Universidad Autónoma del Carmen Facultad de Ingeniería
DES-DAIT
Carrera: Ingeniería Mecatrónica
Curso: Diseño Mecánico
Tema: Giroscopio
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Contenido CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ..............................................................................................
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IDENTIFICACIÓN DEL CONCEPTO PROBLEMÁTICO ..............................................................
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HISTORIA DEL GIROSCOPIO ............................................................................................................. 4 PROPIEDADES FUNDAMENTALES .................................................................................................... 4 DESCRIPCION DEL EFECTO GIROSCOPICO ....................................................................................... 5
PARTES DE UN GIROSCOPIO ........................................................................................................
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DISEÑO DEL GIROSCOPIO ............................................................................................................
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DISCUSION .......................................................................................................................................
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APLICACIONES ................................................................................................................................
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SEGWAY ........................................................................................................................................... 7 SISTEMAS DE NAVEGACIÓN PARA SUBMARINOS ........................................................................... 7
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CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
ACTIVIDADES
2013 MAYO
ABRIL 21-27
28-4
5-11
12-18
19-25
JUNIO 26-1
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Cronograma de actividades Planteamiento del problema Objetivos de la investigación Elaborar una hipótesis Evolución histórica Antecedentes Bases teóricas Diseño del giroscopio Simulación del giroscopio Entrega del proyecto
IDENTIFICACIÓN DEL CONCEPTO PROBLEMÁTICO ¿Por qué un trompo parece desafiar la ley de la gravedad? ¿Por qué personas normales, sin habilidades de equilibristas, pueden conducir tanto bicicletas como motocicletas sin caerse? ¿Por qué los proyectiles que giran sobre su eje mantienen una trayectoria tan estable? Todos estos fenómenos cotidianos, nos rodean y suceden normalmente. Y por supuesto, al igual que todo suceso que ocurre en la Tierra poseen una explicación física. Todos estos hechos, implican una cierta estabilidad por parte de cuerpos rígidos en rotación. Esta estabilidad intrínseca y otros fenómenos pueden ser explicados gracias al efecto giroscópico. El giroscopio es un dispositivo mecánico que sirve para medir, mantener o cambiar la orientación en el espacio de algún aparato o vehículo. Está formado esencialmente por un cuerpo con simetría de rotación que gira alrededor del eje de dicha simetría. Cuando el giróscopo se somete a un momento de fuerza que tiende a cambiar la orientación de su eje de rotación, tiene un comportamiento aparentemente paradójico, ya que cambia de orientación (o experimenta un momento angular en todo caso, si está restringido) girando 3
respecto de un tercer eje, perpendicular tanto a aquel respecto del cual se lo ha empujado a girar, como a su eje de rotación inicial. Está montado sobre un soporte de Cardano que minimiza cualquier momento angular externo, o si simplemente gira libre en el espacio, el giróscopo conserva la orientación de su eje de rotación ante fuerzas externas que tiendan a desviarlo mejor que un objeto no giratorio; se desvía mucho menos, y en una dirección diferente.
HISTORIA DEL GIROSCOPIO El trompo es seguramente el elemento cultural más viejo y sencillo que ilustra de forma clara el efecto giroscópico en funcionamiento. En sus diversas formas se conoce desde muy antiguo, con restos y referencias pictóricas o epigráficas que datan al menos desde el primer milenio ac., en Mesopotamia, aunque seguramente sea muy anterior. Hay evidencias de su uso temprano en la Antigua Roma, en Grecia, China, India y muchos otros lugares. Permanece en esencia un juguete inalterado, variando ligeramente la forma y los materiales (arcilla, madera, plástico, metal, etc.) y la decoración. Las aplicaciones más potentes no fueron evidentes hasta mucho más tarde, concluida la revolución científica y hacia el final de la Revolución Industrial. El giróscopo como tal fue inventado, con ése mismo nombre, en 1852 por Foucault, montando una masa rotatoria en un soporte de Cardano para un experimento de demostración de la rotación de la Tierra. Foucault también se dio cuenta de que su aparato podía servir para indicar el Norte. En efecto, si se impiden ciertos movimientos del soporte del giróscopo, éste se alinea con el meridiano. Esto permitió la invención del girocompás, una brújula giroscópica.
PROPIEDADES FUNDAMENTALES La inercia giroscópica o "rigidez en el espacio" y la precesión, que es la inclinación del eje en ángulo recto ante cualquier fuerza que tienda a cambiar el plano de rotación. Estas propiedades se manifiestan a todos los cuerpos en rotación, incluida la Tierra. El término giróscopo se aplica generalmente a objetos esféricos o en forma de disco montados sobre un eje, de forma que puedan girar libremente en cualquier dirección; estos instrumentos se emplean para demostrar las propiedades anteriores, para indicar movimientos en el espacio, o para producirlos. Éste fenómeno físico, el efecto giroscópico, puede observarse fácil y cotidianamente en peonzas, o monedas lanzadas a rodar, por ejemplo, aunque por supuesto, cualquier objeto 4
giratorio funciona en cierto modo, como giróscopo. El giro en vuelo impartido por el jugador a un balón de rugby, o el de una bala disparada desde un arma de ánima rayada para estabilizar su trayectoria son ejemplos de aplicación del efecto. Cuando se somete el giroscopio a un momento de fuerza que tiende a cambiar la orientación del eje de rotación su comportamiento es aparentemente paradójico ya que el eje de rotación, en lugar de cambiar de dirección como lo haría un cuerpo que no girase, cambia de orientación en una dirección perpendicular a la dirección "intuitiva". Este principio se ha utilizado en diversas aplicaciones, particularmente en relación con el control y guía de aeroplanos, barcos, proyectiles, etc. Los giroscopios se han utilizado en girocompases y giropilotos. A su vez, la Tierra es un gran giróscopo.
DESCRIPCION DEL EFECTO GIROSCOPICO
Supongamos un giróscopo formado por un disco montado sobre un eje horizontal, alrededor del cual el disco gira libremente a gran velocidad, como se observa en la figura de abajo. Un observador mantiene el eje del fondo con la mano izquierda y el eje de delante con la mano derecha. Si el observador trata de hacer girar el eje hacia la derecha (bajando la mano derecha y subiendo la mano izquierda) sentirá un comportamiento muy curioso, ya que el giróscopo empuja su mano derecha y tira de su mano izquierda. El observador acaba de sentir el efecto giroscópico. Es una sensación muy sorprendente porque da la impresión de que el giróscopo no se comporta como un objeto «normal».
PARTES DE UN GIROSCOPIO Un típico modelo de giroscopio se construye suspendiendo un rotor relativamente masivo en el interior de tres anillos llamados cardanes. El montaje de estos anillos sobre superficies de cojinetes de alta calidad nos asegurará que sobre el rotor interior se va a ejercer muy poco par.
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DISEÑO DEL GIROSCOPIO Mediante el empleo de elementos cotidianos se puede construir un giroscopio sencillo que permita a los estudiantes entender ciertos fenómenos que pueden llegar a ser un poco abstractos y escapan a la intuición, como el movimiento giroscópico.
Chulines: aquí pon mamada y media DISCUSION La imagen clásica de un giroscopio es la de un rotor bastante masivo, suspendido sobre ligeros anillos de soporte llamados cardanes, que tienen cojinetes casi sin rozamiento y que aísla el rotor central de los pares externos. A altas velocidades, el giroscopio presenta extraordinaria estabilidad de balanceo y mantiene la dirección del eje de alta velocidad de rotación, del rotor central. La implicación de la conservación del momento angular es, que el momento angular del rotor, mantiene no solamente su magnitud, sino también su dirección en el espacio, en ausencia de pares externos. El giroscopio de tipo clásico, encuentra aplicación en girocompás, pero hay muchos más ejemplos comunes de movimiento giroscópico y estabilidad. Ejemplos de movimientos giroscópicos son las Peonzas, las ruedas de bicicletas y motocicletas, la precesión de la Tierra en el espacio e incluso el comportamiento de un boomerang.
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APLICACIONES SEGWAY Los Segway tienen el mérito de ser el primer vehículo basado en un giróscopo conectado a un ordenador que se encarga de mantener el vehículo en precario equilibrio.
FIGURA
SISTEMAS DE NAVEGACIÓN PARA SUBMARINOS El sistema de navegación inercial de giroscopio láser desarrollado y fabricado por Sagem (Grupo Safran) ofrece gran resistencia durante las inmersiones y tiene la capacidad de funcionar en entornos magnéticos muy fuertes sin pérdida de rendimiento. La arquitectura abierta y modular del sistema de navegación inercial lo convierte en la solución ideal Figura para los submarinos de nueva generación y para actualizar las embarcaciones actuales. El sistema creado por Sagem, certificado con los estándares navales más exigentes, se utiliza en los submarinos clase Collins de la marina de Australia y en la flota de submarinos clase ULA de Noruega
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