Resumen
El giróscopo o giroscopio, constituye una parte muy importante en los sistemas de navegación automática utilizados en los barcos hoy en día. Todo giróscopo presenta dos propiedades principales, la rigidez giroscópica y la precesión. Aunque desde el punto de vista físico es un aparato muy interesante de analizar, lo verdaderamente destacable es su aplicación a los instrumentos de navegación marina. Una de sus utilizaciones más frecuentes es como elemento principal del girocompás, un aparato que ha venido a sustituir a bordo de muchos buques a las agujas magnéticas. La acción directora en estos instrumentos la ejerce un giróscopo con dos grados de libertad y amortiguamiento, para obtener así la indicación del norte verdadero. Los tipos principalmente usados son: Anschütz, alemán; Sperry, americano; y Brown, inglés. A lo largo de los años han ido introduciéndose una serie de variaciones que, sin afectar en nada a su concepción original, lo han modificado para obtener una mayor precisión y seguridad de funcionamiento. También cabe destacar su aplicación a los giropilotos o pilotos automáticos. La evolución sufrida en estos instrumentos también ha dado por resultado unos aparatos perfectamente logrados, pero siempre tomando como base a ese singular giróscopo construido hace más de un siglo por Foucault, que tenía como objetivo demostrar el movimiento de rotación de la Tierra. Indice
Resumen .....................................................................1 .....................................................................1 Indice ..........................................................................2 ..........................................................................2 Introducción .....................................................3 • Definición .....................................................3 • Referencias Históricas ...................................3 ...................................................4 • Descripción ...................................................4 • Propiedades • Rigidez giroscópica ..................................4 ................................................5 • Precesión ................................................5 • Características giróscopo.....................5 • Movimiento de un giróscopo.....................5 • Efecto de la rotación terrestre •
sobre un giróscopo libre...........................9 Aplicaciones .................................................11 • Introducción .................................................11 • Girocompases •
2.2.1 Compás giroscópico Sperry (Marca XIV)..12 2.2.2 Compás giroscópico Brown ....................22 2.2.3 Compás giroscópico Anschütz ................31 •
Giropilotos ....................................................41 ....................................................41 1
Conclusiones ...........................................................46 ...........................................................46 ..............................................................47 • Bibliografía ..............................................................47 •
1. Introducción 1.1 Definición El giróscopo, o también llamado giroscopio, es un cuerpo en rotación que presenta dos propiedades fundamentales: la inercia giroscópica o `rigidez en el espacio' y la precesión, que es l a inclinación del eje en ángulo recto ante cualquier fuerza que tienda a cambiar el plano de rotación. Estas propiedades son inherentes 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 soporte cardánico, de forma que puedan girar libremente en cualquier dirección; estos instrumentos se emplean para demostrar las propiedades anteriores o para indicar movimientos en el espacio. A veces se denomina girostato a un giróscopo que sólo puede moverse en torno a un eje de giro. En casi todas sus aplicaciones prácticas, los giróscopos están restringidos o controlados de esta forma. 1.2 Referencias Históricas El giróscopo fue ideado y construido por Foucault en 1852 para demostrar el movimiento de rotación de la Tierra. Este aparato no era otra cosa que un giroscopio simétrico y centrado, con tres grados de libertad, al estar montado sobre una suspensión tipo cardán. El ingeniero Föppel construyó, con el mismo fin, una dinamo que, provista de dos grandes volantes, suspendió por medio de un trifilar. El eje de la dinamo estaba orientado en la dirección este−oeste y la acción de la rotación terrestre se manifestaba por un par de desvío, que venía equilibrado por el de torsión de la suspensión trifilar. El giróscopo elemental de Wheatstone, análogo al de Foucault, es un giróscopo con tres grados de libertad. 1.3 Descripción El giróscopo con tres grados de libertad está constituido por un toro o rotor, montado sobre los cojinetes (en la figura anterior aparecen con el número 1) que se apoyan sobre un anillo horizontal, capaz de inclinarse alrededor de los cojinetes indicados con el número 2, y éstos están a su vez colocados sobre un anillo vertical capaz de girar en acimut alrededor de los cojinetes número 3. De esta forma resultan los tres movimientos: de giro del rotor alrededor de su eje marcado como 1; de inclinación del eje rotor alrededor de los cojinetes 2; de giro en acimut del eje del rotor alrededor de los cojinetes número 3, correspondiente a los tres grados de libertad. Este conjunto es perfectamente simétrico, de modo que puede ser equilibrado respecto a cualquiera de los ejes de giro, y cuando lo está, recibe el nombre de giróscopo libre. 1.3.1 Propiedades a) Rigidez giroscópica
La rigidez en el espacio de un giróscopo es consecuencia de la primera ley del movimiento de Newton, que afirma que un cuerpo tiende a continuar en su estado de reposo o movimiento uniforme si no está sometido a fuerzas externas. Un ejemplo de esta tendencia es una peonza en rotación, que tiene libertad para moverse en torno a dos ejes además del eje de giro. Otro ejemplo es una bala de fusil, que al girar en torno a su eje durante el vuelo presenta inercia giroscópica, y tiende a mantener una trayectoria más recta que si no girara. La mejor forma de mostrar la rigidez en el espacio es mediante un modelo de giróscopo formado por un volante montado sobre anillos de forma que el eje del volante pueda adoptar cualquier ángulo en el espacio. Por mucho que se mueva, incline o ladee el giróscopo, el volante mantendrá su plano de rotación original mientras 2
siga girando con suficiente velocidad para superar el rozamiento de los rodamientos sobre los que va montado. La rigidez se manifiesta por el hecho de que, una vez comunicada al rotor una rápida rotación, su eje conservará siempre la dirección primitiva, cualquiera que sea el movimiento que se le dé a su pedestal. Esto también es cierto con el rotor parado, pero sólo en el caso teórico de que no existan rozamientos. Experimentalmente, y en el caso de estar muy vertical el eje del giróscopo, esta rigidez desaparece y el eje del rotor vacila y cambia de dirección, siendo esto debido a que la casi coincidencia de los ejes de giro 1 y 3 anula uno de sus tres grados de libertad. La rigidez giroscópica es directamente proporcional a la velocidad de giro del rotor. b) Precesión
La precesión giroscópica aparece cuando a uno de los anillos, horizontal o vertical, se le aplica un par perturbador. Tendremos en cuenta que un par da lugar a un giro, y que este par se representa por un vector normal al plano en que se aplican las fuerzas del paro, lo que es lo mismo, a aquel en que tiene lugar el giro. El extremo del vector par está situado en el lado desde el cual se ve el giro en sentido dextrogiro. El movimiento de precesión se puede definir como aquel que tiende a llevar el vector que representa el giro del rotor a coincidir con el que representa el par perturbador. En la figura del giróscopo de Wheatstone, el par perturbador, aplicado sobre los cojinetes 2, produce una precesión del extremo A del eje del rotor, hacia abajo. El valor de la precesión es directamente proporcional al valor del par perturbador e inversamente proporcional a la velocidad de giro del rotor.
Un ejemplo sencillo de precesión se puede observar en un aro infantil. Para hacer que el aro dé la vuelta a una esquina, no se aplica una presión a la parte delantera o trasera del aro, como podría esperarse, sino sobre la parte superior. Esta presión, aunque se aplica en torno a un eje horizontal, no hace que el aro se caiga, sino que realice un movimiento de precesión en torno al eje vertical, con lo que el aro da la vuelta y sigue rodando en otra dirección. •
Características
Movimiento de un giróscopo
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Consideremos el ejemplo de un giróscopo o peonza simétrica, cuyo eje de rotación varía de dirección. En general estos movimientos son muy complicados. La figura siguiente muestra un sistema de este tipo compuesto de una rueda de bicicleta que está libre para girar sobre un eje que pivota en un punto situado a una distancia D del centro de la rueda pero que es libre para girar en cualquier dirección. Cuando se mantiene el eje horizontal y se deja libre, si la rueda no está girando, cae simplemente. El momento respecto al punto O es MgD en la direc-ción y sentido indicados en el diagrama de la figura. Al caer la rueda, su momento cinético debido al movimiento del centro de masas está dirigido hacia el papel. Como el centro de masas acelera hacia abajo, la fuerza hacia arriba F ejercida por el soporte en O es evidentemente inferior a Mg.
Admitamos ahora que la rueda está girando. El momento cinético respecto al punto O es el momento cinético respecto al centro de masas, en este caso el momento de spin, más el momento cinético debido al movimiento del centro de masas. En la práctica es muy sencillo hacer que el momento cinético de spin sea muy grande de modo que en primera aproximación podamos despreciar la con-tribución debida al movimiento del centro de masas. A partir de la figura anterior vemos que el momento es perpendicular al momento cinético. Con objeto de que el momento cinético varíe en la dirección y sentido del momento, el eje debe moverse en el plano horizontal, según está indicado. En el tiempo dt, la variación del momento cinético tiene el valor dL = ð dt = MgD dt.
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El ángulo a través del cual se mueve el eje es dð = dL / L = MgD dt / L. El movimiento del eje se denomina precesión. La velocidad angular de precesión es Como el centro de masas no cae, el punto soporte evidentemente ejerce una fuerza hacia arriba igual a Mg. La observación de que la rueda se mueve en un plano horizontal en lugar de caer es al principio sorprendente. Estamos familiarizados con situaciones como una barra que cae, en donde no existe ningún momento cinético inicial, de modo que la dirección de la variación del momento cinético es también la dirección del momento cinético. Existe un caso análogo en el movimiento circular, por ejem-plo, el de la Luna alrededor de la Tierra. La Tierra ejerce una fuerza sobre la Luna dirigida hacia la Tierra. ¿Por qué no se mueve la Luna hacia la Tierra y choca contra ella? Si la Luna se pudiese mantener sin un momento cinético inicial y luego se dejase en libertad, la variación del momento cinético (desde cero) hacia la Tierra daría como resultado un movimiento de la Luna hacia nuestro planeta. Sin embargo, puesto que la Luna tiene un momento cinético inicial perpendicular a la recta que la une con la Tierra, una variación del momento cinético hacia la Tierra da como resultado simplemente que la Luna se desviará del movimiento rectilíneo y describirá un arco circular. Así pues, aunque dp está siempre dirigida hacia la Tierra, p es tangencial a la circunferencia. En el caso del giróscopo, si no existiese momento cinético inicial, el momento de las fuerzas (dirigidas hacia el papel) originaría un momento cinético (en el mismo sentido) asociado con el movi-miento del centro de masas al caer éste; pero si existe un momento cinético inicial grande a lo largo del eje de la rueda, este mismo momento de las fuerzas simplemente desvía el momento cinético dirigiéndolo hacia el papel. En este caso el pivote ejerce una fuerza hacia arriba suficiente para evitar que caiga el centro de masas. Si el eje no está horizontal sino que forma un ángulo ð con la vertical, como se ve en siguiente figura, el momento de la fuerza exterior respecto al punto O es MgD sen ð. El ángulo de precesión en el tiempo dt es ahora
La velocidad angular de precesión ðp , es por tanto independiente del ángulo ð. Una observación cuidadosa del movimiento de un giróscopo revela que si se mantiene horizontal el eje y se deja libre desde el reposo, el movimiento del eje no queda confinado en el piano horizontal. Al principio desciende un poco y al seguir su movimiento de precesión el giróscopo, existe una pequeña oscilación vertical denominada nutación. Este efecto fue despreciado en nuestro estudio anterior debido a que no considerábamos la contribución del movimiento del centro de masas al momento cinético total respecto al pivote. Si el momento cinético de spin es mucho mayor que el debido al movimiento del centro de masas durante la precesión, la nutación es muy pequeña. El movimiento de precesión del centro de masas da como resultado un pequeño componente del momento cinético MD2 ðp en dirección vertical. Sin embargo, no existe ningún momento de fuerzas exteriores en esta dirección. Con objeto de que el eje pueda seguir el movimiento de precesión en el plano horizontal sin nutación, debe dársele un impulso angular MD2 ðp cuando se le deja suelto. Si esto no se hace, la componente vertical del momento cinético total debe permanecer siendo cero. Entonces cuando el eje empieza a realizar el movimiento de precesión, debe descender un poco de modo que exista una componente hacia abajo del momen-to cinético de spin para contrarrestar el momento cinético vertical debido al movimiento del centro de masas. Podemos analizar el movimiento cualitativamente desde el momento en que se deja libre el giróscopo. En el momento en que se deja libre el eje, la fuerza del soporte en O es Mg/2 y la de la mano es Mg/2. Por lo tanto, en el momento de soltarlo, el centro de masas debe acelerar hacia abajo. Desde este momento la velocidad angular de precesión aumenta desde cero. Cuando el centro de masas cae y el eje empieza a tener su movimiento de precesión, aumenta la fuerza en O. Cuando la fuerza es igual a Mg, la aceleración de centro de masas es cero pero está moviéndose hacia abajo. Así pues sobrepasa su posición de equilibrio, la fuerza en O resulta ser mayor que Mg, y el centro de masas finalmente se detiene en su movimiento hacia abajo y empieza 4
a moverse hacia arriba de nuevo hasta que llega a estar horizontal de nuevo. Efecto de la rotación terrestre sobre un giróscopo libre
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El movimiento de rotación de la Tierra consiste en una revolución diaria alrededor de la línea de los polos, cuya dirección, para los efectos prácticos de este estudio, puede considerarse fija en el espacio. Este movimiento de rotación se manifiesta, para distintos observadores situados en la Tierra, de la siguiente forma: Para un observador situado en el polo norte, la línea norte−sur de su horizonte girará alrededor de la vertical a una velocidad de 15º por hora, de tal forma que en un día habrá dado un giro completo de 360º. El sentido de este giro, para el observador que mira al plano de su horizonte, es contrario al de las manillas del reloj, es decir, gira hacia el oeste. • Un observador situado en el polo sur verá a su horizonte girar a la misma velocidad que en el caso a), pero hacia el este. • Para un observador situado en el ecuador, el plano de su horizonte se trasladará hacia el este a una velocidad de 900 millas por hora, acompañando a la Tierra en su movimiento de rotación. La línea norte−sur de su horizonte no tendrá movimiento alguno de giro, pero alrededor de ella se inclinará el plano del horizonte, deprimiéndose el extremo este y elevándose el oeste (movimiento oeste−cenit−este) a una velocidad de 15º por hora, de tal forma que al transcurrir un día, el observador situado sobre él habrá dado una vuelta de campana completa. • Para un observador situado en un punto de latitud norte, existirán los movimientos de giro de la línea norte−sur y de inclinación del plano del horizonte alrededor de dicha línea. Llamando a la velocidad de rotación de la Tierra y a la latitud, se tiene que el valor de la velocidad de giro de la línea norte−sur viene dado por sen, siendo el sentido de este giro el contrario al de las manillas de un reloj, esto es, norte−oeste−sur−este; y que el valor de la velocidad de inclinación del horizonte es cos, siendo el sentido en que se realiza este movimiento el ya indicado osete−cenit−este. • Un observador situado en un punto de latitud sur experimenta los mismos movimientos que el del punto d), siendo el valor de las velocidades de giro e inclinación el mismo. Sólo varía el sentido del giro de la línea norte−sur, que en este caso es norte−este−sur−oeste. •
El eje de un giróscopo libre colocado en un punto cualquiera de la Tierra, debido a su rigidez, seguirá siempre, mientras no actúe ningún par perturbador, fijo en la dirección primitiva que tuviese; ahora bien, el horizonte experimentará los movimientos vistos antes, lo cual da lugar a que aparezcan unos desplazamientos relativos del eje del giróscopo con relación al horizonte. Supongamos que un giróscopo libre en un punto de latitud norte, que su eje de giro tenga una ligera inclinación sobre el horizonte y que su dirección forme un ángulo con la línea norte−sur del mismo, esto es, con el meridiano. Debido a esto, el par cos, que representa la velocidad de inclinación del horizonte, se puede descomponer en dos: coscos, según la dirección del eje del giróscopo, sin efecto apreciable sobre la velocidad de giro del rotor, y cossen, normal a la dirección del eje del giróscopo, que da lugar a un movimiento relativo de elevación del extremo N del giróscopo cuando está orientado al este del meridiano, o a uno de depresión cuando lo está al oeste. Se ve claramente que este par se anula cuando el eje del giróscopo está en la dirección del meridiano, =0. Siendo nula la velocidad de inclinación que presenta el eje del giróscopo, no sufrirá movimiento alguno en elevación o depresión cuando esté en el meridiano. Debido al movimiento de giro del horizonte, el extremo N del giróscopo sufrirá un desplazamiento relativo en acimut hacia el este. La velocidad de este desplazamiento es sen, igual a la de giro del horizonte, siempre que la inclinación del eje del giróscopo sobre el horizonte sea sólo de unos cuantos minutos. Si el giróscopo estuviese situado en un punto de latitud sur, todo sucedería de igual forma, excepto el desplazamiento relativo de su extremo N en acimut, que tendría lugar hacia el oeste. 2. Aplicaciones
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2.1 Introducción La inercia giroscópica y la fuerza de la gravedad pueden emplearse para hacer que el giróscopo funcione como indicador direccional o brújula. Si se considera un giróscopo montado en el ecuador de la Tierra, con su eje de giro situado en el plano este−oeste, el giróscopo seguirá apuntando en esa dirección a medida que la Tierra gira de oeste a este. Así, el extremo oriental ascenderá en relación a la Tierra, aunque seguirá apuntando en la misma dirección en el espacio. Si se fija un tubo parcialmente lleno de mercurio a la estructura del dispositivo giroscópico, de forma que el tubo se incline a medida que lo hace el eje del giróscopo, el peso del mercurio en el extremo occidental, más bajo, aplica una fuerza sobre el eje horizontal del giróscopo. Éste se resiste a dicha fuerza y efectúa un movimiento de precesión en torno al eje vertical, hacia el meridiano. Los giróscopos constituyen una parte importante de los sistemas de navegación automática o guiado inercial en aviones, naves espaciales, misiles teledirigidos, cohetes, barcos y submarinos. Los instrumentos de guiado inercial de esos sistemas incluyen giróscopos y acelerómetros que calculan de forma continua la velocidad y dirección exactas del vehículo en movimiento. Estas señales son suministradas a un ordenador o computadora, que registra las desviaciones de la trayectoria y las compensa. Los vehículos de investigación y misiles más avanzados también se guían mediante los llamados giróscopos láser, que no son realmente dispositivos inerciales, sino que emplean haces de luz láser que giran en sentido opuesto y experimentan modificaciones cuando el vehículo cambia de dirección. Otro sistema avanzado, denominado giróscopo de suspensión eléctrica, emplea una esfera hueca de berilio suspendida en un soporte magnético. 2.2 Girocompases 2.2.1 Compás giroscópico Sperry (Marca XIV) a) Elemento sensible
Está constituido por el toro, el cárter, el anillo vertical y las masas compensadoras. En su posición de equilibrio, el eje del toro se orienta según la línea Norte−Sur, y podremos, por tanto, utilizar los términos caras Norte, Sur, Este y Oeste. El toro pesa aproximadamente 23,5 kg. y gira a 6000 revoluciones por minuto, accionado por un motor de inducción trifásico, cuyo rotor forma parte integrante del toro del giroscopio, mientras que el estator va fijo al cárter. El toro gira alrededor de su eje, que se fija en el cárter o caja del rotor con cojinetes de bolas en sus extremos. La rotación del toro alrededor de su eje constituye el primer grado de libertad del aparato. El cárter se apoya en el anillo vertical por medio de dos pivotes situados en prolongación de su diámetro horizontal perpendicular al eje del toro. Estos pivotes giran sobre dos cojinetes de rodamiento a bolas que lleva el anillo vertical. El toro puede, pues, inclinarse alre-dedor del diámetro que pasa por los dos pivotes, y este movimiento constituye el segundo grado de libertad del aparato. El anillo vertical puede girar alrededor del eje vertical del con-junto. Lleva, alineados con este eje, dos muñones que pueden girar sobre dos cojinetes que van en el elemento fantasma y que se deno-minan cojinete de guía superior y cojinete de guía inferior. Este movimiento de rotación del anillo vertical alrededor del eje vertical del sistema, o sea el movimiento en acimut del eje, constituye el tercer grado de libertad. El anillo vertical lleva fijos en su parte alta dos brazos que aguan-tan las masas compensadoras Norte y Sur. La asociación de estos pesos al elemento sensible tiene por objeto hacerle iguales los momentos de inercia con relación a todos los ejes horizontales que pasan por el punto de suspensión del elemento sensible, que a su vez es el centro de gravedad del toro.
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En los primeros equipos, que estaban desprovistos de estos pesos, cuando había balances, el toro se alineaba paralelamente al plano de éstos, y como es precisamente paralelo a las caras planas del toro, o sea perpendicular al eje, cuando el momento de inercia del elemento sensible es máximo, en ausencia de masas compensadoras el compás se orientaba en la dirección del máximo momento de inercia, en el plano de los balances, y lo hacia inservible con mal tiempo. Consiguiendo que el momento de inercia sea uniforme en todas las direcciones horizontales, se evita este defecto y no es difícil determinar el peso de estas masas y su distancia horizontal al eje vertical del compás. Su posición en altura puede ser cualquiera, y Sperry las coloca en línea con el eje. El elemento sensible así formado se monta por intermedio del elemento fantasma y de la araña en su bitácora, con suspensión cardan. b) Elemento fantasma
Está formado por un aro y un cuello, de cuya parte alta se sus-pende el elemento sensible por medio de un grupo de hilos de alam-bre. El fantasma lleva en los extremos del eje vertical, que se confunde con el del cuello, los cojinetes de guía sobre los que giran los pivotes del anillo vertical. El cuello pasa por el centro de la araña, en la que puede girar. La araña es la unión entre el elemento directriz y la bitácora, fija al barco. A fin de evitar la torsión de los hilos de suspensión, que originaría un par perturbador al giroscopio, el fantasma está obligado a seguir al elemento sensible en sus movimientos con relación al barco, pero esta unión del fantasma con el elemento sensible no se hace por medios mecánicos, sino eléctricos, sin contacto directo de los dos elementos, gracias a un sistema seguidor que estudiaremos más adelante. Como el fantasma está constantemente alineado con el elemento directriz, se le fija la rosa en la parte superior del cuello. Lleva tam-bién una rueda dentada llamada rueda acimutal, que sirve para el funcionamiento de los repetidores, y un cojinete de bolas, llamado en inglés Upper Stem Bearing, para evitar el rozamiento del cuello al pasar por la araña, que soporta, además, al conjunto de elemento sensible y fantasma, por medio de dos brazos o estribos con cojinetes (Roller Thrust Bearing).
c) La araña
Va montada sobre dos muñones transversales que lleva el cardan de la bitácora. Consta de: 1) El motor acimutal, origen del sistema seguidor. 2) El transmisor, órgano que transmite a los repetidores los movimientos relativos del compás con relación al barco. 3) El corrector de velocidad y de latitud y el corrector auxiliar de latitud. 4) Su borde superior lleva en el contorno exterior un anillo móvil sobre el cual está grabada la línea de fe. Este anillo o aro coseno puede girar alrededor de la araña, con lo cual se mueve la línea de fe y se hace sobre el compás la corrección del error de rumbo y de velocidad, error que, como sabe-mos, es función de la latitud. Esta corrección se hace por medio de un sistema mecánico llamado corrector de velocidad y de latitud, que vamos ahora a estudiar. d) Corrector de velocidad y latitud
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El error de rumbo y de velocidad en un lugar de latitud es , hacia el Oeste para rumbos de componente Norte, y hacia el Este para rumbos de componente Sur. La corrección se hace moviendo la línea de fe el número de grados preciso, de modo automático para los cambios de rumbo, mediante un corrector me-cánico cuya posición se fija en función de la latitud y de la velocidad. Esta posición se modifica a mano para los cambios de velocidad superiores a tres nudos y los cambios de latitud superiores a tres grados. Los cambios de la línea de fe en función de los del rumbo se obtienen por medio del rodillo 59, colocado en una ranura excéntrica llamada leva coseno, situada en la cara inferior de la rueda acimutal del elemento fantasma. Los movimientos del barco en acimut se transmiten por el rodillo 59 mediante el codo 60 del brazo de la leva coseno, a la palanca 62, la que, a su vez, gira sobre el pivote 63, cuya posición, función de la velocidad y de la latitud, se regula por el tornillo 57. La palanca 62, en su parte superior, lleva un pivote alrededor del cual gira la palanca 64, y ésta, a su vez, lleva otro pivote, fijo en su parte superior, y una horquilla en la inferior. Los movimientos de la palanca 64 alrededor del pivote 65 se transmiten por el 66 a un dado, unido por medio del corrector auxiliar de lati-tud, al anillo de fe. Así, mediante este juego de palancas (cuyos brazos se varían con los correctores), se corrige en el sentido conveniente la línea de fe el número de grados igual a la fracción hasta su valor máximo posible , con lo cual la lectura en la línea de fe es siempre del rumbo verdadero. e) Corrector auxiliar de latitud
Este corrector, término de los movimientos a través del rodillo, brazo y codo de la leva coseno, palanca 62 y palanca 64, es necesario en los compases Sperry debido al sistema de amortiguamiento que emplea. Sabemos que si r es el ángulo que forma el plano de trabajo del par con el plano vertical, el eje, al estar en reposo, forma con el meridiano el ángulo = r tg , variable con la latitud . Este desvío es hacia el Este en latitudes Norte, y como r es muy pequeño, apro-ximadamente un grado, varía muy poco en las latitudes navegables por los cambios de ésta y la posición del corrector auxiliar, que se regula a mano, sólo hay que ajustarla para cambios apreciables, como, por ejemplo, cada 5º de diferencia en latitud. f) Balístico
Es la parte del aparato que lo hace direccional, dando al eje una posición de equilibrio casi horizontal y muy próxima al meridiano. Está formado por cuatro depósitos de mercurio dispuestos paralela-mente al eje, dos en la cara Este y dos en la cara Oeste. La comunica-ción entre los depósitos Norte y Sur de cada cara del eje se hace mediante una canalización de muy poco diámetro. La armazón soporte de los depósitos lleva en sus caras Este y Oeste sendos gorrones que pivotan en los cojinetes que a tal fin van colocados en el fantasma. El conjunto va, pues, apoyado en el fantasma, pero unido por su parte baja a la caja del rotor, por un brazo horizontal cuyo punto de sujeción está desviado unos 3 mm al Este del eje vertical del compás. El balístico se inclina, pues, con la caja del rotor, al girar sobre los cojinetes Este−Oeste que lleva el fantasma, y aquélla alrededor del también eje Este−Oeste que juega en los cojinetes que lleva el anillo vertical. Estando el peso del conjunto balístico soportado por el fan-tasma y no por el elemento sensible, es sólo su efecto sobre éste el que se transmite por medio de la unión articulada entre la caja del rotor y el balístico, a la parte baja de aquélla, efecto que será debido a la distinta cantidad de mercurio contenida en los depósitos Nor-te y Sur. 8
Hay que observar una diferencia esencial en el modo de trabajar de este aparato, comparado con el de contrapeso sólido, y es que si el eje del giroscopio, y con él la caja del rotor, se aparta de su posición de equilibrio en el horizonte, el contrapeso sólido tiende a llevarlo otra vez a ella, mientras que la diferencia de nivel de los depósitos de mercurio del balístico tiende a aumentar más la inclinación. Si el eje del giroscopio se inclina, por ejemplo, con el extremo Norte por encima del horizonte, el mercurio pasará, en cada par de depósitos, de los del Norte a los del Sur. Parece, pues, a primera vista que el efecto del líquido sea contrario al fin que se pretende, pero vamos a demostrar que no es así. Volvamos a las ecuaciones que dan el movimiento del extremo del momento cinético, suponiendo el contrapeso sólido, colocado al Este del eje vertical del compás, y sea r el ángulo que forma éste con el plano de trabajo del par. Con el balístico de mercurio se obtiene un par de eje opuesto al anterior, es decir, cuyas componentes son rB y B. Para obtener las mismas ecuaciones basta con sustituir S por −S, o sea que, tra-tándose de equipos con balístico, el momento cinético debe ser de signo contrario al de los de tipo pendular con contrapeso sólido, lo cual se consigue invirtiendo el sentido de rotación. El rotor de la aguja Sperry Marca XIV gira en sentido inverso al de rotación de la tierra. Hemos supuesto que la diferencia de nivel entre los depósitos Norte y los depósitos Sur de cada par era proporcional a la inclina-ción del eje del giroscopio, es decir, que los niveles de cada par se estabilizaban, para una inclinación rápida del eje, instantáneamente sobre la misma horizontal. Pero es evidente que no puede ocurrir así: el mercurio, debido a su rozamiento con las paredes del tubo y a su viscosidad, no se transvasa instantáneamente de unos depósitos a otros. No obstante, se comprueba y puede demostrarse que esto no influye de forma sensible en el funcionamiento del aparato. Se admite, por tanto, que el movimiento del eje del giroscopio está regido por las dos ecuaciones precedentes y, como ya sabemos, en su posición de equilibrio forma con el meridiano el ángulo o =r tgde desvío hacia el Este en el hemisferio Norte, e inclinado sobre el horizonte el extremo del mismo nombre un ángulo muy pequeño (de medio grado aproximadamente en nuestras latitu-des), cuyos valores se obtienen haciendo en las dos ecuaciones del movimiento. Este pequeño ángulo es, no obstante, perjudicial, y las Sperry que se instalan en los barcos de guerra llevan un cuadrante dividido en grados de latitud, que permite modificar el eje de inclinación del balístico con relación al de la caja del rotor, de modo que, al estar el toro horizontal, el balístico esté inclinado un ángulo ðo para dar así el par necesario para el equilibrio del eje. g) Sistema seguidor (en inglés Follow−up)
Es el nombre que recibe el órgano que mantiene al fantasma ali-neado con el elemento sensible. Está formado por el motor acimutal, que es un motor serie especialmente construido para invertir inme-diatamente el sentido de rotación cuando se invierte el de la corriente en el inducido. Las inversiones del sentido de rotación del motor acimutal se obtienen mediante un transformador colocado en el anillo del fantasma. El primario va devanado alrededor de la barra central, y cada barra extrema lleva una bobina secundaria. Enfrente de este transformador, en el anillo vertical, va fija una armadura de hierro dulce, escasamente separada de aquél. El primario del transformador recibe la corriente alterna (210 pe-ríodos) que alimenta al estator del motor giroscópico, mientras que los secundarios van cada uno unido a una pentodo amplificadora. Las corrientes inducidas en estos secundarios son iguales y opuestas cuan-do el fantasma y el anillo vertical, que lleva la armadura de hierro dulce del transformador, están alineados. No pasa entonces ninguna señal al sistema 9
amplificador, pero cuando el fantasma se mueve con relación al anillo vertical, las corrientes inducidas en los arrollamien-tos secundarios ya no son iguales y pasa entonces la corriente al sistema amplificador, con signo dependiente del sentido de separación relativo entre armadura y transformador, y su intensidad es propor-cional a la amplitud de la separación. Una vez amplificada y rectificada, la señal se transmite al inducido del motor acimutal, cuyo inductor está cons-tantemente excitado por la corriente continua de 70 voltios. El motor gira entonces en el sentido conveniente, y su movimiento se transmite al fantasma mediante un sistema de engranajes calculados para que lo lleven a su posición frente al anillo vertical; cesa entonces el paso de corriente a la amplificadora y se para el motor acimutal. En reposo, es decir, cuando el barco no da guiñadas, el fantasma y el anillo vertical están uno frente a otro, pero cuando el barco cae a una banda, el fantasma pierde su posición, a la cual vuelve gracias al sistema seguidor con cierta velocidad, y, debido a su inercia, la sobrepasa ligeramente; se invierte entonces el sentido de rotación del motor acimutal y el fantasma sobrepasa ahora su posición de equilibrio por la parte opuesta, y este proceso continuaría indefinida-mente: el fantasma no estaría nunca en reposo, oscilaría constante-mente a uno y otro lado de su posición de equilibrio, con una amplitud aproximada de medio grado, o sea un cuarto de grado a cada banda. Esta oscilación, llamada en inglés hunting (caza), puede supri-mirse, aunque se prefiere a menudo conservarla, porque transmite al mercurio del balístico una agitación continua que evita el efecto pelicular, facilitando así su transvase de un depósito a otro, con lo que se disminuye el retardo para establecer los niveles de mercurio en el mismo plano horizontal por la inclinación que tome el eje del giroscopio, y el efecto del balístico es más aproximadamente propor-cional a la inclinación ð de este eje. h) Sistema de transmisión
Es el que une el compás magistral con los repetidores, el regis-trador de rumbos y el autotimonel. Se alimenta con corriente conti-nua de 70 voltios y consiste en un transmisor fijado al anillo de la línea de fe, conectado eléctricamente a cada uno de los motores de los diversos repetidores. Sabemos que la rosa va fija al cuello del fantasma, el cual lleva también, bajo la rosa, una rueda dentada que se llama rueda acimutal. La unión entre el fantasma y el transmisor se hace a través de la rueda acimutal y de un tren de engranajes. El transmisor consiste en una serie de contactos repartidos sobre una circunferencia (interruptor giratorio), que pueden ponerse su-cesivamente en contacto con dos brazos móviles a los que se les co-munica los movimientos del fantasma con relación al elemento sensible, por medio de la rueda dentada acimutal y del tren de engranajes que lleva el transmisor. Hemos visto que, debido a su inercia, el fantasma, y con él la rosa, oscila a una y otra parte de su posición de equilibrio con una amplitud que, como máximo, llega a ser de un cuarto de grado. Mediante un sistema denominado recuperador de movimiento perdido, situado entre el tren de engranajes y los brazos móviles, se consigue que ese movimiento oscilatorio no pase a los repetidores, sin alterar la transmisión instantánea de cualquier cambio de rumbo. El pequeño motor repetidor, con el que se consigue la sincroni-zación, dirige, por medio de un sistema de engranajes, los movi-mientos de una rosa que puede así mantenerse marcando el mismo rumbo que el compás magistral. i) Suspensión
Todo el conjunto de la aguja giroscópica, cuyo centro de grave-dad está ligeramente por debajo del punto de suspensión y que es común a los tres ejes alrededor de los cuales puede girar y al centro de gravedad del toro (o rotor), está montado en una bitácora con suspensión cardan provista de amortiguadores de balances y de 10
ca-bezadas que la hacen prácticamente insensible a estos efectos hasta valores de 45 y 20 grados respectivamente. k) Alimentación
Un grupo motor−alternador transforma la corriente continua del barco en alterna trifásica de 50 voltios y 210 periodos. La parte motor se alimenta con continua de 70 voltios. El movimiento del toro se consigue con un motor asincrónico cuyo inducido o rotor en jaula de ardilla es parte integrante del toro, mientras que el estator forma parte de la caja del rotor o cárter. El estator, que es miembro del elemento sensible, está inmóvil con relación al meridiano, mientras que el barco, y con él la bitácora, la suspensión y la araña, se mueven en acimut. A pesar de estos movimientos relativos, la alimentación del esta-tor con corriente alterna se consigue llevándola a dos grupos de bornes colocados sobre la bitácora y la araña, y desde ahí, por medio de contactos de platino provistos de resortes y de anillos colectores mon-tados en el cuello del fantasma, a los bornes del anillo del fantasma. Desde este lugar la conexión se hace por medio de hilos a los bornes del anillo vertical. El tendido sigue luego el anillo vertical hasta el eje horizontal de la caja del rotor y desde ahí, por flexibles, a las tomas de corriente del mismo cárter, a las que se embornan los tres circuitos inductores del estator. De este modo se conduce la corriente del generador a la bitácora fija y de ésta al elemento sensible alre-dedor del cual gira, sin introducir ningún efecto perturbador. 2.2.2 Compás giroscópico Brown Se construía por S. G. Brown Ltd. en Gran Bretaña y por la A.O.I.P. en Francia. Dejó de fabricarse en 1959 en los dos países, pero como todavía existe un gran número de ellos montados en barcos mercantes, vamos a describirlo y a estudiarlo. Hay dos modelos en servicio: el llamado tipo A, con repetición y el tipo B, sin ella. a) Elemento sensible 1) El toro, de unos 2 kilos de peso (compárese con los 23,5 kilos de Sperry) y de 10 cm de diámetro, está
montado en un árbol flexi-ble con cojinetes de rodamiento a bolas. La flexibilidad relativa del árbol permite dispensar el equilibrio dinámico absoluto del toro que, no obstante, debe mantener un perfecto equilibrio estático. El rotor gira a 14.000 r.p.m. (la Sperry a 6000 r.p.m.) y esta gran velocidad le da un momento cinético apreciable. El movimiento se obtiene por medio de un motor asincrónico en jaula de ardilla cuyo inductor se alimenta con corriente trifásica de 70 voltios. La rotación es en el mismo sentido que la de la tierra. 2) Cárter. El toro va montado en dos cojinetes de rodamiento a bolas en un cárter de aluminio al que va fijo el
estator del motor que mueve al toro y éste forma parte del rotor en jaula de ardilla. Los extremos del eje Este−Oeste del cárter llevan los pivotes que por su forma se llaman cuchillos o fieles. Estos fieles reposan en so-portes en forma de V montados en el anillo vertical, con lo cual el cárter puede inclinarse alrededor de su eje Este−Oeste. Debajo de cada fiel existen pequeños orificios para la evacuación de aire admi-tido por otros similares que rodean a los cojinetes para enfriarlos. Debajo del fiel Este va fija en el cárter una pequeña tobera, para aumentar la presión del aire que se inyecta a las botellas de gobierno, por intermedio de la cámara distribuidora de aire, fija al cárter y a una conducción vertical fija al anillo vertical. Debido a la consi-derable fuerza centrífuga que actúa sobre el aire en el interior del cárter, producida por la rápida rotación del toro, hay a la salida un gran aumento de presión hidrostática, 11
de unos 75 milímetros. Del cárter el aire pasa por una abertura tubular del anillo vertical y de allí a la conducción, vertical también, que lleva el mismo anillo. 3) Sistema de trabajo
El equipo lleva dos pares de botellas semillenas de aceite, colo-cadas en el cárter y de dimensiones diferentes. Las dos grandes, van en el lado Este paralelamente al eje; las dos pequeñas, en el lado Oeste, de la misma manera. Estas botellas están enlazadas de dos en dos por canalizaciones contiguas en sus partes bajas, formando la pareja del Este y la pareja del Oeste. Llevan otras canalizaciones en sus partes altas que las comuni-can con la cámara distribuidora de aire que va unida al cárter por encima de la conducción vertical fija al anillo vertical. La cámara de aire está dividida verticalmente, por un tabique, en dos partes iguales y simétricas respecto a la conducción vertical cuando el eje está horizontal. La cámara de aire se inclina con el cárter cuando lo hace éste, mientras que la conducción vertical permanece fija, igual que el anillo en que va montada. El conjunto conducción, cámara distribuidora de aire y canali-zaciones, dirige un chorro de aire hacia las superficies libres del aceite de las botellas, el cual se reparte, cuando el eje del giroscopio está horizontal, a partes iguales en los dos compartimientos de la cámara de aire y, por tanto, las presiones que llegan a las superfi-cies del aceite de cada par de botellas son iguales, pero como cual-quier inclinación del eje da como consecuencia el movimiento del cárter y con éste la distinta situación de la cámara de aire respecto a la conducción, el chorro de aire ya no se reparte por igual y aumen-tará la presión en una botella de cada par, y se reducirá en las otras dos. Como las canalizaciones de aire están cruzadas habrá aumento de presión en la botella baja del Este y en la alta del Oeste. El aumen-to de la presión de aire en una botella origina el descenso de su nivel de aceite acompañado de la subida del mismo en la que forma pareja con ella, que a su vez ha sufrido una depresión. Supongamos por ejemplo que el eje del compás se inclina, con el extremo Norte por encima del horizonte; hay aumento de presión en la botella grande Sur que origina el paso de aceite de ésta a la botella Norte. En las botellas pequeñas colocadas al Oeste del compás, ocurre lo contrario: la presión es en la botella Norte y si no hubiera ningún otro dispo-sitivo tendría por efecto transferir el aceite a la botella Sur. Para evitarlo, se coloca en la botella pequeña Norte una válvula llamada de amortiguamiento, que tiene por objeto retardar el paso del aceite entre esas dos botellas, asegurando así, como luego veremos, el amor-tiguamiento de las oscilaciones del eje del compás. Las botellas pe-queñas colocadas en el lado Oeste del equipo reciben por su finalidad el nombre de botellas de amortiguamiento, y las grandes colocadas en el lado Este se llaman botellas de trabajo. De aluminio. La rosa, que es un círculo vaciado de aluminio, forma cuerpo con él. En el punto de apoyo del fiel Este va fija la conducción que inyecta verticalmente a las botellas de trabajo. 4) Anillo vertical.
Como en la Sperry, hay dos masas compensadoras, llamadas pesos cuadrantales, sujetas al anillo vertical; pero los brazos soporte se fijan en la parte inferior del anillo. El eje vertical del compás está materializado por dos barras de acero en prolongación del eje vertical del anillo del mismo nombre. La barra alta lleva tres anillos aislados, que, por medio de aros huecos que contienen mercurio y que vamos a describir, aseguran la conexión eléctrica entre la bitácora y el elemento sensible, móvil con relación a aquélla. Esta parte del eje vertical se prolonga por una varilla de muy poco diámetro que pasa sin fricción por un agu-jero practicado en una placa de acero que pertenece a la parte fija del compás y que constituye de este modo la guía del aparato por su parte alta. Los aros huecos van colocados en alojamientos que les permiten cierto juego. Se rellenan de mercurio por un orificio, y así se asegura el contacto con el anillo correspondiente del eje, que es de altura suficiente para que a pesar del movimiento vertical del compás, el mismo anillo esté siempre en contacto con su correspondiente 12
aro. La conexión de estos anillos colectores con los bornes que lleva el marco fijo se verifica por medio de cables flexibles. De los anillos colectores se conduce la corriente a lo largo del ver-tical, por el lado Oeste, por tres cables para alimentar al motor del toro; la conexión entre el anillo vertical y el cárter se hace, a la altura del fiel Oeste, por cables muy finos. Como el eje se mueve verticalmente, centra de modo automático los aros y es sólo el mercurio el que está en contacto con él, asegu-rando así un movimiento con el mínimo de fricción. La barra baja penetra sin rozamiento en el interior de un cilin-dro estriado colocado en una cámara que contiene aceite. Todo el compás está sostenido por una columna de aceite que se mantiene en pulsación permanente por medio de una bomba cuya acción vamos ahora a estudiar. b) Bomba de aceite
La bomba es accionada por un tornillo sin fin colocado en la prolongación de un motor asincrónico, alimentado con la misma corriente que el motor del toro. Su funcionamiento es el siguiente: Al aspirar la bomba, se cierra la válvula de retención y el eje vertical cae suavemente gracias al aceite que queda comprimido en la parte baja del cilindro estriado. Al mismo tiempo se abre la válvula de aspiración y el aceite pasa de la cubeta, a través del filtro metálico, al cuerpo de la bomba. En el movimiento siguiente, el pistón, al descender, cierra la válvula de aspiración, abre la de retención y el aceite impulsa hacia arriba al eje vertical; el exceso de aceite sale por las estrías y vuelve al depósito o cubeta. Estos dos tiempos dan como resultado un movimiento vertical alterno de algunos milímetros de amplitud, a razón de 180 pulsaciones por minuto. El movimiento vertical de esta columna de aceite facilita la rotación del eje en el cilindro estriado, cuando tienen lugar los movimientos relativos entre el barco y el elemento sensible. Los otros contactos del eje con el marco fijo: o sean los aros de mercurio y la guía de la parte superior, se hacen también sin roza-miento, con lo cual este compás tiene unos pares perturbadores que prácticamente son casi nulos. C) Movimiento del eje del giroscopio por la acción del sistema de gobierno constituido por las botellas de aceite
Hemos visto que la acción del aire insuflado por la canalización vertical a las botellas de trabajo tenía por objeto, en caso de incli-narse el eje del giroscopio, hacer pasar el aceite a las botellas más elevadas para, al tener éstas más peso, obligar al eje a volver al hori-zonte, como si estuviera sometido a la acción de un contrapeso sólido colocado en la parte baja del cárter. La rotación del toro será, pues, del mismo sentido que la rotación de la tierra, y el movimiento que tomará el eje, apartado de su posición de equilibrio, estará regido por las dos ecuaciones ya estudiadas: Conocemos este movimiento y sabemos que es necesario un sis-tema de amortiguamiento para llevar otra vez el eje a su posición de equilibrio en el meridiano y horizontalmente. Esto se consigue por la válvula colocada en la botella de amortiguamiento Norte, cuyo efecto vamos a estudiar. Al estar la válvula cerrada del todo, no hay ninguna comunica-ción entre las botellas de amortiguamiento, el compás obedece a la sola acción de las botellas de trabajo y el movimiento del eje viene dado por las dos ecuaciones anteriores. Al estar abierta del todo la válvula, el aceite circula libremente entre las dos botellas de amor-tiguamiento, cuya acción se opone simplemente a la de las botellas de trabajo. El movimiento del eje sigue sujeto a las mismas ecua-ciones, siendo muy pequeño al valor del coeficiente B.
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¿Qué pasa si solamente se entreabre la válvula? Supongamos el eje en el momento inicial en el horizonte y al Este del meridiano en que comienza a inclinarse con el extremo Norte por encima del horizonte (situados en un lugar del hemisferio Norte) por la rotación de la tierra, precesionando hacia el meridiano. A la elevación del extremo Norte corresponde un transvase de aceite casi instantáneo en las botellas de trabajo del Sur al Norte y en las de amortigua-miento es en sentido inverso, pero con retardo. Al estar el extremo Norte del eje al Este del meridiano, el efecto de las botellas de amortiguamiento se opone al de las de trabajo, poco al principio, pero con intensidad creciente. Al pasar por el meridiano, el efecto de las botellas de trabajo es máximo y decrece cuando el desvío pasa al Oeste, mientras que el de las de amortiguamiento, por el con-trario, sigue aumentando durante algún tiempo. Su efecto retardado es, pues, más intenso al Oeste que al Este, y la desviación máxima alcanzada al Oeste resulta menor que la inicial al Este. Cuando el eje está en el horizonte al Oeste, queda un exceso de aceite en la botella de amortiguamiento Sur, cuyo efecto se suma, al principio de la precesión hacia el Este, con el Norte ahora por debajo del hori-zonte, al del excedente de la botella de trabajo Sur cuando ésta se levanta. La precesión es, pues, mayor al principio que cuando el eje parte del reposo, en el horizonte, al Este y permanecerá hasta que pase por el meridiano, con inclinación ya menor que al paso anterior con el extremo Norte elevado, en proporción a la menor amplitud acimutal al Oeste que la inicial al Este. Del meridiano hacia el Este tendremos la misma relación entre los dos pares de botellas, que para el movimiento hacia el Oeste a partir del meridiano con el extremo Norte elevado. Pero como el eje parte del meridiano con menor inclinación, llegará al horizonte al Este, con menos desvío acimutal que el que tenía al Oeste, y como ya éste era menor que el inicial, tendremos una disminución progresiva del desvío y el eje acabará por estabilizarse en el meridiano con cierta inclinación ðo para la que el exceso de aceite del lado Norte del giroscopio dará un par de eje horizontal justamente suficiente para compensar la componente horizontal del efecto terrestre. Y hay, efectivamente, exceso de aceite en el lado Norte porque, aun cuando al quedar en equilibrio los desniveles son iguales y de sentido contrario en los dos pares de botellas, la cantidad en exceso en la botella de trabajo elevada, la del Norte, es superior a la cantidad en exceso en la botella baja de amortiguamiento, la del Sur, por la diferencia de tamaño. La componente vertical del efecto terrestre, Sðð cos, es nula en el meridiano, igual que la componente vertical del eje del par debido a las botellas y, por tanto, este eje está horizontal. El amortiguamiento se obtiene regulando la aguja que cierra la válvula de amortiguamiento de modo que produzca en cada semi-período una reducción de 2/3 de la amplitud de las oscilaciones, que es un amortiguamiento lo suficientemente rápido y no prolonga mucho el periodo del compás. Tan sólo unos diez minutos. Para el buen funcionamiento del compás es preciso no apartarse mucho del periodo que da el desvío balístico correcto, de 84 minutos, y se sabe que el amortiguamiento, cuanto mayor sea, más aumenta el periodo de oscilación del sistema pendular. Hemos dicho que, al estar el eje en equilibrio, quedaba algo inclinado sobre el horizonte, y, para evitarlo, los compases construi-dos con posterioridad al año 1942 llevan un disco dividido en grados de latitud y situado en la cara Oeste del cárter, con un contrapeso excéntrico que permite desequilibrar el toro a fin de obtener la pre-cesión ðsen, necesaria para mantener el eje en el meridiano. El eje, en su posición de equilibrio, permanece horizontal, lo cual es preferible para el buen funcionamiento del aparato. Además, hemos visto que la Sperry también anula la inclinación del eje en su posición de equilibrio (en sus modelos más perfeccionados). Hasta ahora hemos supuesto que el aceite pasaba instantánea-mente de la botella de trabajo baja a la alta, pero esto no es cierto debido a su viscosidad. No obstante, las numerosas observaciones prac-ticadas han comprobado que el retardo para establecer el desnivel al inclinarse no afecta de modo sensible al funcionamiento del aparato. Se comprende, además, fácilmente que ese retardo, del orden de algunos segundos, poco puede afectar a una oscilación cuyo periodo es próximo a la hora y media. Por el contrario, en las botellas de amortiguamiento ese retardo es considerable y está determinado para conseguir la disminución de las oscilaciones. Se puede demostrar que se obtiene un amortiguamiento máximo cuando el defasaje del des-nivel sobre la inclinación es de 1/4 de periodo.
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Observemos que cada uno de los dos juegos de botellas da un par de eje horizontal. El par debido a las botellas de trabajo es práctica-mente proporcional a la inclinación, y el de las de amortiguamiento está desfasado con la inclinación que lo origina. Para terminar, señalemos las diferencias esenciales de esta aguja con la Sperry. 1) Gira en el mismo sentido que la tierra y la Sperry en sen-tido contrario. 2) Su posición de equilibrio está en el meridiano; la de la Sperry tiene un pequeño desvío acimutal, que aumenta con la latitud. 3) La Brown está apoyada; la Sperry, suspendida. 4) En la Sperry, el error de latitud, rumbo y velocidad se com-pensa mecánicamente; en la Brown viene dado en una tabla. Para dar el rumbo al timonel hay que sumarle algebraicamente este error al rumbo verdadero. d) Alimentación
El grupo convertidor se alimenta con la corriente de a bordo reducida a 62 voltios. El motor de este grupo lleva en un extremo del árbol una corona de imanes permanentes que se mueve enfrente de un grupo de tres arrollamientos conectados en estrella, en los cuales se forma la corriente trifásica de 70 voltios y 266 períodos, que alimenta a: 1) El estator del motor que mueve al giroscopio. 2) El estator del motor de la bomba. 3) El regulador de los repetidores. Se instala una batería de 50 voltios para fallos de la corriente del barco y que en marcha normal carga con poca intensidad. e) Suspensión
El compás entero pesa unos 12 kg. y está montado con suspensión cardan, que a su vez va sobre un sistema antichoque. La suspensión mantiene al compás vertical a pesar de los balan-ces y cabezadas, pero permite su movimiento vertical y en acimut. Para mayor amortiguamiento de las vibraciones, los dos pivotes que lleva la suspensión cardan, uno a proa y otro a popa, van provistos de pistones que se introducen en cilindros rellenos de aceite. 2.2.3 Compás giroscópico Anschütz Uno de los problemas más difíciles con que se encuentran los inventores y fabricantes de agujas giroscópicas es el de eliminar los pares de fuerza perturbadores originados por rozamientos, en par-ticular en la parte baja del eje vertical. Hemos visto que Sperry resolvía este problema suspendiendo el elemento sensible del fan-tasma, que estaba obligado por el motor seguidor a acompañar a aquél en sus movimientos en acimut con respecto al barco, y Brown hace soportar el aparato por una columna de aceite en pulsación permanente, que reduce al mínimo los rozamientos en la parte infe-rior del eje. La solución ideada por Anschütz consiste en encerrar todo el elemento sensible en una esfera hermética, aislada, que se sumerge en el líquido acidulado contenido en otra esfera de diámetro ligera-mente mayor. El 15
líquido acidulado no sólo sirve para que flote el elemento sensible, sino también como parte del circuito de alimenta-ción de corriente alterna del giroscopio. a) Compás primitivo
El primer compás que se construyó consistía en un solo giros-copio suspendido de un flotador de acero hueco, inmerso en el mercurio contenido en una cubeta anular. Esta suspensión permitía los movimientos en acimut (guiñadas) y la inclinación del cárter (balances y cabezadas). El aparato era de tipo pendular y, apartado de la posición de equilibrio, su peso y el empuje del líquido formaban un par de adrizamiento, de eje horizontal, que hacia prece-sionar el eje hacia el meridiano. El amortiguamiento se obtenía por un sistema consistente en dos botellas con aceite de viscosidad apropiada, comunicadas por un tubo de poco diámetro y dispuestas paralelamente al eje del compás. Al inclinarse éste, la superficie libre del liquido en las dos botellas no se establecía en el mismo plano horizontal hasta pasados algunos minutos, debido a la viscosidad del aceite y al poco diámetro de la conducción. Si esa fluidez fuera perfecta, la acción del aceite se opondría a la del péndulo: la botella baja tendría más liquido y tendería a aumentar la inclinación; pero, debido precisamente a la viscosidad, ocurre esto con retardo respecto al movimiento pendular, o sea desfasado de tal modo que su efecto se opone a éste. Es decir, hay un desfase entre el restablecimiento del nivel del líquido y la inclina-ción que lo origina, que es precisamente lo que produce el amorti-guamiento, como más adelante demostraremos. b) Compás de tres giroscopios
El modelo que acabamos de describir no dio resultado en la mar y, hacia 1912, Anschütz, en colaboración con Schuler, concibió el de tres giroscopios, que consta, como su nombre indica, de tres iguales, que giran en el mismo sentido que la tierra y suspendidos de un marco que lleva la rosa. Dicho marco va en una esfera hueca, de acero, que flota en un depósito circular con mercurio. De este modo se aseguran los tres grados de libertad que corresponden a la rotación propia, a los balances y cabezadas y a los cambios de rumbo. El centro de gravedad del sistema está por debajo del centro de la esfera y por tanto el aparato es pendular. Uno de los giroscopios tiene su eje paralelo a la línea Norte−Sur de la rosa del compás y los otros dos están obligados a formar ángulos iguales con esta línea, siendo sus movimientos en acimut indepen-dientes de los de la rosa. Los puntos de apoyo están en los vértices de un triángulo equi-látero, y corresponde al giroscopio orientado según la línea Norte−Sur el vértice de más al Sur. Todas las direcciones vienen referidas al eje de este giroscopio en su posición de equilibrio, que llamaremos siempre dirección Norte−Sur, aunque oscile el aparato. Los momentos cinéticos de los dos giroscopios, que llamaremos NW y NE, dan una componente Norte−Sur, que se suma al momento cinético del giroscopio Sur, aumentando así la fuerza directriz del conjunto, y otra componente Este−Oeste, que tiende a mantener hori-zontal la línea Este−Oeste del compás. El amortiguamiento se consigue, como en el modelo primitivo, por dos botellas parcialmente rellenas de un líquido viscoso, comu-nicadas por sus fondos a través de una conducción de poco diámetro y situadas de modo que la línea que une sus centros es la Norte−Sur. c) Compás Anschütz actual de dos giroscopios
Este sistema anterior tampoco resultó del todo satisfactorio, y la casa Anschütz lo sustituyó en 1927 por el de dos giroscopios, supri-miendo precisamente aquel que tenía el eje orientado en la línea Norte−Sur. Los otros 16
dos, cuyo momento cinético da una componente directriz Norte−Sur y otra estabilizadora Este−Oeste, se conservaron. Sus ejes forman, estando en reposo, un ángulo de 45 grados con el meridiano. Los movimientos en acimut de los dos giroscopios son siempre, como en el compás precedente, independientes de los de la rosa, estando los ejes obligados solamente a formar ángulos iguales con la línea Norte−Sur e inferiores a 45 grados, pero que aumentan de valor cuando disminuye la latitud. En la figura que sigue se ve que el conjunto equivale a: 1) Un toro de eje Norte−Sur y momento cinético 2 S cos ð. 2) Dos toros de eje Este−Oeste y momentos cinéticos S sen ð y −S sen ð. La resultante de estos dos últimos es nula y, por tanto, pueden modificarse sus acimutes sin necesidad de aplicar ningún par. No se oponen al movimiento en acimut del toro Norte−Sur. Su fuerza directriz es nula y el aparato equivale, desde el punto de vista direccional, a un toro de eje orientado en la línea meridiana y de momento cinético 2 S cos ð. Las componentes Este−Oeste de los momentos cinéticos tienen por objeto mantener la línea Este−Oeste del compás casi horizontal a pesar de las componentes en ese plano de las aceleraciones produci-das por los balances. El modelo primitivo no tenía esta estabilización y se comprobó con los balances un desvío permanente que era máxi-mo a rumbos cuadrantales. Los cálculos y las observaciones prácticas demostraron que este desvío estaba ocasionado por el movimiento en el plano Este−Oeste del péndulo equivalente al elemento sensible (toros parados) y se buscaron los medios para oponerse a ese movi-miento. El procedimiento utilizado consiste en dar a las oscilaciones del sistema pendular en ese plano un período muy largo con relación al de los balances. SS
S cosð S cosð −S senð S senð ðð
Desde el punto de vista direccional, el conjunto de los dos toros equivale a otro de eje Norte−Sur y momento cinético 2Scosð Observación− Esta estabilización se conseguía en la Sperry de contrapeso sólido por la adición de un
pequeño giroscopio llamado giroscopio balístico, de eje Este−Oeste, el cual estaba fijo a la caja del rotor principal. Ya no se emplea en las actuales, ni en la Brown tampoco. En estos equipos el péndulo equivalente se mantiene constantemente dirigido según la vertical verdadera por el efecto amortiguador de la viscosidad del mercurio o del aceite, a pesar de las aceleraciones de períodos cortos que producen los balances. Movimiento de los toros. Cada toro va movido por un motor de inducción trifásica, de 120 voltios de tensión y
333 períodos de frecuencia. Su velocidad rotativa, susceptible de variación, está com-prendida entre 17.000 r.p.m. para las latitudes navegables más altas y 30.000 r.p.m. para las latitudes próximas al ecuador. Cada toro pesa aproximadamente 2.2 kilos. d) Esfera giroscópica y esfera envolvente
Todo el elemento sensible, o sea los dos giroscopios, el sistema de amortiguamiento y la bobina de la que 17
hablaremos más adelante, está contenido en una esfera de aluminio recubierta de ebonita, de unos 25 centímetros de diámetro y rellena de hidrógeno. Esta esfera se coloca dentro de otra, no hermética, de unos 26 centímetros de diámetro y se mantiene flotando en un líquido compuesto a base de agua destilada acidulada y glicerina en proporción de 13,5 par-tes de agua por 1 de glicerina. La densidad del líquido es de 1,020 a 200 C. y a esa densidad apenas flota la esfera giroscópica; cuando está parada descansa suavemente en el fondo de la envolvente. Pero cuando se pone en marcha, la bobina que lleva en su parte inferior, llamada de repulsión y que se alimenta de una de las fases de los toros, crea un campo alterno que induce en la parte metálica de la envolvente una corriente alterna cuyo campo se opone constante-mente al de la bobina y por tanto se repelen. Su intensidad está calculada para que ambas esferas, la giroscópica y la envolvente, queden concéntricas. El centro de gravedad del elemento sensible está algo más bajo que el común de las dos esferas, que es donde se ejerce el empuje. El aparato es, por tanto, pendular, es decir, direccional. e) Alimentación
La corriente se lleva a los casquetes polares de la envolvente y a dos contactos ecuatoriales diametralmente opuestos. Enfrente de estas superficies polares grafitadas se disponen en la esfera giroscó-pica otras dos análogas y una banda semicircular ecuatorial con sus extremos frente a los contactos. La conductibilidad se obtiene a través del liquido dándole el grado de acidez conveniente. Para cada fase, la corriente útil circula radialmente, en el seno del líquido, de la superficie exterior a la interior correspondiente. Hay una pequeña pérdida de corriente que circula circunferencialmente por el líquido, pero como es alterna no produce electrolisis. f) Refrigeración
La glicerina añadida al agua destilada tiene por objeto evitar que ésta se congele, cuando el compás está parado, en países fríos. Cuando se pone en marcha, la energía eléctrica que alimenta al compás calienta el líquido y como su densidad es variable con la temperatura, se regula ésta mediante un sistema de circulación de agua dulce, para que se mantenga a 40º C, a cuya temperatura la densidad es correcta para mantener el elemento sensible centrado con la esfera envolvente. El agua se pone en circulación por una bomba que aspira de un depósito que a su vez es enfriado por agua de la mar. Lleva un termostato que actúa sobre la circulación del agua cuando la temperatura llega a 42º C. Si la temperatura pasa de este valor, por avería de la bomba o por cualquier otra razón, el termostato hace funcionar una señal de alarma doble: luz roja y zumbido. g) Repetidores
La transmisión de las indicaciones de la esfera giroscópica que contiene al elemento sensible, está basada en el principio del puente de Wheatstone. Hemos dicho que la envolvente tenía dos casquetes polares y en el ecuador dos contactos diametralmente opuestos -y que la esfera giroscópica tenía también dos casquetes con-ductores enfrente de los de la envolvente y en el ecuador una banda semicircular de carbón cuyos extremos quedaban también frente a los dos contactos ecuatoriales de la envolvente. Tenemos pues, cuando el barco va a rumbo, dos resistencias fluidas e iguales a uno y otro lado de la esfera giroscópica; pero si da una guiñada, la bitácora y la envolvente la siguen, mientras que el elemento sensible permanece fijo. Entonces ya no son iguales las distancias entre los electrodos correspondientes, ni, por tanto, tampoco las resistencias. Hay desigual caída de tensión entre los electrodos de la envolvente y los extremos del anillo semicircular de la esfera giroscópica. Esta desigualdad de tensión se aplica, para amplificarla, a la rejilla de una válvula elec-trónica. La tensión de salida de la válvula se utiliza para regular un motor monofásico o de inversión, llamado también motor seguidor, que mueve a la esfera envolvente hasta que los electrodos están de nuevo correctamente alineados. Al mismo tiempo, el seguidor, por medio de un tren de engranajes mueve un transmisor que gobierna los motorcitos monofásicos de las rosas de los repetidores. h) Amortiguamiento
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Observemos primeramente que, bajo el punto de vista direccio-nal, el aparato se comporta como si estuviera constituido por un solo giroscopio orientado según la línea Norte−Sur de su rosa, que es como lo supondremos en el razonamiento que sigue. Además, aunque en este caso el continente del líquido amortiguador es un anillo circular dividido en ocho compartimientos iguales, 4 al Este y 4 al Oeste, en vez de dos botellas dispuestas paralelamente a la línea Norte−Sur de la rosa, diremos botella Norte y botella Sur, haciéndose siempre la comunicación según la dirección Norte−Sur de la rosa paralela a la componente directriz del momento cinético de los dos giroscopios. El sistema de amortiguamiento es en todo parecido al de la Brown. Al par de adrizamiento del eje horizontal −Bð debido a la suspen-sión pendular del aparato, se opone, con retardo, un par de eje tam-bién horizontal, originado por el paso del líquido viscoso de la botella alta a la botella baja. Puesto el aparato en marcha, en el hemisferio Norte, con el eje horizontal y el extremo Norte al Este del meridiano, por efecto de la rotación terrestre, se inclina el eje con el extremo Norte por en-cima del horizonte. Si ð es el ángulo acimutal y ð la inclinación sobre el horizonte, sabemos que la velocidad del extremo del mo-mento cinético tiene por componente horizontal: y por componente vertical: Como los únicos pares activos son de eje horizontal, esta última componente es nula y tendremos: fórmula en la cual se ve que dð/dt se anula cuando ð=0 , es decir, cuando el eje está en el meridiano, en cuyo momento su inclinación es máxima. La componente horizontal es igual a la resultante de los ejes de los pares activos: −Bð y el del líquido, que llamaremos X. Se tiene pues: Al empezar a inclinarse el eje pasa el aceite muy lentamente de la botella Norte a la botella Sur. El par creado se opone a −Bð con intensidad mínima al principio, pero creciente. Al paso por el meridiano −Bð es máximo y disminuye cuando el eje pasa al Oeste, mientras que X sigue aumentando aún algunos instantes. La pre-cesión al Oeste es por tanto muy lenta al principio y el efecto de oposición de X es superior al que tenía al Este. El desvío acimutal que se produzca será inferior al inicial al Este. Al volver el eje hacia el meridiano, lo hace ahora con su extremo Norte por debajo del horizonte; −Bð cambia inmediatamente de sentido, pero no ocurre igual con X, pues el aceite sigue pasando aún unos instantes a la botella Sur. El mayor contenido de aceite en esta botella producirá un par que se sumará a −Bð y acelerará al principio la precesión. El efecto de oposición de X perdurará después, mientras el eje esté desviado al Oeste, pero con menos intensidad que cuando el extremo Norte estaba levantado. La precesión hacia el meridiano continuará, pues, constantemente superior a cuando se apartaba con el Norte por encima del horizonte. La inclinación del eje al cruzar por el meridiano será pues menor a la alcanzada a su paso en la precesión hacia el Oeste. Rebasado el meridiano, encontramos de nuevo entre Bð y X la misma relación que después del paso con el Norte elevado. Como el eje parte del meridiano con menos inclinación, llegará al horizonte con un desvío acimutal también menor. Asistimos por tanto a la disminución progresiva del desvío acimutal máximo. En lugar de la elipse descrita por el extremo del eje del aparato, sin amortigua-miento sobre un plano vertical colocado de Este a Oeste, tendremos ahora, en ese mismo plano, una espiral alrededor de la línea meridia-na. El eje acaba por estabilizarse en el meridiano con una pequeña in-clinación ðo. Se tiene entonces El par resultante aplicado al giroscopio es justo suficiente para que el eje siga la línea meridiana llevado por la tierra en su rotación. Además, en relación con ðð: en la posición de equilibrio y propor-cionalmente a la inclinación hay más aceite en la botella baja. i) Desvío balístico
Sabemos que para eliminar el desvío balístico es preciso que 19
relación que varía con la latitud. Para que se conserve cualquiera que sea el valor de , Anschütz modifica el momento cinético S variando la velocidad de rotación de los toros. El motor generador que alimenta a éstos lleva un regulador de velocidad provisto de un cuadrante graduado en latitud, que la puede modificar de 17.000 a 30.000 r.p.m.. dando a cada latitud la velocidad correspondiente para corregir el desvío balístico. Como cosdisminuye cuando aumenta , S varía en sentido contrario a la latitud y disminuye la fuerza orientadora cuando aumenta la latitud y, como por otra parte, próximos a los polos también disminuye la fuerza directriz debida a la rotación terrestre, este método de variar B/S no deja de tener sus inconvenientes. No obstante, en las latitudes navegables el aparato se comporta perfectamente, lo que demuestra que el sistema de sus-pensión elimina casi por completo los pares perturbadores originados por rozamientos, y, aunque la fuerza directriz del compás sea pe-queña, sus indicaciones son correctas. j) Bitácora
El compás pende de unos muelles que lleva la suspensión cardan. El mortero tiene una ventanilla para inspeccionar la esfera giros-cópica a través de la envolvente y leer su graduación ecuatorial. En su tapa van montados el tren de engranajes del sistema repetidor, el motor seguidor, el mecanismo de la rosa y el termostato. k) Observación
Como el elemento sensible es esférico, sus momentos de inercia son iguales en todas direcciones y no necesita masas compensadoras. 2.3 Giropilotos El giropiloto es un aparato que, maniobrando el timón de un buque o los timones de una aeronave se utiliza para mantenerlos automáticamente, sin necesidad de timonel o de piloto, sobre un rumbo prefijado. Su uso, a bordo de los buques, se remonta al año 1922, en que, por primera vez, fue instalado un piloto auto-mático marca "Sperry" a bordo del buque tanque J.A. Moffat. Los primeros equipos, sencillos y robus-tos, operaban sobre el telemotor hidráulico del buque con lo cual había una pérdida de movimiento, que dis-minuía notablemente su eficacia y rendimiento, que-dando, además, sujeto a todas las perturbaciones pro-pias de los telemandos hidráulicos. Para evitar estos inconvenientes, los equipos posteriores disponen de un sistema completo de telemotor eléctrico, que actúa directamente sobre el timón, independientemente del telemotor existente en el buque. La evolución, en su aspecto general y en detalles, de los pilotos automá-ticos o giropilotos ha dado por resultado unidades perfectamente logradas, aptas para reaccionar cuando el buque se separa 1/6 de grado del rumbo previsto y capaces de mantener el rumbo del buque con un error menor de 0,4 grados en condiciones de buen tiempo. Una de las grandes ventajas del uso del giropiloto, desde un punto de vista económico y de eficacia militar, es la de hacer que el buque siga una derrota más exacta con menos uso del timón, lo cual reporta una economía de un 2 a 2,5 por ciento de combustible ciertas condiciones, dada la disminución de velocidad que ocasionan las guiñadas, un aumento de velocidad de un 1 a 1,4 por ciento. Todas las casas constructoras de agujas giroscópicas han lanzado al mercado sus propios equipos de piloto automático, diseñados para funcionar en combinación con sus giroscópicas, que, aunque diferentes en detalles y realización, tienen el mismo principio de funcionamiento. La forma de operar, refiriéndose al esquema eléctrico del giropiloto "Brown" tipo E, es la si-guiente. Cuando el buque va a rumbo, los dos troles, conectados al positivo de la línea de alimentación general, están en contacto con los dos contactores que, a través del interruptor de limite de carrera, alimentan las bobinas E del relé del motor impulsor. Los electros de dicho relé, ocupando las posiciones indicadas en la figura, ponen en corto el inducido del motor impulsor, que se encontrará parado. Al caer el buque a una u otra banda, el repetidor de la aguja giroscópica mantiene fijos, en su posición actual, los contactores, mientras unos de los troles, que siguen el movimiento de la guiñada del buque, rompe su contacto con su correspondiente contactor. La bobina del relé del motor impulsor conectada a dicho contactor de desactiva, y su electro, por la acción de un muelle, cierra el contacto opuesto. 20
En esta posición de las armaduras del relé, el motor impulsor es recorrido por una corriente, que determina su giro en uno u otro sentido, dependiente de la bobina desactivada. El giro del motor impulsor actúa sobre las válvulas de la máquina de gobierno del timón, que se moverá en el sentido conveniente para corregir la guiñada del buque. Al mismo tiempo, el motor impulsor acciona el transistor de ángulos de timón, cuyo re-petidor mueve los contactores del sistema de control, deshaciendo el giro provocado por el repetidor de la aguja giroscópica y llevándolos a su posición inicial. De esta forma se limita el ángulo de metida del timón, que queda reducido al preciso para que el buque reac-cione y vuelva a rumbo. En serie con las bobinas del relé van los interruptores de limite de recorrido que, al alcanzar el timón su máximo ángulo de metida, se abren, desactivan las bobinas del relé y, por tanto, ponen en corto el inducido del motor impulsor, que se parará. El dispositivo de alarma funciona ante cualquier anorma-lidad de la aguja giroscópica, cerrando el circuito del timbre de alarma y abriendo el circuito de las bobinas del relé. El dispositivo mecánico de un giropiloto se puede apreciar en la figura siguiente, fabricado por la casa "Sperry Gyroscope Company, Ltd.". La placa de control tiene tres posiciones: OFF, para gobernar con el sistema telemotor del buque; HAND, para go-bernar con el giropiloto como si fuese un telemotor eléctrico y GYRO, para el gobierno automático contro-lado por la aguja giroscópica. Estas operaciones las realiza el embrague electromagnético que, en la posi-ción de 0FF o cuando falta el suministro de corriente, desconecta el motor impulsor del eje de engranajes, cuya cremallera actúa sobre las válvulas de la máquina de gobierno del timón. La rueda del timón, a través de un engranaje diferencial, mueve los anillos de contacto, en la posición de gobierno automático, y los anillos de control, en la posición de gobierno a mano. El mecanismo diferencial impide que gire el servomotor al moverse la rueda del timón y el embrague de fricción impide que la rueda del timón de vueltas durante el gobierno automático. Para el gobierno automático, con la rueda del timón se mueven los anillos de contacto hasta que ocupen, con relación a los troles, la posición correcta correspondiente al rumbo del buque. En el transcurso de la navegación, los cambios de rumbo se efectúan de igual forma, teniendo en cuenta que una vuelta de la rueda del timón produce aproximadamente un cambio de rumbo de 3 grados. La posición correcta de los anillos de contacto es la indicada en la figura; los troles hacen contacto con, los anillos ASI y AS2. En estas condiciones, como el repetidor de la aguja giroscópica mantiene los troles en una posición inva-riable en el espacio, cualquier guiñada del buque pro-duce un desplazamiento relativo entre los troles y los anillos de contacto, de tal forma, que uno de sus cir-cuitos se abre y pone en funcionamiento el servomotor. Los movimientos del servomotor se transmiten, a través de un engranaje directo, a los anillos de contacto y, a través del mecanismo diferencial, a los anillos de con-trol y al indicador de órdenes al timón. El movimiento transmitido a los anillos de contacto deshace el movi-miento de la guiñada y los lleva a su posición correcta de reposo, con lo cual se para el servomotor. El mo-vimiento transmitido al indicador de órdenes al timón permite leer, sobre una escala graduada, el número de grados que mete el timón a una u otra banda. El movi-miento transmitido a los anillos de control, rompiendo la posición de equilibrio eléctrico del circuito del motor impulsor, lo pone en movimiento. El funcionamiento del dispositivo de control es similar al de los anillos de contacto, con la única diferencia que en la posición de reposo los troles hacen contacto con los anillos aislados. Los movimientos del motor impulsor se trans-miten, a través de un eje de engranajes, a una crema-llera que acciona las válvulas de la máquina de gobierno del timón, al transistor sincrónico y al interruptor de límite de recorrido. El receptor sincrónico, gobernado por las señales de su transmisor, mueve los troles del mecanismo de control llevándolos a la posición de reposo, con lo que el motor impulsor se para. El interruptor de límite de recorrido, ajustado para la máxima abra utilizable del timón, funciona de una forma análoga a la ya vista. El dinamotor utilizado en este grupo, convierte la corriente continua de la alimentación general del buque en corriente alterna a 110 voltios y 60 ciclos por segundo, necesaria para el funcionamiento del transmisor y del receptor sincrónico, y los relevadores de la unidad de control que gobiernan los interruptores de arranque del motor impulsor. En el gobierno a mano, el repetidor de la aguja giroscópica se desconecta y el servomotor deja de fun-cionar. 21
La rueda del timón, ahora, actúa directamente sobre los anillos de control, que gobiernan, como ya se ha dicho, los movimientos del timón. Los equipos de piloto automático llevan dos ajustes: el ajuste de tiempo y el ajuste de timón. El primero, ajuste de tiempo, controla el tiempo muerto que trans-curre entre la guiñada del buque y la metida de caña; por ejemplo, en la posición de 1º permite que el buque guiñe un grado a banda y banda sin que actúe el giropiloto; normalmente se coloca en la posición CERO, pero en caso de mal tiempo es conveniente abrirlo para impedir una acción excesivamente continuada del gobierno a una y otra banda. El ajuste de timón varía el ángulo de medida del timón; por ejemplo, a su posición en 2 indica que inicialmente el timón se mueve 2º antes de detenerse, siendo las medidas sucesivas proporcionales a este valor y a la amplitud de la guiñada. En buques mercantes la posición normal del ajuste de timón es de 0º a 2º para un buque en lastre, y de 20 a 4 para un buque cargado. Para yates y embarcaciones pequeñas, han surgido multitud de modelos en los que el elemento director es una aguja magnética. Dan buen resultado y son mucho más baratos. 3. Conclusiones
A lo largo del trabajo se ve como ha ido evolucionando el giróscopo en sus casi 150 años de vida. Si bien los giróscopos actuales, presentes en multitud de instrumentos de guiado inercial, no se parecen mucho al primer giróscopo construido en 1852 por Foucault, sí conservan sus propiedades fundamentales. Estas propiedades y sus características, se ven con claridad en las aplicaciones del giróscopo. De hecho, son las aplicaciones la parte principal del trabajo, ya que en ellas es donde podemos encontrar hoy en día a éstos singulares aparatos. El apartado descripción del giróscopo presenta una mayor explicación desde un punto de vista físico, entrando en aspectos como la dinámica o el movimiento de rotación. Sin embargo, he creído conveniente excluir este tipo de desarrollos de la segunda parte del trabajo: las aplicaciones. En ésta sección he intentado evitar referencias a los aspectos electrónicos de los girocompases, y solamente hacer referencias a las ecuaciones físicas cuando era realmente necesario. En definitiva, he intentado realizar un trabajo de investigación lo más completo posible, intentando abarcar desde los orígenes del giróscopo hasta sus aplicaciones actuales, pero orientándolo en todo momento hacia la navegación y evitando introducir aspectos técnicos que pudiesen entorpecer la lectura del mismo. De hecho he intentado complementar los desarrollos técnicos con ilustraciones que ayudasen a su comprensión. De modo que espero que la información aquí contenida haya servido para conocer un poco más a fondo lo referente a éste excepcional aparato llamado giróscopo. 4. Bibliografía Citas en programas informáticos
1.− ENCICLOPEDIA ENCARTA 2000, Microsoft. Citas de libros:
2.− Enciclopedia General del Mar Ed. Garriga. Tomo IV pp 844−851 Barcelona. 3.− A. TIPLER, Paul (1978) Física Ed. Reverté. Tomo I pp 387−389 Barcelona. 22
4.− ROPARS, J (1965) El compás giroscópico Ed. Gustavo Gili, pp 65−113 Barcelona. El Giróscopo
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El peso Mg produce un momento respecto al pivote dirigido hacia el papel que produce una variación del momento cinético en esa dirección. Si la rueda está inicialmente girando sobre su eje de modo que existe un momento cinético inicial a lo largo del eje L, la variación es perpendicu− lar a L y el eje se mueve en el senti− do del momento de las fuerzas exte−riores. Este movimiento se denomina precesión.
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