deben resolverse mediante transformaciones de alabeo y cabeceo. El ángulo del cardán nunca se mide. Se utilizan plataformas de detección similares en los aviones.
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 requerida ]
En la propulsión de naves espaciales , los motores de cohetes generalmente se montan sobre un par de cardanes para permitir que un solo motor distribuya el empuje en torno a los ejes de cabeceo y guiñada; o, a veces, se proporciona solo un eje por motor. Para controlar el balanceo, se utilizan motores gemelos con señales de control de cabeceo o guiñada diferenciales para proporcionar par en torno al eje de balanceo del vehículo .
Los cardanes también se utilizan para montar todo, desde pequeñas lentes de cámara hasta grandes telescopios fotográficos.
En los equipos de fotografía portátiles, se utilizan cabezales cardán de un solo eje para permitir un movimiento equilibrado de la cámara y los 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 cardán gira un lente alrededor de su centro de gravedad , lo que permite una manipulación fácil y suave mientras se rastrean sujetos en movimiento.
En la fotografía satelital se utilizan soportes de cardán de gran tamaño en forma de soportes de altitud-altitud de 2 o 3 ejes [22] para fines de seguimiento.
Los cardanes giroestabilizados que albergan múltiples sensores también se utilizan para aplicaciones de vigilancia aérea, incluidas las fuerzas de seguridad aéreas, la inspección de tuberías y líneas eléctricas, la cartografía y la ISR ( inteligencia, vigilancia y reconocimiento ). Los sensores incluyen imágenes térmicas , cámaras de luz diurna y de poca luz, así como telémetros láser e iluminadores . [23]
Los sistemas de cardán 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 estabilizadores manuales de tres ejes se utilizan en sistemas de estabilización diseñados para brindar al operador de la cámara la independencia de tomar fotografías sin trípode sin vibraciones ni sacudidas de la cámara. Existen dos versiones de estos sistemas de estabilización: mecánicos y motorizados.
Los estabilizadores mecánicos tienen el trineo, que incluye la plataforma 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, pivotando en el estabilizador. 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 preciso de todo el sistema con el más ligero de los toques en el estabilizador.
Los estabilizadores motorizados, que funcionan con tres motores sin escobillas , tienen la capacidad de mantener la cámara nivelada en todos los ejes mientras el operador de la cámara la mueve. 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 puede notar la diferencia entre el movimiento deliberado, como las panorámicas y los planos de seguimiento, y el movimiento no deseado. Esto permite que la cámara parezca como si estuviera flotando en el aire, un efecto que se lograba con una Steadicam en el pasado. Los estabilizadores se pueden montar en automóviles y otros vehículos, como drones , donde las vibraciones u otros movimientos inesperados harían que los trípodes u otros soportes para cámaras fueran inaceptables. Un ejemplo que es popular en la industria de la transmisión de TV en vivo es el estabilizador de cámara de 3 ejes Newton.
La velocidad de un cronómetro marino mecánico es sensible a su orientación. Por este motivo, los cronómetros se montaban normalmente sobre cardanes para aislarlos de los movimientos de balanceo del barco en el mar.
El bloqueo del cardán es la pérdida de un grado de libertad en un mecanismo tridimensional de tres cardanes que ocurre cuando los ejes de dos de los tres cardanes se llevan a una configuración paralela, "bloqueando" el sistema en rotación en un espacio bidimensional degenerado.
La palabra "bloqueo" es engañosa: ningún cardán está sujeto. Los tres cardanes pueden seguir girando libremente sobre sus respectivos ejes de suspensión. Sin embargo, debido a la orientación paralela de los ejes de dos de los cardanes, no hay ningún cardán disponible para permitir la rotación sobre un eje.
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