Un giroscopio (del griego antiguo γῦρος gŷros , "redondo" y σκοπέω skopéō , "mirar") es un dispositivo utilizado para medir o mantener la orientación y la velocidad angular . [1] [2] Es una rueca o disco en el que el eje de rotación (eje de giro) es libre de asumir cualquier orientación por sí mismo. Al girar, la orientación de este eje no se ve afectada por la inclinación o rotación del soporte, según la conservación del momento angular .
También existen giroscopios basados en otros principios operativos, como los giroscopios MEMS empaquetados con microchips que se encuentran en dispositivos electrónicos (a veces llamados girómetros ), láseres de anillo de estado sólido , giroscopios de fibra óptica y el giroscopio cuántico extremadamente sensible . [3]
Las aplicaciones de los giroscopios incluyen sistemas de navegación inercial , como en el Telescopio Espacial Hubble , o dentro del casco de acero de un submarino sumergido. Debido a su precisión, los giroscopios también se utilizan en giroteodolitos para mantener la dirección en la minería de túneles. [4] Los giroscopios pueden usarse para construir girocompás , que complementan o reemplazan a las brújulas magnéticas (en barcos, aviones y naves espaciales, vehículos en general), para ayudar en la estabilidad (bicicletas, motocicletas y barcos) o usarse como parte de un sistema inercial. sistema de guía .
Los giroscopios MEMS son populares en algunos productos electrónicos de consumo, como los teléfonos inteligentes.
Un giroscopio es un instrumento que consta de una rueda montada en dos o tres cardanes que proporcionan soportes pivotantes, para permitir que la rueda gire alrededor de un solo eje. Se puede utilizar un conjunto de tres cardanes, uno montado sobre el otro con ejes de pivote ortogonales, para permitir que una rueda montada en el cardán más interno tenga una orientación independiente de la orientación, en el espacio, de su soporte.
En el caso de un giroscopio con dos cardanes, el cardán exterior, que es el marco del giroscopio, está montado de manera que pivote alrededor de un eje en su propio plano determinado por el soporte. Este cardán exterior posee un grado de libertad de rotación y su eje no posee ninguno. El segundo cardán, cardán interior, está montado en el marco del giroscopio (cardán exterior) para pivotar alrededor de un eje en su propio plano que siempre es perpendicular al eje de pivote del marco del giroscopio (cardán exterior). Este cardán interior tiene dos grados de libertad de rotación.
El eje de la rueca (el rotor) define el eje de giro. El rotor está obligado a girar alrededor de un eje, que siempre es perpendicular al eje del cardán interior. Entonces el rotor posee tres grados de libertad de rotación y su eje posee dos. El rotor responde a una fuerza aplicada al eje de entrada mediante una fuerza de reacción al eje de salida.
Un volante giroscópico girará o resistirá alrededor del eje de salida dependiendo de si los cardanes de salida tienen una configuración libre o fija. Un ejemplo de algunos dispositivos de cardán de salida libre son los giroscopios de control de actitud utilizados para detectar o medir los ángulos de actitud de cabeceo, balanceo y guiñada en una nave espacial o aeronave.
El centro de gravedad del rotor puede estar en una posición fija. El rotor gira simultáneamente alrededor de un eje y es capaz de oscilar alrededor de los otros dos ejes, y es libre de girar en cualquier dirección alrededor del punto fijo (excepto por su resistencia inherente causada por el giro del rotor). Algunos giroscopios tienen equivalentes mecánicos que sustituyen a uno o más elementos. Por ejemplo, el rotor giratorio puede estar suspendido en un fluido, en lugar de estar montado en cardanes. Un giroscopio de momento de control (CMG) es un ejemplo de un dispositivo de cardán de salida fija que se utiliza en naves espaciales para mantener un ángulo de actitud deseado o una dirección de puntería utilizando la fuerza de resistencia giroscópica.
En algunos casos especiales, se puede omitir el cardán exterior (o su equivalente) para que el rotor tenga sólo dos grados de libertad. En otros casos, el centro de gravedad del rotor puede estar desplazado del eje de oscilación y, por tanto, el centro de gravedad del rotor y el centro de suspensión del rotor pueden no coincidir.
Básicamente, un giroscopio es una peonza combinada con un par de cardanes . Las peonzas se inventaron en muchas civilizaciones diferentes, incluidas la Grecia clásica, Roma y China. [5] La mayoría de estos no fueron utilizados como instrumentos.
El primer aparato conocido similar a un giroscopio (el "espéculo giratorio" o "espéculo de Serson") fue inventado por John Serson en 1743. Se utilizaba como nivel para localizar el horizonte en condiciones de niebla o niebla.
El primer instrumento utilizado más como un giroscopio real fue fabricado por Johann Bohnenberger de Alemania, quien escribió por primera vez sobre él en 1817. Al principio lo llamó "Máquina". [6] [7] [8] La máquina de Bohnenberger se basaba en una esfera masiva giratoria. [9] En 1832, el estadounidense Walter R. Johnson desarrolló un dispositivo similar basado en un disco giratorio. [10] [11] El matemático francés Pierre-Simon Laplace , que trabajaba en la École Polytechnique de París, recomendó la máquina para su uso como material didáctico, y así llamó la atención de Léon Foucault . [12]
En 1852, Foucault lo utilizó en un experimento que demostraba la rotación de la Tierra. [13] [14]
Fue Foucault quien dio al aparato su nombre moderno, en un experimento para ver (del griego skopeein , ver) la rotación de la Tierra (del griego gyros , círculo o rotación), [15] [16] que era visible en los 8 a 10 minutos antes de que la fricción desacelerara el rotor giratorio.
En la década de 1860, la llegada de los motores eléctricos hizo posible que un giroscopio girara indefinidamente; Esto llevó al primer prototipo de indicadores de rumbo y a un dispositivo bastante más complicado, el girocompás . El primer girocompás funcional fue patentado en 1904 por el inventor alemán Hermann Anschütz-Kaempfe . [17] El estadounidense Elmer Sperry siguió con su propio diseño ese mismo año, y otras naciones pronto se dieron cuenta de la importancia militar del invento, en una época en la que la destreza naval era la medida más significativa del poder militar, y crearon sus propias industrias de giroscopios. Sperry Gyroscope Company se expandió rápidamente para proporcionar también estabilizadores navales y para aviones, y otros desarrolladores de giroscopios siguieron su ejemplo. [18] [ se necesita cita completa ]
En 1917, la Compañía Chandler de Indianápolis creó el "giroscopio Chandler", un giroscopio de juguete con una cuerda para tirar y un pedestal. Chandler continuó produciendo el juguete hasta que TEDCO Inc. compró la empresa en 1982. TEDCO todavía produce el juguete Chandler en la actualidad. [19]
En las primeras décadas del siglo XX, otros inventores intentaron (sin éxito) utilizar giroscopios como base para los primeros sistemas de navegación de caja negra , creando una plataforma estable desde la cual se podían realizar mediciones precisas de la aceleración (para evitar la necesidad de observar las estrellas). avistamientos para calcular la posición). Posteriormente se emplearon principios similares en el desarrollo de sistemas de navegación inercial para misiles balísticos . [20] [ cita completa necesaria ]
Durante la Segunda Guerra Mundial, el giroscopio se convirtió en el componente principal de las miras de los aviones y los cañones antiaéreos. [21] Después de la guerra, la carrera por miniaturizar los giroscopios para misiles guiados y sistemas de navegación de armas dio como resultado el desarrollo y la fabricación de los llamados giroscopios enanos que pesaban menos de 3 onzas (85 g) y tenían un diámetro de aproximadamente 1 pulgada ( 2,5 centímetros). Algunos de estos giroscopios miniaturizados podrían alcanzar una velocidad de 24.000 revoluciones por minuto en menos de 10 segundos. [22]
Los giroscopios siguen siendo un desafío de ingeniería. Por ejemplo, los cojinetes de los ejes deben ser extremadamente precisos. Se introduce deliberadamente una pequeña cantidad de fricción en los cojinetes, ya que de lo contrario se requeriría una precisión superior a una pulgada (2,5 nm). [23]
Los giroscopios de tres ejes basados en MEMS también se utilizan en dispositivos electrónicos portátiles como tabletas , [24] teléfonos inteligentes , [25] y relojes inteligentes . [26] Esto se suma a la capacidad de detección de aceleración de 3 ejes disponible en generaciones anteriores de dispositivos. Juntos, estos sensores proporcionan detección de movimiento de 6 componentes; acelerómetros para el movimiento X, Y y Z, y giroscopios para medir el alcance y la velocidad de rotación en el espacio (alabeo, cabeceo y guiñada). Algunos dispositivos [27] [28] incorporan adicionalmente un magnetómetro para proporcionar mediciones angulares absolutas en relación con el campo magnético de la Tierra. Las unidades de medición inercial más nuevas basadas en MEMS incorporan hasta los nueve ejes de detección en un único paquete de circuito integrado, lo que proporciona una detección de movimiento económica y ampliamente disponible. [29]
Todos los objetos que giran tienen propiedades giroscópicas. Las principales propiedades que puede experimentar un objeto en cualquier movimiento giroscópico son la rigidez en el espacio y la precesión .
La rigidez en el espacio describe el principio de que un giroscopio permanece en una posición fija en el plano en el que gira, sin verse afectado por la rotación de la Tierra. Por ejemplo, una rueda de bicicleta. Se utilizaron las primeras formas de giroscopio (que entonces no se conocían por su nombre) para demostrar el principio. [30]
Un caso simple de precesión, también conocido como precesión constante, puede describirse mediante la siguiente relación con el Momento:
donde representa la precesión, está representado por el giro, es el ángulo de nutación y representa la inercia a lo largo de su respectivo eje. Esta relación sólo es válida cuando el Momento a lo largo de los ejes Y y Z es igual a 0.
La ecuación se puede reducir aún más observando que la velocidad angular a lo largo del eje z es igual a la suma de la Precesión y el Giro: , Donde representa la velocidad angular a lo largo del eje z.
o
La precesión giroscópica está inducida por el torque. Es la tasa de cambio del momento angular producido por el par aplicado. La precesión produce resultados dinámicos contrarios a la intuición, como que una peonza no se caiga. La precesión se utiliza en aplicaciones aeroespaciales para detectar cambios de actitud y dirección.
Se empleó una plataforma Steadicam durante el rodaje de la película de 1983 El retorno del Jedi , junto con dos giroscopios para una estabilización adicional, para filmar las placas de fondo de la persecución en moto deslizadora . El inventor de la Steadicam, Garrett Brown , operó la toma mientras caminaba por un bosque de secuoyas y ejecutaba la cámara a un fotograma por segundo. Cuando se proyectaba a 24 fotogramas por segundo, daba la impresión de volar por el aire a velocidades peligrosas. [32] [33]
El indicador de rumbo o giroscopio direccional tiene un eje de rotación que se fija horizontalmente, apuntando al norte. A diferencia de una brújula magnética, no busca el norte. Cuando se utiliza en un avión, por ejemplo, se alejará lentamente del norte y será necesario reorientarlo periódicamente, utilizando una brújula magnética como referencia. [34]
A diferencia de un giroscopio direccional o un indicador de rumbo, un girocompás busca el norte. Detecta la rotación de la Tierra alrededor de su eje y busca el norte verdadero , en lugar del norte magnético . Los girocompáss suelen tener amortiguación incorporada para evitar que se sobrepase al recalibrarse debido a un movimiento repentino.
Al determinar la aceleración de un objeto e integrarla en el tiempo, se puede calcular la velocidad del objeto. Integrando nuevamente, se puede determinar la posición. El acelerómetro más simple es un peso que se puede mover libremente horizontalmente, que está unido a un resorte y a un dispositivo para medir la tensión en el resorte. Esto se puede mejorar introduciendo una fuerza contraria para empujar el peso hacia atrás y medir la fuerza necesaria para evitar que el peso se mueva. Un diseño más complicado consiste en un giroscopio con un peso en uno de los ejes. El dispositivo reaccionará a la fuerza generada por el peso cuando se acelera, integrando esa fuerza para producir una velocidad. [35]
Un girostato consta de un enorme volante oculto en una carcasa sólida. [36] [37] Su comportamiento sobre una mesa, o con varios modos de suspensión o soporte, sirve para ilustrar la curiosa inversión de las leyes ordinarias del equilibrio estático debido al comportamiento girostático del volante interior invisible cuando gira rápidamente. El primer girostato fue diseñado por Lord Kelvin para ilustrar el estado de movimiento más complicado de un cuerpo que gira cuando está libre para deambular en un plano horizontal, como una peonza que gira sobre el pavimento o una bicicleta en la carretera. [38] Kelvin [39] también hizo uso de girostatos para desarrollar teorías mecánicas de la elasticidad de la materia y del éter. [40] En la mecánica continua moderna existe una variedad de estos modelos, basados en ideas de Lord Kelvin. Representan un tipo específico de teorías de Cosserat (sugeridas por primera vez por Eugène Cosserat y François Cosserat ), que pueden usarse para la descripción de materiales inteligentes fabricados artificialmente, así como de otros medios complejos. Uno de ellos, el llamado medio de Kelvin, tiene las mismas ecuaciones que los aislantes magnéticos cercanos al estado de saturación magnética en la aproximación de la cuasimagnetostática. [41]
En los tiempos modernos, el concepto de girostato se utiliza en el diseño de sistemas de control de actitud para naves espaciales y satélites en órbita. [42] Por ejemplo, la estación espacial Mir tenía tres pares de volantes montados internamente conocidos como giroscopios o giroscopios de momento de control . [43]
En física, existen varios sistemas cuyas ecuaciones dinámicas se asemejan a las ecuaciones de movimiento de un girostato. [44] Los ejemplos incluyen un cuerpo sólido con una cavidad llena de un líquido homogéneo, incompresible y no viscoso, [45] la configuración de equilibrio estático de una varilla elástica estresada en la teoría elástica , [46] la dinámica de polarización de un pulso de luz que se propaga a través de un medio no lineal, [47] el sistema de Lorenz en la teoría del caos, [48] y el movimiento de un ion en un espectrómetro de masas con trampa de Penning . [49]
Un giroscopio de sistemas microelectromecánicos (MEMS) es un giroscopio miniaturizado que se encuentra en dispositivos electrónicos. Toma la idea del péndulo de Foucault y utiliza un elemento vibratorio. Este tipo de giroscopio se utilizó por primera vez en aplicaciones militares, pero desde entonces se ha adoptado para un uso comercial cada vez mayor. [50]
El giroscopio resonador hemisférico (HRG), también llamado giroscopio de copa de vino [51] o giroscopio en forma de hongo, utiliza una delgada capa hemisférica de estado sólido, anclada por un vástago grueso. Esta carcasa es impulsada a una resonancia de flexión mediante fuerzas electrostáticas generadas por electrodos que se depositan directamente sobre estructuras separadas de cuarzo fundido que rodean la carcasa. El efecto giroscópico se obtiene de la propiedad inercial de las ondas estacionarias de flexión. [52]
Un giroscopio de estructura vibratoria (VSG), también llamado giroscopio vibratorio de Coriolis (CVG), [53] utiliza un resonador hecho de diferentes aleaciones metálicas. Ocupa una posición entre el giroscopio MEMS de baja precisión y bajo costo y el giroscopio de fibra óptica de mayor precisión y costo. Los parámetros de precisión aumentan mediante el uso de materiales de baja amortiguación intrínseca, vacío del resonador y electrónica digital para reducir la deriva dependiente de la temperatura y la inestabilidad de las señales de control. [54]
Para sensores precisos como HRG se utilizan resonadores de copa de vino de alta calidad . [55]
Un giroscopio sintonizado dinámicamente (DTG) es un rotor suspendido por una junta universal con pivotes de flexión. [56] La rigidez del resorte de flexión es independiente de la velocidad de giro. Sin embargo, la inercia dinámica (por el efecto de reacción giroscópica) del cardán proporciona una rigidez negativa del resorte proporcional al cuadrado de la velocidad de giro (Howe y Savet, 1964; Lawrence, 1998). Por lo tanto, a una velocidad particular, llamada velocidad de sintonización, los dos momentos se cancelan entre sí, liberando al rotor del torque, una condición necesaria para un giroscopio ideal.
Un giroscopio láser de anillo se basa en el efecto Sagnac para medir la rotación midiendo el patrón de interferencia cambiante de un haz dividido en dos haces separados que viajan alrededor del anillo en direcciones opuestas.
Cuando el Boeing 757-200 entró en servicio en 1983, estaba equipado con el primer giroscopio láser anular adecuado. Este giroscopio tardó muchos años en desarrollarse, y los modelos experimentales pasaron por muchos cambios antes de que los ingenieros y gerentes de Honeywell y Boeing lo consideraran listo para la producción . Fue el resultado de la competencia con giroscopios mecánicos, que siguieron mejorando. La razón por la que Honeywell, de todas las empresas, eligió desarrollar el giroscopio láser fue que era la única que no tenía una línea exitosa de giroscopios mecánicos, por lo que no competirían entre sí. El primer problema que tuvieron que resolver fue que con los giroscopios láser, las rotaciones por debajo de un cierto mínimo no podían detectarse en absoluto, debido a un problema llamado "lock-in", por el cual los dos haces actúan como osciladores acoplados y atraen las frecuencias de cada uno hacia la convergencia. y por lo tanto producción cero. La solución fue agitar el giroscopio rápidamente para que nunca se bloqueara. Paradójicamente, un movimiento de oscilación demasiado regular produjo una acumulación de períodos cortos de bloqueo cuando el dispositivo estaba en reposo en los extremos de su movimiento de vibración. Esto se solucionó aplicando un ruido blanco aleatorio a la vibración. El material del bloque también se cambió de cuarzo a una nueva vitrocerámica Cer-Vit , fabricada por Owens Corning , debido a fugas de helio. [57]
Un giroscopio de fibra óptica también utiliza la interferencia de la luz para detectar la rotación mecánica. Las dos mitades del haz dividido viajan en direcciones opuestas en una bobina de cable de fibra óptica de hasta 5 km de longitud. Al igual que el giroscopio láser anular , utiliza el efecto Sagnac . [58]
Un giroscopio de momento London se basa en el fenómeno de la mecánica cuántica, mediante el cual un superconductor giratorio genera un campo magnético cuyo eje se alinea exactamente con el eje de giro del rotor giroscópico. Un magnetómetro determina la orientación del campo generado, que se interpola para determinar el eje de rotación. Los giroscopios de este tipo pueden ser extremadamente precisos y estables. Por ejemplo, los utilizados en el experimento Gravity Probe B midieron cambios en la orientación del eje de giro del giroscopio en mejor que 0,5 milisegundos de arco (1,4 × 10−7 grados, o aproximadamente2,4 × 10 −9 radianes ) durante un período de un año. [59] Esto equivale a una separación angular del ancho de un cabello humano visto desde 32 kilómetros (20 millas) de distancia. [60]
El giroscopio GP-B consiste en una masa giratoria esférica casi perfecta hecha de cuarzo fundido , que proporciona un soporte dieléctrico para una fina capa de material superconductor de niobio . Para eliminar la fricción que se encuentra en los rodamientos convencionales, el conjunto del rotor está centrado por el campo eléctrico de seis electrodos. Después del giro inicial mediante un chorro de helio que lleva el rotor a 4000 RPM , la carcasa pulida del giroscopio se evacua a un vacío ultraalto para reducir aún más la resistencia del rotor. Siempre que la electrónica de la suspensión permanezca alimentada, la extrema simetría rotacional , la falta de fricción y la baja resistencia permitirán que el momento angular del rotor lo mantenga girando durante unos 15.000 años. [61]
Un DC SQUID sensible que puede discriminar cambios tan pequeños como un cuanto, o aproximadamente 2 × 10−15 Wb , se utiliza para monitorear el giroscopio. Una precesión , o inclinación, en la orientación del rotor hace que el campo magnético del momento London se desplace en relación con la carcasa. El campo móvil pasa a través de un bucle captador superconductor fijado a la carcasa, induciendo una pequeña corriente eléctrica. La corriente produce un voltaje a través de una resistencia en derivación, que un microprocesador resuelve en coordenadas esféricas. El sistema está diseñado para minimizar el par de Lorentz en el rotor. [62] [63]
El rotor principal de un helicóptero actúa como un giroscopio. Su movimiento está influenciado por el principio de precesión giroscópica, que es el concepto de que una fuerza aplicada a un objeto que gira tendrá una reacción máxima aproximadamente 90 grados después. La reacción puede diferir de 90 grados cuando están en juego otras fuerzas más fuertes. [64] Para cambiar de dirección, los helicópteros deben ajustar el ángulo de cabeceo y el ángulo de ataque. [sesenta y cinco]
Prototipo de vehículo Gyro X creado por Alex Tremulis y Thomas Summers en 1967. El automóvil utilizaba precesión giroscópica para conducir sobre dos ruedas. Un conjunto que constaba de un volante montado en una carcasa de cardán debajo del capó del vehículo actuaba como un gran giroscopio. El volante giraba mediante bombas hidráulicas creando un efecto giroscópico en el vehículo. Un ariete precesional era responsable de girar el giroscopio para cambiar la dirección de la fuerza precesional y contrarrestar cualquier fuerza que causara el desequilibrio del vehículo. El prototipo único se encuentra ahora en el Lane Motor Museum en Nashville, Tennessee. [66]
Además de utilizarse en brújulas, aviones, dispositivos señaladores de computadoras, etc., los giroscopios se han introducido en la electrónica de consumo.
Dado que el giroscopio permite calcular la orientación y la rotación, los diseñadores los han incorporado a la tecnología moderna. La integración del giroscopio ha permitido un reconocimiento más preciso del movimiento dentro de un espacio 3D que el anterior acelerómetro solitario en varios teléfonos inteligentes. Los giroscopios en la electrónica de consumo se combinan frecuentemente con acelerómetros para lograr una detección de dirección y movimiento más sólida. Ejemplos de tales aplicaciones incluyen teléfonos inteligentes como el Samsung Galaxy Note 4 , [67] HTC Titan , [68] Nexus 5 , iPhone 5s , [69] Nokia 808 PureView [70] y Sony Xperia , periféricos de consolas de juegos como la PlayStation 3. mando y el mando de Wii , y cascos de realidad virtual como el Oculus Rift . [71]
Nintendo ha integrado un giroscopio en el control remoto Wii de la consola Wii mediante una pieza de hardware adicional llamada " Wii MotionPlus ". [72] También se incluye en los controladores 3DS , Wii U GamePad y Nintendo Switch Joy-Con y Pro , que detectan movimiento al girar y sacudir.
Los cruceros utilizan giroscopios para nivelar dispositivos sensibles al movimiento, como mesas de billar autonivelantes. [73]
Un giroscopio de volante eléctrico insertado en una rueda de bicicleta se vende como alternativa a las ruedas de apoyo. [74] Algunas funciones de los teléfonos Android como PhotoSphere o 360 Camera y el uso de dispositivos de realidad virtual no funcionan sin un sensor giroscópico en el teléfono. [75]
Bajo el título de instrumentos de precesión, se utilizan desde hace varios años diversos aparatos que utilizan el principio del giroscopio para ilustrar la precesión de los equinoccios y el paralelismo del eje de la Tierra en su rotación alrededor del sol.
{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)