Giroscopio

Antecedentes

El giroscopio es un juguete familiar que es engañosamente simple en apariencia y presenta a los niños varios principios mecánicos, aunque es posible que no se den cuenta. Algo así como una parte superior compleja hecha de metal mecanizado con precisión, el giroscopio es una rueda giratoria que puede colocarse dentro de dos o más marcos circulares, cada uno orientado a lo largo de una línea o eje diferente. La estructura se puede inclinar en cualquier ángulo y la rueda, siempre que esté girando, mantendrá su posición o actitud.

Pero el giroscopio no es solo un juguete. Es parte de muchos instrumentos científicos y relacionados con el transporte. Estos incluyen brújulas, los mecanismos que dirigen los torpedos hacia sus objetivos, el equipo que evita que los barcos grandes, como los portaaviones, rueden sobre las olas, los pilotos automáticos en aviones y barcos, y los sistemas que guían los misiles y las naves espaciales en relación con la Tierra (es decir, , sistemas de guiado inercial).

El giroscopio consta de una rueda o rotor central que se monta en un marco de anillos. Los anillos se denominan correctamente cardanes o anillos de cardán. Los cardanes son dispositivos que sostienen una rueda u otra estructura pero le permiten moverse libremente. Los propios anillos se apoyan en un husillo o eje en un extremo que, a su vez, se puede montar en una base o dentro de un instrumento. La propiedad del eje del rotor de apuntar hacia su orientación original en el espacio se llama inercia giroscópica; la inercia es simplemente la propiedad de un objeto en movimiento para seguir moviéndose hasta que se detiene. La fricción contra el aire finalmente ralentiza la rueda del giroscopio, por lo que su impulso se erosiona. Luego, el eje comienza a tambalearse. Para mantener su inercia, un giroscopio debe girar a gran velocidad y su masa debe concentrarse hacia el borde de la rueda.

Historial

El giroscopio es un juguete popular para niños, por lo que no sorprende que su antepasado sea la peonza, uno de los juguetes más antiguos del mundo. Un giroscopio de un solo cuadro a veces se llama gyrotop; a la inversa, una peonza es un giroscopio sin marco. En los siglos XVI al XVIII, científicos como Galileo (1564-1642), Christiaan Huygens (1629-1695) y Sir Isaac Newton (1642-1727) utilizaron peonzas de juguete para comprender la rotación y las leyes de la física que la explican. En Francia durante el siglo XIX, el científico Jean-Bernard-Léon Foucault (1819-1868) estudió física experimental y demostró la rotación de la Tierra y explicó su efecto sobre el comportamiento de los objetos que viajan por la superficie de la Tierra. En la década de 1850, Foucault estudió los movimientos de un rotor montado en un marco de cardán y demostró que la rueca mantiene su posición u orientación original en el espacio a pesar de la rotación de la Tierra. Foucault nombró el rotor y gimbals el giroscopio de las palabras griegas gyros y skopien que significa "rotación" y "ver".

No fue hasta principios de la década de 1900 que los inventores encontraron un uso para el giroscopio. Hermann Anschiutz-Kaempfe, un ingeniero e inventor alemán, reconoció que la orientación estable del giroscopio podría usarse en un girocompás. Desarrolló el girocompás para su uso en un sumergible para la exploración submarina donde los sistemas normales de navegación y orientación no son prácticos. En 1906, Otto Schlick probó un giroscopio equipado con un rotor que giraba rápidamente en el barco torpedero alemán See-bar. El mar hizo que el torpedo girara 15 ° a cada lado, o 30 ° en total; cuando su giroscopio se hizo funcionar a toda velocidad, el barco rodó menos de 1 ° en total.

En los Estados Unidos, Elmer Ambrose Sperry (1860-1930), un inventor conocido por sus logros en el desarrollo de locomotoras eléctricas y transmisiones de maquinaria, introdujo una brújula giratoria que se instaló en el acorazado estadounidense Delaware en 1911. En 1909, había desarrollado el primer piloto automático, que utiliza el sentido de la dirección del giroscopio para mantener el rumbo de un avión. La Compañía Anschiütz instaló el primer piloto automático, basado en un giroscopio de tres marcos, en un barco de pasajeros danés en 1916. En ese año, también se diseñó el horizonte artificial para aviones. El horizonte artificial le dice al piloto cómo el avión está rodando (moviéndose de lado a lado) o cabeceando (moviéndose de adelante hacia atrás) cuando el horizonte visible se desvanece en las nubes u otras condiciones.

La reducción de balanceo también era necesaria para los barcos. La Compañía Sperry había introducido un giroestabilizador que usaba un giroscopio de dos marcos en 1915. El balanceo de un barco en el océano marea a los pasajeros, hace que la carga se mueva y sufra daños e induce tensiones en el casco del barco. El giroestabilizador de Sperry era pesado, caro y ocupaba mucho espacio en un barco. Se volvió obsoleto en 1925 cuando los japoneses idearon una aleta submarina para estabilizar barcos.

Durante el intenso desarrollo de los sistemas de misiles y bombas voladoras antes y durante la Segunda Guerra Mundial, los giroscopios de dos marcos se emparejaron con instrumentos de tres marcos para corregir los movimientos de balanceo y cabeceo y para proporcionar dirección automática, respectivamente. Los alemanes usaron esta combinación en la bomba voladora V-1, el cohete V-2 y un avión sin piloto. El V-2 se considera uno de los primeros misiles balísticos. Las naves espaciales en órbita utilizan una pequeña plataforma estabilizada por giroscopio para sus sistemas de navegación. Esta característica de los giroscopios para permanecer estables y definir la dirección con un grado muy alto de precisión se ha aplicado a miras de armas, miras de bombas y las plataformas de a bordo que soportan armas y radares. Muchos de estos mecanismos mejoraron enormemente durante la Segunda Guerra Mundial, y los sistemas de navegación inercial que utilizan giroscopios para naves espaciales se inventaron y perfeccionaron en la década de 1950 cuando la exploración espacial se volvió cada vez más importante.

Materias primas

Los materiales utilizados para fabricar un giroscopio pueden variar desde relativamente simples hasta muy complejos, según el diseño y el propósito del giroscopio. Algunos se fabrican con más precisión que los relojes más finos. Pueden girar sobre cojinetes de bolas diminutos, motas pulidas de piedras preciosas preciosas o películas delgadas de aire o gas. Algunos operan completamente en un vacío suspendido por una corriente eléctrica, por lo que no tocan nada y no se desarrolla fricción.

Un giroscopio con un motor eléctrico y cardanes de metal tiene cuatro conjuntos básicos de componentes. Estos son el motor, los componentes eléctricos, las tarjetas de circuitos electrónicos para el funcionamiento programado y los anillos del eje y del cardán. La mayoría de los fabricantes compran motores y componentes eléctricos y electrónicos a subcontratistas. Estos pueden ser artículos en existencia o pueden ser fabricados según un conjunto de especificaciones proporcionadas al proveedor por el fabricante del giroscopio. Normalmente, los fabricantes de giroscopios mecanizan sus propios cardanes y ejes. El aluminio es un metal preferido debido a sus características de expansión y resistencia, pero los giroscopios más sofisticados están hechos de titanio. El metal se compra a granel como material en barra y se mecaniza.

Diseño

Utilizando los aspectos eléctricos y mecánicos de la teoría giroscópica como guía, los ingenieros eligen un diseño de rueda para los cardanes y seleccionan el material de metal apropiado para el diseño. Los diseños para muchos usos de los giroscopios son bastante estándar; es decir, el rediseño o diseño de una nueva línea es una cuestión de adaptar un diseño existente a un nuevo uso en lugar de crear un nuevo producto desde el principio más básico. El diseño, sin embargo, implica observar las prácticas de ingeniería más fundamentales. Las tolerancias, holguras y aplicaciones electrónicas son muy precisas. Por ejemplo, el diseño de las ruedas cardán y el diseño del mecanizado para ellas tiene una tolerancia de error muy pequeña; la sección transversal de un cardán debe ser uniforme en todo momento o el giroscopio estará desequilibrado.

El proceso de fabricación

1. Los cardanes y los marcos del cardán se mecanizan a partir de barras de aluminio utilizando Un ejemplo de giroscopio. herramientas desarrolladas como parte del proceso de diseño. Se pulen y limpian y se almacenan en contenedores hasta su montaje. Para el ensamblaje, los contenedores se mueven a lugares apropiados a lo largo de la línea de ensamblaje.
2. Los giroscopios se fabrican en un proceso de línea de ensamblaje sencillo que enfatiza la importancia de la "mano de obra táctil" sobre la automatización. Los giroscopios se ensamblan de adentro hacia afuera. El motor es el corazón del giroscopio y se instala primero. Un motor de giroscopio "típico" está sincronizado para girar a 24.000 revoluciones por minuto (rpm). Debe estar perfectamente sincronizado y, por lo general, el motor se prueba en banco antes del ensamblaje. Se agregan conexiones eléctricas al motor.
3. Los cardanes y los marcos se ensamblan a continuación, comenzando con el cardán interior y terminando con el marco exterior del cardán. Los cojinetes se colocan en su lugar. El "juego axial" de los cojinetes (la holgura del ajuste) típicamente tiene una tolerancia muy pequeña de 0,0002-0,0008 in (0,006-0,024 mm).
4. Las conexiones eléctricas más externas se adjuntan en la línea de ensamblaje y se agregan tarjetas de circuito. Finalmente, el giroscopio se calibra al final del proceso de montaje. La suspensión de los cojinetes y la calibración se controlan a mano; Los fabricantes han descubierto que, incluso para la calibración, la observación humana, las pruebas y la corrección son más confiables que los métodos automatizados.

El giroscopio es un elegante ejemplo de una aplicación de principios simples de la física. Debido a que es simple, los fabricantes guardan de cerca cualquier técnica patentada. Debido a que el giroscopio es un dispositivo simple con una amplia variedad de usos, algunos requieren más procesos de fabricación. Los pasos de fabricación descritos anteriormente toman alrededor de 10 horas y dan como resultado un giroscopio gratuito para una aplicación como la guía de misiles. Un giroscopio más exótico puede requerir 40 horas de montaje.

Control de calidad

El control de calidad es esencial en todos los procesos de diseño y ensamblaje en la fabricación de giroscopios porque los instrumentos son parte de aviones tripulados, misiles no tripulados y otros dispositivos de transporte y armas que podrían causar catástrofes si fallan. Los ingenieros, científicos y diseñadores están altamente capacitados y capacitados antes de ser contratados y mientras están en el trabajo. Los trabajadores de la línea de montaje deben pasar la formación inicial para ser contratados y tienen sesiones de formación continua programadas con regularidad. Muchos de los estándares de calidad que deben cumplirse en la fabricación de giroscopios se pueden medir, por lo que la inspección durante el proceso se realiza durante toda la fabricación. El control de calidad al más alto nivel lo realizan inspectores externos a la empresa e incluye inspectores gubernamentales. Los clientes también realizan sus propias inspecciones y pruebas de aceptación; Si el producto del fabricante no supera las pruebas de los clientes, se devuelven los giroscopios fallidos.

Subproductos / Residuos

Los fabricantes de giroscopios no producen subproductos, pero tienden a fabricar líneas completas de giroscopios para una amplia variedad de aplicaciones. Tampoco producen muchos residuos. El mecanizado de cardanes y anillos produce algunas virutas de aluminio, pero estas se recogen y se devuelven al proveedor de aluminio para su reciclaje.

Problemas de seguridad

Los fabricantes cumplen con los mandatos de la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) en cuanto a iluminación, ventilación y ergonomía (asientos cómodos y bancos de trabajo que reducen la probabilidad de lesiones por estrés repetitivo). Se debe mantener la humedad en la planta para evitar descargas electrostáticas. Se requieren cantidades menores de solventes de limpieza, pero se utilizan limpiadores a base de cítricos que son benignos (inofensivos).

El futuro

Los usos de los giroscopios están aumentando con la cantidad de dispositivos que requieren guía y control. Aunque los conceptos básicos del giroscopio se basan en las leyes de la física y nunca pueden cambiar, la tecnología está evolucionando. Los métodos mecánicos y eléctricos para proporcionar la masa giratoria que hace funcionar el giroscopio están siendo reemplazados gradualmente por láseres de anillo y microtecnología. Las bobinas de fibras ópticas delgadas son la clave para giroscopios compactos y livianos que podrían tener aplicaciones en sistemas de navegación para automóviles. El giroscopio es un instrumento tan simple pero sofisticado para mantener en equilibrio tantas herramientas en el transporte, la exploración y la industria que, visto o invisible, ciertamente tiene un lugar en el futuro.