Cómo Funciona un Giroscopio ⚡ Qué es un Giroscopio
Summary
TLDREl script explora el funcionamiento de los giroscopios, dispositivos que miden variaciones en la orientación o velocidad angular de un sistema. Se discuten tres tipos principales: mecánicos, vibratorios de efecto Coriolis y ópticos. Los giroscopios mecánicos, como el inventado por Foucault, mantienen su orientación gracias a la conservación del momento angular. Los vibratorios, utilizados comúnmente en teléfonos y otros dispositivos, se basan en la aceleración de Coriolis para medir velocidades angulares. Finalmente, los giroscopios ópticos, que operan sin partes móviles y son precisos e independientes de aceleraciones lineales, miden la velocidad angular a través del efecto de interferencia de la luz. El video también menciona a PCBway, una empresa que ofrece servicios de prototipado.
Takeaways
- 🔄 Un giroscopio es un dispositivo que puede medir tanto la variación de la orientación como la velocidad angular de un sistema.
- 📱 Los giroscopios se usan en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo teléfonos móviles, aeronáutica, consolas de videojuegos y robótica.
- 🧘 Nuestro cuerpo humano tiene un giroscopio biológico, el sistema vestibular, que nos ayuda a mantener el equilibrio y a sentir nuestra orientación.
- 🔧 Los giroscopios mecánicos funcionan con base en la rigidez en el espacio de un objeto en rotación y la conservación del momento angular.
- 🎡 El fenómeno de la precesión, donde un objeto en rotación se ve afectado por una fuerza que cambia su orientación, es clave para la medición de velocidades angulares en giroscopios mecánicos.
- 🌀 Los giroscopios vibratorios de efecto Coriolis se basan en la aceleración de Coriolis y son utilizados comúnmente en dispositivos electrónicos debido a su tamaño y costo reducidos.
- 📏 La aceleración de Coriolis es la fuerza que actúa sobre una masa en movimiento radial en un sistema rotativo y es esencial para el funcionamiento de los giroscopios vibratorios.
- 🌐 Los giroscopios ópticos funcionan con el efecto de Saint-Jacques, que implica la interferencia de dos haces de luz que viajan en direcciones opuestas dentro de un anillo de fibra óptica.
- ⚙️ Los giroscopios ópticos son precisos y confiables, y no requieren partes móviles, lo que los hace más estables y menos propensos a fallos mecánicos.
- 📏 En 2018, se lograron construir giroscopios ópticos de tamaño muy reducido (2mm^2), lo que indica el progreso en la miniaturización de esta tecnología.
Q & A
¿Qué función cumplen los giroscopios según su composición?
-Los giroscopios pueden cumplir dos funciones: entregar información sobre la variación de la orientación de un sistema con respecto a un eje de referencia o informar sobre la velocidad con que varía la orientación de un sistema cuando se encuentra rotando, es decir, su velocidad angular.
¿En qué aplicaciones se utilizan los giroscopios?
-Los giroscopios se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo teléfonos, aeronáutica, consolas de videojuegos y robótica.
¿Qué es el sistema vestibular y cómo se relaciona con los giroscopios?
-El sistema vestibular es un giroscopio integrado en nuestro cuerpo que nos entrega información de nuestra orientación y nos ayuda a mantener el equilibrio.
¿Qué es el torque y cómo se relaciona con la rotación de un sistema?
-El torque es la fuerza aplicada en un punto alejado del eje de rotación que hace girar el sistema y es representado como un vector paralelo al eje de rotación.
¿Qué es el momento angular y cómo se determina?
-El momento angular es un vector paralelo al eje de rotación que representa la cantidad de rotación del sistema y está determinado por el momento de inercia del sistema y la velocidad angular.
¿Cómo se relaciona la ley de Newton con el funcionamiento de los giroscopios mecánicos?
-La ley de Newton relaciona la fuerza aplicada con la masa y la aceleración. En sistemas rotatorios, el torque es igual a la rapidez de cambio de su momento angular, que es igual al momento de inercia multiplicado por la aceleración angular.
¿Qué es la rigidez en el espacio y cómo se utiliza en los giroscopios mecánicos?
-La rigidez en el espacio es la capacidad de un objeto en rotación de mantener su orientación sin cambios. Se utiliza en giroscopios mecánicos para mantener la orientación de un disco a una cierta velocidad angular sin que existan fuerzas externas que generen torque.
¿Qué fenómeno físico se utiliza para determinar la velocidad de un sistema con giroscopios mecánicos?
-El fenómeno físico utilizado para determinar la velocidad de un sistema con giroscopios mecánicos es la precesión, que es un movimiento circular generado cuando un objeto en rotación es afectado por una fuerza que lo hace cambiar su orientación.
¿Qué es la aceleración de Coriolis y cómo afecta a los giroscopios vibratorios de efecto Coriolis?
-La aceleración de Coriolis es la aceleración que experimenta una partícula en rotación cuando se desplaza radialmente, lo que hace que su trayectoria aumente y su velocidad tangencial cambie. Esta fuerza afecta a los giroscopios vibratorios de efecto Coriolis, donde la masa oscilante experimenta una fuerza de Coriolis que la desplaza lateralmente.
¿Cómo funcionan los giroscopios ópticos y qué efecto utilizan para medir la velocidad angular?
-Los giroscopios ópticos funcionan basándose en el efecto Saint-Jacques. Utilizan dos haces de luz que viajan en direcciones opuestas dentro de un anillo de fibra óptica. La diferencia en la distancia recorrida por los haces debido a la rotación del sistema permite calcular la velocidad angular.
¿Por qué los giroscopios ópticos son precisos y confiables?
-Los giroscopios ópticos son precisos y confiables porque operan sin partes móviles y pueden medir la velocidad angular de manera independiente de las aceleraciones lineales del sistema. Además, su diseño permite una alta precisión y fiabilidad en el medido de la rotación.
¿Cómo se relaciona el tamaño de un giroscopio mecánico con su precisión y tiempo de rotación?
-El tamaño de un giroscopio mecánico está relacionado con su precisión y tiempo de rotación porque el momento de inercia del disco rotatorio, que afecta estos aspectos, depende de la masa del disco. Reducir el tamaño del sistema sin afectar la precisión o el tiempo de rotación es imposible.
¿Qué es PCBway y cómo se relaciona con el contenido del guion?
-PCBway es una empresa que ofrece servicios de prototipado para proyectos, incluyendo mecanizado CNC, fabricación con placas de metal, impresión 3D y moldeo por inyección. Se menciona en el guion como patrocinador del capítulo.
Outlines
🌀 Funcionamiento y aplicaciones de los giroscopios mecánicos
El primer párrafo introduce los giroscopios, dispositivos que pueden medir tanto la variación de la orientación de un sistema con respecto a un eje de referencia como su velocidad angular. Destacan su uso en teléfonos, aeronáutica, videojuegos y robótica, y mencionan el sistema vestibular humano como ejemplo de giroscopio biológico. El texto profundiza en el funcionamiento de los giroscopios mecánicos, explicando conceptos como torque, momento angular y la aplicación de las leyes de Newton en sistemas rotatorios. Describen cómo el torque neto y la rigidez en el espacio pueden mantener la orientación de un objeto en rotación, como lo demostró Leon Foucault con su experimento. Además, se discute cómo la precesión puede usarse para medir la velocidad angular de un sistema, utilizando barras de torsión y la resistencia proporcional a la torsión para calcular el torque aplicado.
🔁 Principio de funcionamiento y limitaciones de los giroscopios vibratorios de efecto Coriolis
El segundo párrafo se centra en los giroscopios vibratorios de efecto Coriolis, ampliamente utilizados en dispositivos electrónicos debido a su tamaño reducido y bajo costo. Se describe la precesión, un fenómeno que permite a un objeto en rotación mantener su orientación original y girar en torno al punto de apoyo, usando como ejemplo una rueda de bicicleta. La explicación incluye cómo la fuerza del peso genera un torque que altera ligeramente el momento angular, causando la precesión. Seguidamente, se analiza cómo los giroscopios vibratorios usan esta precesión para determinar la velocidad angular de un sistema, midiendo el desplazamiento de una masa debido a la fuerza de Coriolis. Aunque estos giroscopios son ideales para muchas aplicaciones, su precisión puede verse afectada por aceleraciones lineales debido a que estas también generan fuerzas sobre la masa en oscilación.
🚀 Introducción a los giroscopios ópticos y su funcionamiento basado en el efecto Saint-Jacques
El tercer párrafo presenta los giroscopios ópticos, que pueden medir velocidades angulares sin ser afectados por aceleraciones lineales. Estos giroscopios operan según el efecto Saint-Jacques, que implica la interferencia de dos haces de luz propagándose en direcciones opuestas dentro de un anillo de fibra óptica. Cuando el sistema está en movimiento, la diferencia en la distancia recorrida por cada haz de luz permite calcular la velocidad angular. Se discute la necesidad de dos haces de luz para medir la diferencia en el tiempo de viaje y cómo la interferencia entre ellos permite determinar la velocidad angular del sistema. Los giroscopios ópticos son notables por su alta precisión y confiabilidad, y aunque inicialmente eran grandes, su tamaño ha disminuido significativamente, con ejemplos de giroscopios ópticos de tan solo 2mm^2 desarrollados en 2018.
Mindmap
Keywords
💡Giroscopio
💡Torque
💡Momento angular
💡Aceleración de Coriolis
💡Precesión
💡Sistema vestibular
💡Efecto de Saint-Jacques
💡Suspensión de cardán
💡Giroscopio vibratorio de efecto Coriolis
💡Giroscopio óptico
Highlights
Un giroscopio puede medir la variación de la orientación de un sistema o su velocidad angular.
Giroscopios son utilizados en teléfonos, aeronáutica, consolas de videojuegos y robótica.
El cuerpo humano tiene un giroscopio integrado llamado sistema vestibular que ayuda a mantener el equilibrio.
Los giroscopios mecánicos funcionan con base en el torque y el momento angular.
El torque se genera cuando se aplica una fuerza lejos del eje de rotación y es paralelo a este.
El momento angular es determinado por el momento de inercia y la velocidad angular.
Los giroscopios mecánicos mantienen el momento angular constante si no hay torque externo.
Leon Foucauld utilizó un disco en una suspensión de cardán para demostrar la rigidez en el espacio.
Los giroscopios antiguos eran útiles como método alternativo de orientación sin depender de campos magnéticos.
El gravity probe B es un satélite con giroscopios que podrían girar por 15 mil años.
La precesión es un fenómeno que permite determinar la velocidad angular del sistema.
Los giroscopios vibratorios de efecto coriolis son utilizados comúnmente en dispositivos electrónicos.
La aceleración de Coriolis es clave para el funcionamiento de los giroscopios vibratorios.
Los giroscopios ópticos funcionan con base en el efecto Saint-Jacques y la interferencia de la luz.
Los giroscopios ópticos son precisos e independientes de las aceleraciones lineales.
En 2018, se construyó un giroscopio óptico de solo 2mm^2, lo que reduce el tamaño de estos dispositivos.
Transcripts
Un giroscopio es un dispositivo que dependiendo de su composición puede cumplir dos funciones:
entregar información sobre la variación de la orientación de un sistema
con respecto a un eje de referencia, o entregar información sobre la velocidad
con que varía la orientación de un sistema cuando se encuentra rotando, es decir, su velocidad angular.
Los giroscopios son utilizados en una amplia gama de aplicaciones,
incluyendo nuestros teléfonos, aeronáutica, consolas de videojuegos y robótica.
Más aún, nuestro propio cuerpo posee un giroscopio integrado, conocido como sistema vestibular
el cual nos entrega información de nuestra orientación y nos ayuda a mantener el equilibrio.
Es por eso que en este capítulo veremos cómo funciona un giroscopio,
incluyendo los de tipo mecánico, vibratorios de efecto coriolis, y ópticos.
Pero antes quiero agradecer a PCBway por auspiciar este capítulo.
PCBway ofrece una amplia gama de servicios de prototipado para sus proyectos
incluyendo mecanizado CNC, fabricación con placas de metal, impresión 3D y moldeo por inyección.
Pueden realizar pedidos de piezas personalizadas de plástico o metal desde solo 25 dólares
y además por un tiempo limitado los servicios de impresión 3D y CNC tienen un 10% de descuento,
así que aprovechen y pasen por su página web.
Vamos a partir analizando cómo funcionan los giroscopios mecánicos, y para ello
necesitamos entender que es el torque y el momento angular.
En un sistema con un eje de rotación, cuando aplicamos una fuerza en un punto alejado del eje,
se genera un torque, el cual hace girar el sistema y es representado como un vector paralelo al eje de rotación.
Además de esto, cuando un sistema se encuentra rotando, éste también posee un momento angular,
el cual también es representado por un vector paralelo al eje de rotación
y es determinado por dos factores:
Primero, el momento de inercia del sistema, el cual depende de su forma y distribución de masa
Y, segundo, la velocidad angular, la cual nos indica cuántos grados rota el sistema
durante un periodo de tiempo definido.
Entendiendo esto, podemos apoyarnos en el funcionamiento de un acelerómetro
para entender el funcionamiento de este primer tipo de giroscopio.
En el capítulo anterior vimos cómo se podían utilizar algunas de las leyes de Newton
para conocer la aceleración lineal de un sistema.
La primera ley de Newton nos decía que
cuando fuerza neta aplicada sobre un objeto sea igual a 0, su aceleración también es 0
y en consecuencia, su velocidad se mantendrá constante.
De manera análoga, si tenemos un sistema el cual es capaz de rotar en torno a un eje
y el torque externo neto que actúa sobre él es 0,
el momento angular total del sistema también se mantendrá constante.
Por otro lado, la segunda ley de Newton nos decía que
la fuerza aplicada sobre un objeto es igual a su masa multiplicada por la aceleración
que se genera como resultado de la fuerza aplicada.
De manera análoga para los sistemas rotatorios, el torque de la fuerza neta que actúa sobre un sistema
es igual a la rapidez de cambio de su momento angular,
la cual además en este caso es igual al momento de inercia multiplicado por la aceleración angular.
Habiendo aclarado esto, por fin podemos enfocarnos en las aplicaciones prácticas de estos principios
en los giroscopios mecánicos.
La primera aplicación hace uso de la rigidez en el espacio que posee un objeto en rotación.
Si hacemos girar un disco a una cierta velocidad angular
y no existen otras fuerzas que generen algún torque sobre el disco
su momento angular se conservará.
Debido a esto, seguirá rotando en el mismo eje y por lo tanto mantendrá su orientación.
Lo anterior fue utilizado por Leon Foucauld
quien montó un disco en una suspensión de cardán o gimbal
el cual permite una libre rotación de la pieza central.
En este sistema, al hacer rodar el disco central a grandes velocidades
O en términos técnicos, aplicarle un gran momento angular su orientación no cambiará
aún cuando el resto del sistema lo haga.
En la antigüedad cuando no existía el GPS eran extremadamente útiles como método alternativo de orientación
pues, a diferencia de las brújulas
las cuales usan los campos magnéticos del planeta para orientarse e indicarnos el norte
este tipo de giroscopio se podía orientar en la dirección que se quisiera
y además su precisión no se vería afectada por variaciones en los campos magnéticos
Aunque claro, su limitante es que el roce del eje, por muy pequeño que fuera
eventualmente reduciría el momento angular del disco.
Y de manera similar el torque transmitido por la suspensión por muy pequeño que fuera
eventualmente cambiaría la orientación original.
De todas maneras. a pesar de todo esto en la actualidad sigue siendo un método válido para casos particulares.
Un ejemplo de esto es el gravity probe B
un satélite utilizado para comprobar la teoría de la relatividad de albert einstein
y cuyos giroscopios teóricamente podrían girar por hasta 15 mil años
lo cual por cierto es extremadamente complejo y un tema perfecto para un próximo video.
Ahora, volviendo atrás, la segunda aplicación práctica de los giroscopios mecánicos
es determinar la velocidad un sistema y para realizar esto toman ventaja de un fenómeno físico
llamado precesión.
En términos simples, la precisión es un movimiento circular que se genera cuando un objeto en rotación
es afectado por una fuerza que lo hace cambiar su orientación.
Un ejemplo de esto sería una rueda de bicicleta colgada a uno de los extremos de sus ejes
el cual si estuviese en reposo caería por la gravedad.
Sin embargo al poseer una velocidad angular ocurre este fenómeno contraintuitivo conocido como precesión.
En primer lugar es capaz de mantenerse en su orientación original sin caer
Y en segundo lugar comienza a girar en torno al punto de apoyo.
Para entender por qué ocurre la precesión, observemos con mayor detalle qué ocurre con la rueda.
Ésta se encuentra girando, y por lo tanto posee un momento angular en la dirección del eje de rotación.
Debido a la gravedad existe una fuerza llamada peso
la cual se aplica en el centro geométrico de la rueda.
Como el eje de la rueda puede girar con respecto a su punto de apoyo
el peso generará un torque perpendicular que provocaría que la rueda cayese al suelo.
Sin embargo según la segunda ley, el torque generará un pequeño cambio del momento angular en su dirección
la cual en este caso no poseen ninguna componente vertical.
Al sumar el momento angular inicial con el pequeño cambio debido al torque
el momento angular resultante y por lo tanto el eje de rotación de la rueda
habrá cambiado ligeramente su orientación de manera horizontal sin caer por la gravedad.
Más aún, como siempre se cumple que el torque generado por el peso
será perpendicular al momento angular de la rueda entonces ésta rodará continuamente
formando una circunferencia.
Esta relación entre el torque aplicado en un objeto en rotación y la rotación resultante por la apreciación
es lo que podemos utilizar para determinar la velocidad angular de un sistema
más específicamente podemos tener un sistema como éste con un disco giratorio al centro
el cual a su vez estará suspendido por barras de torsión.
Éstas permitirán que la suspensión que sostiene al disco gire pero también lo pondrá en una resistencia
que incrementará de manera proporcional a la torsión, es decir permiten utilizar el ángulo de torsión
para calcular del torque aplicado.
de manera similar a como los resortes permiten utilizar la elongación para calcular la fuerza aplicada.
Este sistema en particular está hecho para detectar movimientos en el eje Z.
si el disco central se encuentra rotando y el sistema completo es girado en torno al eje z
la precesión generará un torque en la barra de torsión y el marco girará ligeramente
marcando un valor en una escala de conversión permitiendo conocer la velocidad angular del sistema.
No es el sistema más intuitivo del mundo pero eso lo hace aún más impresionante
desde el punto de vista del diseño.
Además, estos sistemas tienen una gran limitante.
Dado que su funcionamiento depende originalmente del momento de inercia del disco rotatorio
el cual como mencioné al inicio depende de la masa del disco
es imposible reducir el tamaño de estos sistemas sin que su precisión o tiempo de rotación se vea afectado.
Pero por algo había que partir.
el siguiente tipo de giroscopio que analizaremos es el giroscopio vibratorio de efecto coriolis.
Este tipo de giroscopio es de los más utilizados hoy en día
pues pueden ser manufacturados en tamaños realmente pequeños a un bajo costo
y por lo mismo pueden ser integrados en todo tipo de dispositivos electrónicos
como por ejemplo sus teléfonos.
Para entender el principio de su funcionamiento, debemos entender qué es la aceleración de coriolis.
Imaginemos una partícula que rota alrededor de un punto a una velocidad angular constante.
La trayectoria de la partícula formará un círculo con un radio r1
y la partícula tendrá una velocidad tangencial de 1.
Ahora, si esa partícula se desplaza radialmente a una distancia r2
el tamaño del círculo que define su trayectoria aumentará
y, por lo tanto, su velocidad tangencial también tendrá que aumentar para continuar rotando a la misma velocidad angular.
En otras palabras, si la velocidad tangencial aumentó, entonces existe una aceleración
la cual es conocida como aceleración de Coriolis en honor a su descubridor
la cual por cierto puede ser calculada como -2 veces la velocidad angular de la partícula
multiplicada por la velocidad a la que se desplaza radialmente
Valores que luego podemos reemplazar en la clásica fórmula de: Fuerza = masa * aceleración
De esta manera, si tenemos un sistema en el cual conocemos el valor de la masa
la velocidad perpendicular al eje de rotación y la fuerza aplicada podremos calcular su velocidad angular.
Un ejemplo de un dispositivo con dichas características sería algo como esto.
En esta configuración, una masa es forzada a oscilar con una frecuencia de varios kilohertz
Debido a esto, cuando el sistema se ha rotado, la masa oscilante experimentará una fuerza de coriolis
que la desplazará hacia la izquierda o hacia la derecha dependiendo de la dirección de la vibración.
Y de manera similar a los acelerómetros, este desplazamiento a su vez puede ser utilizado
para calcular la fuerza que experimentó la masa,
con lo cual tendríamos todos los elementos necesarios para calcular la velocidad angular del sistema
Si bien las características de estos giroscopios los hacen ideales para una gran cantidad de aplicaciones
Tienen una desventaja.
A pesar de estar diseñados para medir velocidades angulares, las aceleraciones lineales
también ejercerán una fuerza sobre la masa oscilante
y por lo tanto si el sistema está expuesto a grandes aceleraciones su precisión se vería afectada,
Pero por suerte aquí es donde aparece el tercer tipo de giroscopio que analizaremos: los giroscopios ópticos
los cuales pueden detectar velocidades angulares
de manera totalmente independiente de las aceleraciones lineales del sistema.
Estos tipos de giroscopios funcionan en base al efecto Saint-Jacques.
Consideremos un anillo compuesto de fibra óptica y supongamos que dos haces de luz generados por un láser
se propagan en direcciones opuestas dentro del anillo.
Si el sistema se encuentra estático ambos aces recorrerán el perímetro del anillo en la misma cantidad de tiempo.
Sin embargo, si el sistema se encuentra rotando esto ya no será así
El haz emitido en la misma dirección de la rotación del sistema tendrá que recorrer una mayor distancia
antes de llegar al final del recorrido pues básicamente el punto final se estará alejando de él.
Por el contrario, el haz de luz que viajaba en la dirección contraria a la rotación del sistema
recorrerá una menor distancia, pues el punto final se estará acercando a él.
Esta diferencia en la distancia recorrida por los haces de luz es la clave para calcular la velocidad angular del sistema.
En este punto puede que se estén preguntando:
si ya se generó una variación en el tiempo del recorrido con cada haz individualmente
entonces ¿por qué necesitamos dos haces para calcular la velocidad angular?
La razón es que, dado que estamos tratando con la velocidad de la luz
la cual como les recuerdo es aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo
sería extremadamente difícil hacer un sistema lo suficientemente preciso
como para medir de manera exacta el tiempo desde que se emite las de luz hasta que llega al punto final
pues esto ocurre de manera prácticamente instantánea
Dado que la luz es una onda electromagnética con una determinada frecuencia y longitud de onda
al tener dos haces de luz viajando en direcciones opuestas, éstos interfieren entre sí
generando un haz resultante de nuevas características.
Las características de este nuevo as están relacionadas a la diferencia de fases entre los ases que la produjeron
y, por lo tanto a la diferencia de distancias recorridas, permitiendo finalmente calcular la velocidad angular.
Este tipo de giroscopio no sólo tiene una gran precisión, sino que además son bastante confiables
pues a diferencia de los anteriores es capaz de funcionar completamente sin partes móviles.
Más aún, a pesar de que en un inicio solían ser de un gran tamaño debido a sus requerimientos técnicos
En la actualidad ésta ya no es una limitante
pues, en el 2018, científicos del caltech fueron capaces de construir giroscopio óptico de apenas 2mm^2.
Espero que les haya gustado este capítulo, recuerden suscribirse
y si creen que lo que hago vale la pena también pueden apoyarme en Patreon a ser más y mejores vídeos.
Eso es todo por ahora, y nos vemos en un próximo capítulo.
Посмотреть больше похожих видео
¿De qué manera funciona el motor Paso a Paso? Parte 1 Tipos de motores paso a paso
16. TEORÍA DEL MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORME
Análisis cinemático de un mecanismo de 4 barras. Posición, velocidad y aceleración
Tachometer how it works|| Tachometer working principle|| techno meters & electronics
Cómo Funciona el GPS 🛰️Qué es el GPS
Mantenimiento del ratón
5.0 / 5 (0 votes)