Rotando para no caerse

Si algún día están cambiando la llanta de su bici, agárrenla del centro en manteniéndola en posición vertical con los dos brazos extendidos. Si la intentan rotar de tal forma que quede horizontal, la podrán hacer sin mucha dificultad.
Pero si le piden a alguien que la ponga a girar y la intentan rotar, les costará más trabajo. En este momento la rueda de bicicleta se comporta como un giroscopio.
En un cuerpo que se está moviendo es más difícil hacer que cambie el movimiento de un cuerpo, ya sea en su rapidez o en su dirección mientras más rápido vaya o mientras más masivo sea. Esto es, en resumen la primera y segunda leyes de Newton (que les mencioné un poco hablando de los karatekas). Para el caso en el que un cuerpo esté girando, existen dos magnitudes anáogas a la velocidad y a la masa. Estas son:
La velocidad angular \omega. Nos dice que tan rápido y en qué sentido gira con respecto al eje de rotación.
La inercia rotacional I. Nos dice qué tanto se opone un objeto a rotar alrededor de cierto eje.
Entonces la torca que tenemos que aplicar (que es como una fuerza que rota) es igual a \frac{\Delta I\omega}{\Delta t}, que depende de la dirección de la rotación y los ejes. En el caso de la rueda sin girar, la velocidad angular es nula, entonces la torca aplicada es pequeña, pues sólo se está cambiando el eje de orientación (la inercia rotacional). Pero cuando la rueda está girando, la torca que debemos de aplicar es más grande, porque tiene una velocidad angular grande que al multiplicarla por I nos da una cantidad mayor que cuando la rueda está estacionaria.

¿Y de qué puede servir que cuando esté rotando sea más difícil cambiar la orientación? Pues en sistemas en los que convenga mantener la orientación, sin que los estímulos externos afecten mucho. Y, se llegó a la construcción del giroscopio, usado por John Foucault para observar la rotación de la Tierra. ¿Por qué de la Tierra? Porque la Tierra es un giroscopio, pero eso lo mencionaré más adelante. Un giroscopio es un dispositivo, que, debido a su rotación o a su estructura, tiende a llegar a un equilibrio en su movimiento o posición. Los giroscopios mecánicos actuales constan de:

Estructura de un giroscopio mecánico.

  • Un armazón, para darle estructura.
  • Un cardán, que se puede mover libremente y por su gran cantidad de movimiento angular, permite mantener la orientación del rotor.
  • Un rotor que gira alrededor de un eje de rotación, colocado dentro del cardán.
  • El rotor se pone a girar, y, como el cardán puede moverse libremente, los estímulos externos afectan el cardán y lo hacen rotar, pero por su disposición, sólo es el cardán el que se mueve, y la dirección del rotor permanece constante. Para que se den una idea del movimiento angular que llega a alcanzar el cardán, vean el siguiente video donde está una persona sujeta al cardán de un giroscopio, sin rotor.

    Su libertad de movimiento permite que rote más rápido o más lento (diferentes velocidades angulares) y que cambie de orientación (diferentes inercias rotacionales). Esto provoca una cantidad de movimiento angular muy grande, que, al colocar un rotor dentro del cardán, hace que dicho rotor mantenga su equilibrio en la rotación. Dicho equilibrio se utiliza, por ejemplo, en los viajes, pues un sistema de navegación (como una brújula, aunque también se puede usar para aparatos que no utilicen el magnetismo) situada en el giroscopio mantendrá su orientación independientemente de los bamboleos del viaje. Existen otros tipos de giroscopios, como electrónicos, de microchips, de fibra óptica. Y se han logrado hacer tan pequeños que se han incorporado a aparatos electrónicos, como los celulares que detectan la orientación con respecto a la gravedad.
    En un giroscopio puede ser tan grande la tendencia a mantener el equilibrio en su movimiento, que incluso se pueden incorporar desde una posición horizontal, como lo pueden ver a continuación:

    Y, como gran parte de los descubrimientos científicos, el principio del giroscopio se puede observar en varios elementos de la vida cotidiana. Al hacer que ruede una moneda por el piso (que difícilmente lograríamos poner de pie si se encuentra quieta), o al andar en bicicleta estamos haciendo uso del principio del giroscopio: la dinámica rotacional. De hecho, un juego que varias veces se vio cuando íbamos en la primaria (y tal vez se vea actualmente), consistía en hacer funcionar giroscopios. Estoy hablando del trompo.
    Para terminar, les mencioné anteriormente que la Tierra es un giroscopio. Muy probablemente hayan oído hablar que el eje de rotación de la Tierra tiene un ángulo de 23.5° con respecto a su órbita. Pues bien, la razón de que siempre mantenga ese ángulo y no esté girando como burro sin mecate mientras se mueve alrededor del Sol es su rotación. Por la rotación de la Tierra, esta actúa como un giroscopio y mantiene su orientación constante. Esta es la razón por la que tenemos estaciones del año. Si no mantuviera su orientación, la Tierra estaría girando en todas direcciones mientras recorra su órbita, no tendríamos un clima definido, ni regiones naturales y muy probablemente no habría vida en el planeta. Esta es otra aplicación, pero ahora hablamos de una aplicación cósmica de los giroscopios. Les haya gustado espero. Saludos.
    Eclíptica-plano-lateral-ES-2326

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    3 comentarios el “Rotando para no caerse

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