Giroscopio

El giroscopio o giróscopo es un dispositivo mecánico formado esencialmente por un cuerpo con simetría de rotación que gira alrededor de su eje de simetría. Cuando se somete el giroscopio a un torque que tiende a cambiar la orientación del eje de rotación su comportamiento es aparentemente paradoxal ya que el eje de rotación, en lugar de cambiar de dirección como lo haría un cuerpo que no girase, cambia de orientación en una dirección perpendicular a la dirección "intuitiva".

El giroscopio fue inventado en 1852 por Léon Foucault, quien también le dio el nombre, para un experimento de demostración de la rotación de la tierra. La rotación ya había sido demostrada con el péndulo de Foucault. Sin embargo no comprendía el por qué la velocidad de rotación del péndulo era más lenta que la velocidad de rotación de la tierra por un factor. Se necesitaba otro aparato para demostrar la rotación de la tierra de forma más simple. Foucault presentó así un aparato capaz de conservar una rotación suficientemente rápida (150 a 200 vueltas por minuto) durante un tiempo suficiente (una decena de minutos) para que se pudiesen hacer medidas. Esta proeza mecánica (para la época) ilustra el talento de Foucault y su colaborador Froment en mecánica. Foucault también se dio cuenta que su aparato podía servir para indicar el Norte. En efecto, si se impiden ciertos movimientos del soporte del giroscopio, este se alinea con el meridiano. Esto permitió la invención del girocompás.

Los giroscopios se han utilizado en girocompases y giropilotos. Los giroscopios también se han utilizado para disminuir el balanceo de navíos, para estabilizar plataformas de tiro y para estabilizar plataformas inerciales sobre las cuales están fijados captadores de aceleración para la navegación inercial en aviones y misiles construidos antes de la aparición del GPS. El efecto giroscópico comunica una estabilidad intrínseca a las motocicletas y a las bicicletas en movimiento y permite su utilización por todo el mundo sin exigir habilidades de equilibrista. El efecto giroscópico es la base del funcionamiento de los juguetes trompo o peonza y dynabee.

El efecto giroscópico

Supongamos un giroscopio formado por un disco montado sobre un eje horizontal, alrededor del cual el disco gira libremente a gran velocidad, como se observa en la figura de la derecha. Un observador mantiene el eje del fondo con la mano izquierda y el eje de delante con la mano derecha. Si el observador trata de hacer girar el eje hacia la derecha (bajando la mano derecha y subiendo la mano izquierda) sentirá un comportamiento muy curioso, ya que el giroscopio empuja su mano derecha y tira de su mano izquierda. El observador acaba de sentir el efecto giroscopio. Es una sensación muy sorprendente porque da la impresión de que el giroscopio no se comporta como un objeto "normal".

Origen físico del efecto

Sea el objeto dibujado en la imagen de la derecha, formado por dos masas (en negro) de pequeñas dimensiones sujetas por una barra (en verde) en forma de T de masa despreciable y total rigidez. El centro de la T está fijado a un soporte por medio de una rótula (mecánica). Esta rótula permite que la barra en T gire libremente alrededor de cualquier eje.

Las masas giran rápidamente alrededor del punto fijo con una velocidad tangencial . En el momento cuando las masas pasan por la posición del dibujo se da un golpecito hacia abajo en la extremidad libre de la T. Ese golpecito es en realidad una fuerza aplicada durante un corto instante y se llama, en física, un impulso. La barra verde transmite ese impulso a las dos masas y le da a cada una, una pequeña velocidad horizontal perpendicular a la velocidad actual. Hacia la derecha en la masa de arriba y hacia la izquierda en la masa de abajo.

En el dibujo de la derecha aparecen las dos masas vistas desde arriba. Las velocidades comunicadas por la impulsión se suman a las velocidades corrientes. El resultado es que la velocidad de la masa de arriba se desvía ligeramente hacia la derecha y la velocidad de la masa de abajo se desvía hacia la izquierda. Y el resultado final es que el plano de rotación de las dos masas ha girado un poco hacia la derecha. O, dicho de otra manera, el eje de rotación de las dos masas ha girado hacia la derecha.

Ese es el efecto giroscópico. Un objeto normal (que no gira) sigue la dirección del torque y gira en la dirección del torque. Un objeto de gira (un giroscopio) gira en un sentido a 90° de la dirección del torque.

En un giroscopio no se trata de dos masas puntuales sino de masas distribuidas sobre todo el disco o el cilindro, pero eso no cambia el fondo de la explicación. Y cuando, en lugar de darle un impulso a un giroscopio, se le aplica un torque, se puede considerar este torque como una sucesión de cortos impulsos. Cada una de ellos añade a las masas una ínfima velocidad perpendicular a sus velocidades. Eso hace que la velocidad cambie de dirección sin cambiar de módulo.