Girocompás

Principios de funcionamiento

Una forma de giroscopio es una rueda giratoria montada de modo que la dirección de su eje de giro tenga libertad de rotación universal. El giro permite que las propiedades de masa o inercia del material de la rueda se utilicen de forma continua y, por lo tanto, da lugar a un momento giroscópico o inercia relativamente grande en una rueda de tamaño moderado. La propiedad importante de un giroscopio práctico es su momento angular, el producto de su giro y su inercia sobre el eje de giro. Esta cantidad es un vector, ya que tiene dirección y magnitud. El vector de momento angular puede representarse convenientemente doblando los dedos de la mano derecha en el sentido de rotación del giro, el pulgar extendido de la mano y luego apuntando en la dirección del vector de momento angular. El momento angular es casi paralelo al eje de giro en un práctico girocompás.

De la misma manera, el momento de una fuerza (torque o efecto de giro) se dirige a lo largo del pulgar extendido de la mano derecha cuando los dedos de la mano se doblan en el sentido de la rotación que la fuerza está tratando de producir. La siguiente es la ley básica de la giroscopia: cuando se aplica un torque a un giroscopio, girará (o precess) para intentar alinear su momento angular con el torque. La precesión es con respecto al espacio inercial, es decir, un espacio de referencia que no gira en relación con las «estrellas fijas».»Nótese que la Tierra no es parte del espacio inercial debido a su rotación diaria. La magnitud de la precesión es directamente proporcional a la magnitud del par e inversamente proporcional a la magnitud del momento angular. Cuando no se aplica un par, el eje de giro permanece inmóvil en relación con el espacio inercial; si está dirigido a una estrella, permanece dirigido a la estrella, y en consecuencia, un extremo del eje aparece para un observador de la Tierra, en el transcurso de un día, para elevarse en el este y establecerse en el oeste. Cuando un par aplicado intenta girar un giroscopio alrededor del eje vertical, el eje de giro se elevará o descenderá a medida que intenta alinear su momento angular con el par. De manera similar, un par aplicado sobre un eje horizontal hará que el eje de giro precese sobre el eje vertical.

Un girocompás es un giroscopio que tiene un marco con un desequilibrio de masa que le da una péndula en ángulo recto con el eje de giro. En funcionamiento normal, el eje de giro será casi horizontal y apuntado hacia el norte, mientras que la péndula es hacia abajo. Considere un girocompás que comienza con su eje de giro horizontal y apunta unos pocos grados al este del norte. La rotación de la Tierra hace que el eje de giro se eleve por encima del horizonte como lo ve un observador de la Tierra (más exactamente, el horizonte se sumerge por debajo del eje de giro, que inicialmente permanece inmóvil en el espacio inercial). Esta acción produce un par horizontal dirigido hacia el oeste debido al efecto de la gravedad sobre la péndula. El eje de giro, obedeciendo a la ley básica de la giroscopia, precede sobre la vertical hacia el meridiano, continuando elevándose debido a la rotación de la Tierra hasta que se alcanza el meridiano. En este punto, el par pendular es máximo y el eje de giro continúa avanzando a través del meridiano. Cuando el eje de giro está al oeste de la rotación del meridiano de la Tierra hace que el eje de giro se establezca, reduciendo así el par pendular. A la misma distancia al oeste del norte que la dirección inicial estaba al este del norte, el eje de giro es horizontal de nuevo, pero debido a la rotación de la Tierra continúa fijándose. Esto hace que el eje de giro se sumerja por debajo del horizonte y produzca un torque pendular hacia el este, lo que hace que el eje de giro avance hacia el meridiano de nuevo y, finalmente, avance más allá del meridiano y regrese a su dirección inicial, donde se repite todo este proceso. El eje de giro traza así una elipse alrededor del meridiano y horizontal. La planitud de la elipse y el período de oscilación dependen de la fuerza de la péndula.

Para que un girocompás apunte al norte, es necesario que la oscilación esté amortiguada para que la unidad pueda asentarse en el meridiano y no seguir pasando a través de él. Amortiguar un oscilador implica cambiar su estado de energía oponiéndose a la velocidad del cuerpo. Se han utilizado dos métodos principales para la amortiguación. El primero, utilizado en todos los girocompases excepto el Sperry, fue desarrollado por Schuler. Consiste en aplicar un par antipéndulo causado por el flujo restringido de un fluido viscoso que responde a la inclinación del elemento giroscópico. La viscosidad y la dirección del flujo a través de la constricción se combinan para que el par se aplique en la fase adecuada para la amortiguación. El par es horizontal e idealmente se dirige de manera que el giroscopio se dirija en todo momento hacia el meridiano: apunta hacia el oeste cuando el eje de giro está al este del meridiano y hacia el este cuando el eje de giro está al oeste del meridiano. La acción combinada de pares pendulares y amortiguadores cambia el movimiento elíptico previamente mencionado del régimen no amortiguado a un movimiento en espiral hacia el meridiano. La fricción viscosa absorbe la energía extraída para efectuar la amortiguación.

El segundo método de amortiguación se utiliza en el girocompás Sperry. La brújula Sperry está soportada por una suspensión de cable con un sistema de seguimiento accionado por motor, conocido como anillo fantasma, que es un tipo de servomecanismo. La amortiguación implica aplicar el par pendular de tal manera que su interacción con el anillo fantasma y el motor de seguimiento produzca un par a lo largo del eje vertical. Esto intenta reducir la inclinación del elemento giroscópico. Dado que la inclinación y el movimiento en el plano horizontal se acoplan en un girocompás, este método también sirve para humedecer el eje de giro hacia el meridiano. La energía para la amortiguación es suministrada por el motor que opera el anillo fantasma. Este sistema tiene una acción antipéndula, y la amortiguación se obtiene agregando energía al sistema.

En su estado estacionario, un girocompás tiene una ligera inclinación hacia arriba en el lado norte de su eje de giro en el Hemisferio Norte y una inclinación hacia abajo en el Hemisferio Sur. Esto produce el par requerido para preceder el girocompás en relación con el espacio inercial alrededor del eje vertical a la misma velocidad que el meridiano está girando alrededor de ese eje debido a la rotación de la Tierra. Esta tasa es cero en el Ecuador y aumenta a la tasa de Tierra completa en los polos. Debido a esta inclinación de equilibrio, el método de amortiguación utilizado en el girocompás Sperry hace que el eje de giro se asiente ligeramente al este del meridiano en el hemisferio Norte y al oeste en el Sur. Este es un pequeño ángulo conocido que se compensa fácilmente en la indicación de rumbo.

Las brújulas Anschütz y Arma están soportadas por flotación. El par pendular se obtiene simplemente montando la unidad con el centro de gravedad debajo del pivote. La amortiguación se obtiene mediante un flujo restringido de un fluido viscoso en un tubo. La brújula marrón está apoyada por una columna de aceite pulsante. El par pendular se obtiene por el flujo de aceite entre dos tanques. La presión de aire generada por el giro de la rueda giratoria obliga al aceite a subir cuesta arriba para darle péndulo, ya que es naturalmente antipéndulo o pesado en la parte superior. Es amortiguado por el flujo restringido de un fluido viscoso en un tubo. La brújula Sperry está soportada por una suspensión de cable con un anillo fantasma accionado por energía para eliminar la torsión (torsión) de los cables. Alrededor del anillo fantasma hay un marco llamado balístico. El par pendular se obtiene por el flujo de mercurio entre dos tanques (el balístico de mercurio). Como esta acción es antipéndula, la dirección de equilibrio del momento angular giroscópico es sur. Esta combinación de dos componentes potencialmente inestables produce un sistema estable. Está amortiguado por el motor de seguimiento, que recibe una señal proporcional al desplazamiento del anillo fantasma desde el gimbal de soporte de rueda.