Giroscopio

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Un giroscopio (del otro griego γῦρος  “círculo” + σκοπέω  “miro”) es un dispositivo capaz de responder a cambios en los ángulos de orientación del cuerpo sobre el que está instalado con relación al marco de referencia inercial . El ejemplo más simple de un giroscopio es un trompo .

El término fue introducido por primera vez por J. Foucault en su informe de 1852 en la Academia de Ciencias de Francia . El informe estuvo dedicado a los métodos de detección experimental de la rotación de la Tierra en el espacio inercial . Esta es la razón del nombre "giroscopio".

Historia

Antes de la invención del giroscopio, la humanidad usaba varios métodos para determinar la dirección en el espacio. Desde la antigüedad, las personas se han guiado visualmente por objetos distantes, en particular, por el Sol. Ya en la antigüedad aparecieron los primeros aparatos basados ​​en la gravedad: la plomada y el nivel . En la Edad Media, se inventó la brújula en China , aprovechando el magnetismo de la Tierra. En la antigua Grecia se crearon el astrolabio y otros instrumentos basados ​​en la posición de las estrellas.

El giroscopio fue inventado por John Bonenberger y publicó una descripción de su invento en 1817 [1] . Sin embargo, el matemático francés Poisson , allá por 1813, menciona a Bonenberger como el inventor de este dispositivo [2] . La parte principal del giroscopio Bonenberger era una bola masiva giratoria en una suspensión de cardán [3] . En 1832, el estadounidense Walter R. Johnson inventó el giroscopio de disco giratorio [4] [5] . El científico francés Laplace recomendó este dispositivo con fines educativos [6] . En 1852, el científico francés Foucault perfeccionó el giroscopio y lo utilizó por primera vez como dispositivo que mostraba un cambio de dirección (en este caso, la Tierra), un año después de la invención del péndulo de Foucault , también basado en la conservación de momento de rotación [7] . Fue Foucault quien acuñó el nombre de "giroscopio". Foucault, como Bonenberger, utilizó cardanes. A más tardar en 1853, Fessel inventó otra versión de la suspensión giroscópica [8] .

La ventaja del giroscopio sobre dispositivos más antiguos era que funcionaba correctamente en condiciones difíciles (mala visibilidad, temblores, interferencias electromagnéticas). Sin embargo, la rotación del giroscopio se ralentizó rápidamente debido a la fricción.

En la segunda mitad del siglo XIX se propuso utilizar un motor eléctrico para acelerar y mantener la rotación del giroscopio. Por primera vez en la práctica, el giroscopio fue utilizado en la década de 1880 por el ingeniero Aubrey para estabilizar el rumbo de un torpedo . En el siglo XX, los giroscopios comenzaron a usarse en aviones, cohetes y submarinos en lugar de una brújula o junto con ella.

Clasificación

Los principales tipos de giroscopios según el número de grados de libertad :

Los dos tipos principales de giroscopios según el principio de funcionamiento:

También se están realizando investigaciones para crear giroscopios nucleares que utilicen RMN para rastrear los cambios en el giro de los núcleos atómicos. [9]

Giroscopios mecánicos

Entre los giroscopios mecánicos, se destaca un giroscopio giratorio : un cuerpo sólido ( rotor )  que gira rápidamente , cuyo eje de rotación puede cambiar libremente de orientación en el espacio. En este caso, la velocidad de rotación del giroscopio supera significativamente la velocidad de rotación del eje de su rotación. La propiedad principal de un giroscopio de este tipo es la capacidad de mantener una dirección constante del eje de rotación en el espacio en ausencia de momentos de fuerzas externas que actúen sobre él y resistir efectivamente la acción de momentos de fuerzas externas. Esta propiedad está determinada en gran medida por el valor de la velocidad angular de la propia rotación del giroscopio.

Esta propiedad fue utilizada por primera vez por Foucault en 1852 para demostrar experimentalmente la rotación de la Tierra . Es gracias a esta demostración que el giroscopio obtuvo su nombre de las palabras griegas para "rotación", "observo".

Propiedades de un giroscopio rotatorio de tres grados

Cuando se expone al momento de una fuerza externa alrededor de un eje perpendicular al eje de rotación del rotor, el giroscopio comienza a girar alrededor del eje de precesión , que es perpendicular al momento de las fuerzas externas.

El comportamiento de un giroscopio en un marco de referencia inercial se describe, según la consecuencia de la segunda ley de Newton , por la ecuación

donde los vectores y son, respectivamente, el momento de la fuerza que actúa sobre el giroscopio y su momento angular .

Un cambio en el vector de momento angular bajo la acción de un momento de fuerza es posible no solo en magnitud, sino también en dirección. En particular, un momento de fuerza aplicado perpendicularmente al eje de rotación del giroscopio, es decir, perpendicular a , conduce a un movimiento perpendicular a ambos , es decir, al fenómeno de precesión . La velocidad angular de la precesión del giroscopio está determinada por su momento angular y el momento de la fuerza aplicada [10] :

es decir, es inversamente proporcional al momento de impulso del rotor del giroscopio o, con un momento constante de inercia del rotor, a la velocidad de su rotación.

Simultáneamente al inicio de la precesión, según la consecuencia de la tercera ley de Newton , el giroscopio comenzará a actuar sobre los cuerpos que lo rodean con un momento de reacción de igual magnitud y dirección opuesta al momento aplicado al giroscopio. Este momento de reacción se llama momento giroscópico.

El mismo movimiento del giroscopio puede interpretarse de forma diferente si utilizamos un sistema de referencia no inercial asociado a la carcasa del rotor e introducimos en él una fuerza de inercia ficticia  , la llamada fuerza de Coriolis . Por lo tanto, bajo la influencia de un momento de fuerza externo, el giroscopio girará inicialmente con precisión en la dirección de la acción del momento externo ( lanzamiento de nutación ). Cada partícula del giroscopio se moverá así con una velocidad angular portátil de rotación debido a la acción de este momento. Pero el rotor del giroscopio, además, gira solo, por lo que cada partícula tendrá una velocidad relativa. Como resultado, surge una fuerza de Coriolis, que hace que el giroscopio se mueva en una dirección perpendicular al momento aplicado, es decir, en precesión.

Giroscopios vibrantes

Los giroscopios vibrantes son dispositivos que mantienen la dirección de sus oscilaciones cuando se gira la base.

Giroscopios ópticos

Se dividen en giroscopios láser (ópticos activos), giroscopios ópticos pasivos, fibra óptica y ópticos integrados (FOGi IOG). El principio de funcionamiento se basa en el efecto Sagnac descubierto en 1913 [11] [12] . Teóricamente, se explica con la ayuda de SRT . Según SRT, la velocidad de la luz es constante en cualquier sistema de referencia inercial [13] . Mientras que en un sistema no inercial puede diferir de c [14] . Al enviar un haz de luz en el sentido de giro del dispositivo y contra el sentido de giro, la diferencia en el tiempo de llegada de los rayos (determinado por el interferómetro ) permite encontrar la diferencia en los caminos ópticos de los rayos en el marco de referencia inercial y, por lo tanto, la cantidad de rotación angular del dispositivo durante el paso del haz. La magnitud del efecto es directamente proporcional a la velocidad angular de rotación del interferómetro y el área cubierta por la propagación de las ondas de luz en el interferómetro [11] :

donde es la diferencia en los tiempos de llegada de los rayos emitidos en diferentes direcciones,  es el área del contorno,  es la velocidad angular del giroscopio.

Dado que el valor es muy pequeño, su medición directa con interferómetros pasivos solo es posible en giroscopios de fibra óptica con una longitud de fibra de 500–1000 m En un interferómetro de anillo giratorio de un giroscopio láser, es posible medir el cambio de fase de ondas contrapropagantes, igual a [11] :

donde  es la longitud de onda.

Aplicación en ingeniería

Las propiedades de un giroscopio se utilizan en dispositivos: giroscopios, cuya parte principal es un rotor que gira rápidamente , que tiene varios grados de libertad (ejes de posible rotación).

La mayoría de las veces, se utilizan giroscopios, colocados en suspensión de cardán . Dichos giroscopios tienen 3 grados de libertad, es decir, pueden hacer 3 rotaciones independientes alrededor de los ejes AA' , BB' y CC' , intersecándose en el centro de la suspensión O , que permanece estacionaria con respecto a la base A.

Los giroscopios cuyo centro de masa coincide con el centro de suspensión O se denominan astáticos, en caso contrario se denominan giroscopios estáticos.

Para garantizar la rotación del rotor del giroscopio a alta velocidad, se utilizan motores giroscópicos especiales .

Para controlar el giroscopio y tomar información de él, se utilizan sensores de ángulo y sensores de momento .

Los giroscopios se utilizan como componentes tanto en sistemas de navegación ( ángulo de actitud , girocompás , INS , etc.) como en sistemas de orientación y estabilización de naves espaciales. Cuando se utiliza en un giroscopio vertical , las lecturas del giroscopio deben ser corregidas por un acelerómetro (péndulo), ya que debido a la rotación diaria de la Tierra y la salida del giroscopio, se produce una desviación de la verdadera vertical. Además, los giroscopios mecánicos pueden utilizar el desplazamiento de su centro de masa, lo que equivale al impacto directo del péndulo sobre el giroscopio [15] .

Sistemas de estabilización

Estos sistemas son necesarios para mantener el parámetro deseado en un cierto nivel constante. Esto requiere establecer el valor requerido de la variable controlada. [dieciséis]

Los sistemas de estabilización son de tres tipos principales.

  • Sistema de estabilización de potencia (en giroscopios de dos grados).

Se necesita un giroscopio para estabilizar alrededor de cada eje. La estabilización se realiza mediante un giroscopio y un motor de descarga, primero actúa el momento giroscópico y luego se conecta el motor de descarga.

  • Sistema de estabilización de potencia de indicador (en giroscopios de dos etapas).

Se necesita un giroscopio para estabilizar alrededor de cada eje. La estabilización se lleva a cabo solo descargando motores, pero al principio aparece un pequeño momento giroscópico, que puede despreciarse.

  • Sistema de estabilización de indicadores (en giroscopios de tres etapas)

Para la estabilización alrededor de dos ejes, se necesita un giroscopio. La estabilización se lleva a cabo solo mediante la descarga de motores.

El efecto giroscópico se utiliza para estabilizar el vuelo de municiones no guiadas de armas de mano y de artillería estriadas dándoles rotación alrededor del eje longitudinal [17] . Lo mismo se puede lograr en algunas municiones con plumaje fijado en cierto ángulo con respecto al eje longitudinal, por ejemplo, en cohetes . Las municiones guiadas, en particular los misiles de crucero , pueden utilizar giroscopios.

Nuevos tipos de giroscopios

Las demandas cada vez mayores sobre la precisión y las características de rendimiento de los instrumentos giroscópicos han obligado a los científicos e ingenieros de muchos países del mundo no solo a mejorar los giroscopios clásicos con un rotor giratorio, sino también a buscar ideas fundamentalmente nuevas que han hecho posible resolver el problema de crear sensores sensibles para medir y mostrar los parámetros del movimiento angular de un objeto.

Actualmente se conocen más de un centenar de fenómenos y principios físicos diferentes que permiten resolver problemas giroscópicos. Se han emitido miles de patentes para invenciones relevantes en los EE . UU ., la UE , Japón , Rusia .

Debido a que los giroscopios de precisión se utilizan en sistemas de guía para misiles estratégicos de largo alcance, la investigación en esta área se clasificó como clasificada durante la Guerra Fría.

Una dirección prometedora es el desarrollo de giroscopios cuánticos .

Perspectivas para el desarrollo de la navegación giroscópica

Hoy en día, se han creado sistemas giroscópicos suficientemente precisos que satisfacen a una amplia gama de consumidores. La reducción de los fondos asignados al complejo militar-industrial en los presupuestos de los principales países del mundo ha aumentado considerablemente el interés por las aplicaciones civiles de la tecnología giroscópica. Por ejemplo, hoy en día está muy extendido el uso de giroscopios micromecánicos en sistemas de estabilización de vehículos o cámaras de vídeo .

Según los defensores de métodos de navegación como GPS y GLONASS , el notable progreso en la navegación por satélite de alta precisión ha hecho innecesarias las ayudas a la navegación autónomas (dentro del área de cobertura de un sistema de navegación por satélite (SNS), es decir, dentro del planeta). En la actualidad, los sistemas SNS superan a los sistemas giroscópicos en términos de masa, tamaño y costo. Sin embargo, la solución de la posición angular del dispositivo en el espacio mediante sistemas SNS (multi-antena), aunque posible, es muy difícil y presenta una serie de importantes limitaciones, a diferencia de los sistemas giroscópicos.

Actualmente se está desarrollando un sistema de navegación por satélite de tercera generación . Permitirá determinar las coordenadas de objetos en la superficie terrestre con una precisión de varios centímetros en el modo diferencial estando en el área de cobertura de la señal de corrección DGPS . Esto supuestamente elimina la necesidad de utilizar giroscopios de rumbo. Por ejemplo, la instalación de dos receptores de señales de satélite en las alas de una aeronave permite obtener información sobre la rotación de la aeronave alrededor de un eje vertical.

Sin embargo, los sistemas SNS no pueden determinar con precisión la posición en entornos urbanos, con poca visibilidad satelital. Problemas similares se encuentran en áreas boscosas. Además, el paso de las señales del SNS depende de procesos en la atmósfera, obstáculos y reflejos de la señal. Los dispositivos giroscópicos autónomos funcionan en cualquier lugar: bajo tierra, bajo el agua, en el espacio.

En aeronaves, el SNS resulta ser más preciso que el INS en tramos largos . Pero el uso de dos receptores SNS para medir los ángulos de inclinación de la aeronave da errores de hasta varios grados. El cálculo del rumbo mediante la determinación de la velocidad de la aeronave utilizando el SNA tampoco es lo suficientemente preciso. Por lo tanto, en los sistemas de navegación modernos, la solución óptima es una combinación de sistemas satelitales y giroscópicos, denominado sistema INS/SNS integrado (integrado).

En las últimas décadas, el desarrollo evolutivo de la tecnología giroscópica se ha acercado al umbral de los cambios cualitativos. Es por eso que la atención de los especialistas en el campo de la giroscopia ahora se centra en la búsqueda de aplicaciones no estándar de este tipo de dispositivos. Se han abierto tareas completamente nuevas e interesantes: exploración geológica, predicción de terremotos, medición ultraprecisa de las posiciones de vías férreas y oleoductos, tecnología médica y muchas otras.

Uso en electrodomésticos

Una reducción significativa en el costo de producción de sensores MEMS ha llevado al hecho de que se usan cada vez más en teléfonos inteligentes y consolas de juegos .

Los giroscopios se han utilizado en controladores para consolas de juegos: Sixaxis para Sony PlayStation 3 y Wii MotionPlus para Nintendo Wii y versiones posteriores. Junto con el giroscopio, tienen un acelerómetro.

Inicialmente, el único sensor de orientación en los teléfonos inteligentes era un acelerómetro MEMS de tres ejes , sensible solo a la aceleración. En un estado de reposo relativo, permitió estimar aproximadamente la dirección del vector de fuerza gravitatoria de la Tierra (g) . Desde 2010, los teléfonos inteligentes se han equipado adicionalmente con un giroscopio MEMS de vibración de tres ejes, uno de los primeros fue el iPhone 4. A veces también se instala un magnetómetro (brújula electrónica) para compensar la deriva de los giroscopios. [18] [19]

Juguetes basados ​​en giroscopios

Los ejemplos más simples de juguetes hechos sobre la base de un giroscopio son yo-yo , trompo (yula) , spinner (los trompos se diferencian de los giroscopios en que no tienen un solo punto fijo).

Además, hay un simulador de giroscopio deportivo .

Varios helicópteros controlados por radio utilizan un giroscopio.

Se necesitan al menos tres giroscopios para el vuelo de multicópteros , en particular quadrocópteros.

Véase también

Notas

  1. ↑ Johann G.F. Bohnenberger (1817) "Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren" ("Descripción de una máquina para explicar las leyes de rotación de la Tierra alrededor de su eje y cambiando la dirección de este último") Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde , vol. 3, páginas 72-83. En línea: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf Archivado el 19 de julio de 2011 en Wayback Machine .
  2. ↑ Simeon-Denis Poisson (1813) "Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotación des corps pesans" ("Artículo sobre un caso especial de movimiento de rotación de cuerpos masivos"), Journal de l'École Polytechnique , vol. 9, páginas 247-262. En línea: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf Archivado el 19 de julio de 2011 en Wayback Machine .
  3. ↑ Foto del giroscopio Bonenberger: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 Archivado el 28 de septiembre de 2007 en Wayback Machine .
  4. ↑ Walter R. Johnson (enero de 1832) "Descripción de un aparato llamado rotascopio para exhibir varios fenómenos e ilustrar ciertas leyes del movimiento rotatorio", The American Journal of Science and Art , primera serie, vol. 21, núm. 2, páginas 265-280. En línea: https://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html Archivado el 30 de septiembre de 2014 en Wayback Machine .
  5. ↑ Las ilustraciones del giroscopio de Walter R. Johnson ("rotascopio") aparecen en: Junta de Regentes, Décimo Informe Anual de la Junta de Regentes de la Institución Smithsonian…. (Washington, DC: Cornelius Wendell, 1856), páginas 177-178. En línea: https://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html Archivado el 25 de septiembre de 2014 en Wayback Machine .
  6. ↑ Wagner JF, "La máquina de Bohnenberger", Instituto de Navegación. En línea: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 Archivado el 28 de septiembre de 2007 en Wayback Machine .
  7. ↑ L. Foucault (1852) "Sur les phénomènes d'orientation des corps tournants entraînés par un ax fixe à la surface de la terre", Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences (París) , vol. 35, páginas 424-427.
  8. ↑ (1) Julius Plücker (septiembre de 1853) "Über die Fessel'sche rotarysmachine", Annalen der Physik , vol. 166, núm. 9, páginas 174-177; (2) Julius Plücker (octubre de 1853) "Noch ein wort über die Fessel'sche rotarysmachine", Annalen der Physik , vol. 166, núm. 10, páginas 348-351; (3) Charles Wheatstone (1864) "Sobre el giroscopio de Fessel", Actas de la Royal Society de Londres , vol. 7, páginas 43-48. В интернете: https://books.google.com/books?id=CtGEAAAAIAAJ&pg=RA1-PA307&lpg=RA1-PA307&dq=Fessel+gyroscope&source=bl&ots=ZP0mYYrp_d&sig=DGmUeU4MC8hAMuBtDSQn4GpAyWc&hl=en&ei=N4s9SqOaM5vKtgf62vUH&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=9 Архивная копия fechado el 30 de septiembre de 2014 en Wayback Machine .
  9. ↑ Giroscopio nuclear Archivado el 16 de enero de 2014 en Wayback Machine (Diccionario enciclopédico físico); Northrop Grumman demuestra un giroscopio micro-NMRG en miniatura. Archivado el 9 de noviembre de 2013 en Wayback Machine , 30/10/2013; Giroscopios de resonancia magnética nuclear Archivado el 16 de enero de 2014 en Wayback Machine , NIST
  10. ↑ Saveliev, 2004 , pág. 190-197.
  11. ↑ 1 2 3 Raspopov, 2009 , pág. 62-64.
  12. ↑ Georges Sagnac . L'ether lumineux demontre par l'effet du vent relatif d'ether dans un interferometre en rotación uniforme Archivado el 26 de mayo de 2013 en Wayback Machine , Comptes Rendus 157 (1913), S. 708-710
  13. ↑ Landau L. D. , Lifshitz E. M. Teoría de campos. - 8ª edición, estereotipada. — M .: Fizmatlit , 2006. — 534 p. - (" Física Teórica ", Tomo II). — ISBN 5-9221-0056-4 .
  14. ↑ Saveliev, 2004 , pág. 255-256.
  15. ↑ Pelpor, 1988 , pág. 170-171.
  16. ↑ AV Andryushin, V.R. Sabanin, N.I. Smirnov. Gestión e innovación en ingeniería térmica. - M: MPEI, 2011. - S. 15. - 392 p. - ISBN 978-5-38300539-2 .
  17. ↑ Vnukov VP Artillery. ed. 2º, rev. y adicional / Capítulo 6. Top y giroscopio // M .: Editorial militar estatal del Comisariado Popular de Defensa de la URSS , 1938. - 360 p., ilus.
  18. ↑ [1] Archivado el 16 de enero de 2014 en Wayback Machine [2] Archivado el 16 de enero de 2014 en Wayback Machine [3] Archivado el 10 de abril de 2022 en Wayback Machine
  19. ↑ Primer teléfono inteligente con giroscopio MEMS que se enviará en junio; no será el último Archivado el 24 de septiembre de 2015 en Wayback Machine // EETimes, 11/5/2010

Literatura

  • Borozdin VN  Instrumentos giroscópicos y dispositivos de sistemas de control: Proc. asignación para universidades. - M. : Mashinostroenie, 1990. - 272 p. — ISBN 5-217-00359-6 .
  • Sistemas giroscópicos / Ed. D. S. Pelpora . A las 3 en punto - M .: Escuela Superior, 1986-1988. Parte 1: Teoría de giroscopios y estabilizadores giroscópicos. 1986; Parte 2: Dispositivos y sistemas giroscópicos. 1988; Parte 3: Elementos de los instrumentos giroscópicos. 1988
  • Matveev VV, Raspopov V. Ya.  Fundamentos de la construcción de sistemas de navegación inercial strapdown. 2ª ed./ed. V. Ya. Raspopova. - San Petersburgo. : Instituto Central de Investigación "Elektroribor", 2009. - 280 p. - ISBN 978-5-900780-73-3 .
  • Merkuriev I. V. , Podalkov V. V.  Dinámica de giroscopios micromecánicos y de estado sólido ondulatorio. - M. : Fizmatlit, 2009. - 226 p. - ISBN 978-5-9221-1125-6 .
  • Pavlovsky M. A.  Teoría de los giroscopios: Libro de texto para universidades. - Kyiv: escuela Vishcha, 1986. - 303 p.
  • Pelpor D.S.  Sistemas giroscópicos. Parte 2. Dispositivos y sistemas giroscópicos. 2ª ed. - M. : Escuela Superior, 1988. - 424 p. - 6000 copias.  - ISBN 5-06-001186-0 .
  • Savelyev I.V.  Curso de física general. T. 1. Mecánica. - M. : Astrel, 2004. - T. 1. - 336 p. - 5000 copias.  — ISBN 5-17-002963-2 . .
  • Sivukhin DV Curso general de física. - 5ª edición, estereotipada. - M. : Fizmatlit , 2006. - T. I. Mecánica. — 560 págs. - ISBN 5-9221-0715-1 .
  • Klimov D. M. , Zhuravlev V. F. , Zhbanov Yu.K. Resonador hemisférico de cuarzo (giroscopio de estado sólido Wave). - M. : Kim L.A., 2017. - 194 p. - ISBN 978-5-9909668-5-7 .

Enlaces

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