Giroscopio
Un giroscopio o giróscopo (del griego antiguo γῦρος gŷros, "redondo" y σκοπέω skopéō, "mirar") es un dispositivo utilizado para medir o mantener la orientación y la velocidad angular. Es una rueda o disco giratorio 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 montaje, de acuerdo con la conservación del momento angular.
También existen giroscopios basados en otros principios operativos, como los giroscopios MEMS empaquetados con microchip 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.
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. Los giroscopios se pueden usar para construir girocompases, que complementan o reemplazan las brújulas magnéticas (en barcos, aeronaves y naves espaciales, vehículos en general), para ayudar en la estabilidad (bicicletas, motocicletas y barcos) o como parte de un sistema de guía inercial.
Los giroscopios MEMS son populares en algunos productos electrónicos de consumo, como los teléfonos inteligentes.
Descripción y diagrama
Un giroscopio es un instrumento que consiste en 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 cardan más interior tenga una orientación que permanezca independiente de la orientación, en el espacio, de su soporte.
En el caso de un giroscopio con dos cardanes, el cardan exterior, que es el marco del giroscopio, está montado para pivotar 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, el cardán interior, está montado en el marco del giroscopio (cardán exterior) para pivotar sobre 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 sobre un eje, que siempre es perpendicular al eje del cardán interior. Entonces el rotor posee tres grados de libertad rotacional y su eje posee dos. El rotor responde a una fuerza aplicada al eje de entrada por una fuerza de reacción al eje de salida.
El comportamiento de un giroscopio se puede apreciar más fácilmente considerando la rueda delantera de una bicicleta. Si la rueda se inclina alejándose de la vertical de modo que la parte superior de la rueda se mueva hacia la izquierda, el borde delantero de la rueda también gira hacia la izquierda. En otras palabras, la rotación sobre un eje de la rueda giratoria produce la rotación del tercer eje.
Un volante de giroscopio rodará 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 cardán de salida libre son los giroscopios de control de actitud que se utilizan 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 de los elementos. Por ejemplo, el rotor giratorio puede suspenderse en un fluido, en lugar de montarse en cardanes. Un giroscopio de momento de control (CMG) es un ejemplo de un dispositivo 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 solo dos grados de libertad. En otros casos, el centro de gravedad del rotor puede estar desplazado del eje de oscilación y, por lo tanto, el centro de gravedad del rotor y el centro de suspensión del rotor pueden no coincidir.
Historia
Esencialmente, un giroscopio es un trompo combinado con un par de cardanes. Las tapas se inventaron en muchas civilizaciones diferentes, incluidas la Grecia clásica, Roma y China. 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 utilizó como nivel para ubicar 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". La máquina de Bohnenberger se basaba en una esfera masiva giratoria. En 1832, el estadounidense Walter R. Johnson desarrolló un dispositivo similar basado en un disco giratorio. El matemático francés Pierre-Simon Laplace, que trabajaba en la École Polytechnique de París, recomendó la máquina para su uso como material didáctico y, por lo tanto, llamó la atención de Léon Foucault. En 1852, Foucault lo utilizó en un experimento sobre la rotación de la Tierra. Fue Foucault quien le dio al dispositivo su nombre moderno, en un experimento para ver (en griego skopeein, ver) la rotación de la Tierra (en griego gyros, círculo o rotación), que era visible en los 8 a 10 minutos antes de que la fricción redujera la velocidad del rotor giratorio.
En la década de 1860, la llegada de los motores eléctricos hizo posible que un giroscopio girara indefinidamente; esto condujo al primer prototipo de indicadores de rumbo y a un dispositivo bastante más complicado, la brújula giroscópica. El primer girocompás funcional fue patentado en 1904 por el inventor alemán Hermann Anschütz-Kaempfe. El estadounidense Elmer Sperry siguió con su propio diseño más tarde ese año, y otras naciones pronto se dieron cuenta de la importancia militar de la invención, en una época en la que la destreza naval era la medida más importante del poder militar, y crearon sus propias industrias de giroscopios. Sperry Gyroscope Company se expandió rápidamente para proporcionar estabilizadores navales y de aeronaves, y otros desarrolladores de giroscopios siguieron su ejemplo.
En 1917, Chandler Company 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 compañía en 1982. TEDCO todavía produce el juguete de Chandler en la actualidad.
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 mediante la creación de una plataforma estable desde la cual se pudieran realizar mediciones de aceleración precisas (para evitar la necesidad de estrellas). avistamientos para calcular la posición). Posteriormente se emplearon principios similares en el desarrollo de sistemas de navegación inercial para misiles balísticos.
Durante la Segunda Guerra Mundial, el giroscopio se convirtió en el componente principal de las miras de aviones y armas antiaéreas. Después de la guerra, la carrera para miniaturizar 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 cm).. Algunos de estos giroscopios miniaturizados podían alcanzar una velocidad de 24.000 revoluciones por minuto en menos de 10 segundos.
Los giroscopios continúan 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 
Los giroscopios basados en MEMS de tres ejes también se utilizan en dispositivos electrónicos portátiles como tabletas, teléfonos inteligentes y relojes inteligentes. 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 la extensión y la velocidad de rotación en el espacio (balanceo, cabeceo y guiñada). Algunos dispositivos incorporan además un magnetómetro para proporcionar mediciones angulares absolutas en relación con el campo magnético de la Tierra. Las unidades de medición inercial basadas en MEMS más nuevas incorporan hasta los nueve ejes de detección en un solo paquete de circuito integrado, lo que proporciona detección de movimiento económica y ampliamente disponible.
Principios giroscópicos
Todos los objetos giratorios tienen propiedades giroscópicas. Las principales propiedades que un objeto puede experimentar en cualquier movimiento giroscópico son la rigidez en el espacio y la precesión.
Rigidez en el espacio
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.
Precesión
Un caso simple de precesión, también conocido como precesión constante, puede describirse mediante la siguiente relación con el Momento:
donde 
La ecuación se puede reducir aún más teniendo en cuenta que la velocidad angular a lo largo del eje z es igual a la suma de la Precesión y el Giro: 
o
La precesión giroscópica es inducida por torque. Descrito como la tasa de cambio del momento angular y la velocidad angular que fue producido por el mismo par aplicado. Este fenómeno físico da como resultado sucesos dinámicos aparentemente imposibles. Por ejemplo, un trompo. Este proceso giroscópico se aprovecha en muchas circunstancias aeroespaciales, como aviones y helicópteros, para ayudar a guiarlos hacia la orientación deseada.
Usos contemporáneos
Steadicam
Se empleó una plataforma Steadicam durante la filmación de El retorno del Jedi, junto con dos giroscopios para una estabilización adicional, para filmar las placas de fondo para la persecución en moto deslizadora. El inventor de Steadicam, Garrett Brown, operó la toma, caminando a través de un bosque de secuoyas, ejecutando la cámara a un cuadro por segundo. Cuando se proyectaba a 24 fotogramas por segundo, daba la impresión de volar por el aire a velocidades peligrosas.
Indicador de rumbo
El indicador de rumbo o giroscopio direccional tiene un eje de rotación que se establece horizontalmente, apuntando al norte. A diferencia de una brújula magnética, no busca el norte. Cuando se usa en un avión, por ejemplo, se alejará lentamente del norte y deberá reorientarse periódicamente, utilizando una brújula magnética como referencia.
Giroscopio
A diferencia de un giroscopio direccional o un indicador de rumbo, una brújula giroscópica busca el norte. Detecta la rotación de la Tierra sobre su eje y busca el norte verdadero, en lugar del norte magnético. Las brújulas giroscópicas suelen tener una amortiguación incorporada para evitar el sobreimpulso cuando se recalibran debido a un movimiento repentino.
Acelerómetro
Mediante la determinación de la aceleración de un objeto y la integración en el tiempo, se puede calcular la velocidad del objeto. Integrando de nuevo, se puede determinar la posición. El acelerómetro más simple es un peso que puede moverse libremente horizontalmente, que está unido a un resorte y 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.
Variaciones
Giróstato
Un girostato consta de un volante masivo oculto en una carcasa sólida. Su comportamiento sobre una mesa, o con varios modos de suspensión o apoyo, sirve para ilustrar la curiosa inversión de las leyes ordinarias del equilibrio estático debido al comportamiento girostático del invisible volante interior cuando gira rápidamente. El primer girostato fue diseñado por Lord Kelvin para ilustrar el estado de movimiento más complicado de un cuerpo giratorio cuando está libre para deambular en un plano horizontal, como un trompo girando sobre el pavimento o una bicicleta en la carretera. Kelvin también hizo uso de girostatos para desarrollar teorías mecánicas de la elasticidad de la materia y del éter.En la mecánica continua moderna existe una variedad de estos modelos, basados en las ideas de Lord Kelvin. Representan un tipo específico de teorías de Cosserat (sugeridas por primera vez por Eugène Cosserat y François Cosserat), que se pueden utilizar 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 aisladores magnéticos cerca del estado de saturación magnética en la aproximación de la cuasimagnetostática.
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. Por ejemplo, la estación espacial Mir tenía tres pares de volantes montados internamente conocidos como girodinos o giroscopios de momento de control.
En física, hay varios sistemas cuyas ecuaciones dinámicas se asemejan a las ecuaciones de movimiento de un girostato. Los ejemplos incluyen un cuerpo sólido con una cavidad llena de un líquido homogéneo, incompresible y no viscoso, la configuración de equilibrio estático de una varilla elástica estresada en la teoría de la elasticidad, la dinámica de polarización de un pulso de luz que se propaga a través de un medio no lineal, el sistema de Lorenz en la teoría del caos, y el movimiento de un ion en un espectrómetro de masas de trampa Penning.
Giroscopio MEMS
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.
HRG
El giroscopio resonador hemisférico (HRG), también llamado giroscopio de copa de vino o giroscopio de hongo, utiliza una capa hemisférica delgada de estado sólido, anclada por un vástago grueso. Este caparazón es impulsado a una resonancia de flexión por fuerzas electrostáticas generadas por electrodos que se depositan directamente sobre estructuras separadas de cuarzo fundido que rodean el caparazón. El efecto giroscópico se obtiene a partir de la propiedad inercial de las ondas estacionarias de flexión.
VSG o CVG
Un giroscopio de estructura vibrante (VSG), también llamado giroscopio vibratorio de Coriolis (CVG), utiliza un resonador hecho de diferentes aleaciones metálicas. Toma 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 amortiguación intrínsecos bajos, vacío de resonador y electrónica digital para reducir la deriva dependiente de la temperatura y la inestabilidad de las señales de control.
Los resonadores de copa de vino de alta calidad se utilizan para sensores precisos como HRG.
DTG
Un giroscopio sintonizado dinámicamente (DTG) es un rotor suspendido por una junta universal con pivotes de flexión. La rigidez del resorte de flexión es independiente de la velocidad de giro. Sin embargo, la inercia dinámica (del efecto de reacción giroscópica) del cardán proporciona una rigidez de resorte negativa 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 par, condición necesaria para un giroscopio ideal.
Giroscopio láser de anillo
Un giroscopio láser de anillo se basa en el efecto Sagnac para medir la rotación al medir 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 de anillo 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 siguió mejorando. La razón por la que Honeywell, entre 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 estarían compitiendo contra ellos mismos. El primer problema que tuvieron que resolver fue que con los giroscopios láser las rotaciones por debajo de cierto mínimo no se podían detectar en absoluto, debido a un problema llamado "bloqueo", por lo que los dos haces actúan como osciladores acoplados y atraen las frecuencias de cada uno hacia la convergencia y, por lo tanto, la salida cero. La solución fue sacudir el giroscopio rápidamente para que nunca se quedara bloqueado. Paradójicamente, un movimiento de vacilación demasiado regular produjo una acumulación de períodos cortos de bloqueo cuando el dispositivo estaba en reposo en los extremos de su movimiento de agitación. 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 las fugas de helio. un movimiento de vacilación demasiado regular producía una acumulación de períodos cortos de bloqueo cuando el dispositivo estaba en reposo en los extremos de su movimiento de agitación. 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 las fugas de helio. un movimiento de vacilación demasiado regular producía una acumulación de períodos cortos de bloqueo cuando el dispositivo estaba en reposo en los extremos de su movimiento de agitación. 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 las fugas de helio.
Giroscopio de fibra óptica
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. Al igual que el giroscopio láser de anillo, utiliza el efecto Sagnac.
Momento de londres
Un giroscopio de momento de Londres 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 los cambios en la orientación del eje de giro del giroscopio en más de 0,5 milisegundos de arco (1,4 × 10 grados, o aproximadamente2,4 × 10 radianes) durante un período de un año. Esto es equivalente a una separación angular del ancho de un cabello humano visto desde 32 kilómetros (20 millas) de distancia.
El giroscopio GP-B consta de una masa giratoria esférica casi perfecta hecha de cuarzo fundido, que proporciona un soporte dieléctrico para una capa delgada de material superconductor de niobio. Para eliminar la fricción que se encuentra en los cojinetes convencionales, el conjunto del rotor está centrado por el campo eléctrico de seis electrodos. Después del giro inicial por 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 los componentes electrónicos de la suspensión permanezcan encendidos, la simetría rotacional extrema, la falta de fricción y la baja resistencia permitirán que el momento angular del rotor lo mantenga girando durante aproximadamente 15,000 años.
Se utiliza un DC SQUID sensible que puede discriminar cambios tan pequeños como un cuanto, o alrededor de 2 × 10 Wb, para monitorear el giroscopio. Una precesión, o inclinación, en la orientación del rotor hace que el campo magnético del momento de Londres se desplace con respecto a la carcasa. El campo en movimiento pasa a través de un circuito de captación superconductor fijado a la carcasa, lo que induce una pequeña corriente eléctrica. La corriente produce un voltaje a través de una resistencia de derivación, que se resuelve en coordenadas esféricas por un microprocesador. El sistema está diseñado para minimizar el torque de Lorentz en el rotor.
Otros ejemplos
Helicópteros
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 giratorio tendrá una reacción máxima aproximadamente 90 grados después. La reacción puede diferir de 90 grados cuando están en juego otras fuerzas más fuertes. Para cambiar de dirección, los helicópteros deben ajustar el ángulo de cabeceo y el ángulo de ataque.
Giroscopio X
Vehículo prototipo Gyro X creado por Alex Tremulis y Thomas Summers en 1967. El automóvil utilizó 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 fue girado por bombas hidráulicas creando un efecto giroscópico en el vehículo. Un ariete de precesión era responsable de rotar el giroscopio para cambiar la dirección de la fuerza de precesión para contrarrestar cualquier fuerza que causara el desequilibrio del vehículo. El prototipo único en su tipo se encuentra ahora en el Lane Motor Museum en Nashville, Tennessee.
Electrónica de consumo
Además de usarse en brújulas, aeronaves, dispositivos de puntero de computadora, etc., los giroscopios se han introducido en la electrónica de consumo. El primer uso o aplicación del giroscopio en la electrónica de consumo fue popularizado por Steve Jobs en el iPhone de Apple.
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 acelerómetro solitario anterior dentro de varios teléfonos inteligentes. Los giroscopios en la electrónica de consumo se combinan con frecuencia con acelerómetros para una detección de dirección y movimiento más robusta. Ejemplos de tales aplicaciones incluyen teléfonos inteligentes como el Samsung Galaxy Note 4, HTC Titan, Nexus 5, iPhone 5s, Nokia 808 PureView y Sony Xperia, periféricos de consolas de juegos como el controlador PlayStation 3 y el Wii Remote, y conjuntos de realidad virtual como la grieta de Oculus.
Nintendo ha integrado un giroscopio en el control remoto de Wii de la consola Wii mediante una pieza adicional de hardware llamada "Wii MotionPlus". También se incluye en los controladores 3DS, Wii U GamePad y Nintendo Switch Joy-Con, que detectan movimiento al girar y agitar.
Los cruceros utilizan giroscopios para nivelar dispositivos sensibles al movimiento, como mesas de billar autonivelantes.
Un giroscopio de volante eléctrico insertado en una rueda de bicicleta se vende como una alternativa a las ruedas de entrenamiento. Algunas características de los teléfonos Android como PhotoSphere o 360 Camera y el uso de dispositivos VR no funcionan sin un sensor de giroscopio en el teléfono.
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