EL GIROSCOPIO

Como si fuera uno de esos chistes de toda la vida, podríamos empezar preguntando ¿En qué se parece un balón de fútbol americano cruzando el campo tras un pase largo a la colocación en el espacio de un satélite?...

La respuesta la encontramos en un dispositivo llamado Giroscopio o Giróscopo. Este dispositivo fue creado por el físico francés Jean Bernard Léon Foucault (1819 - 1868) para poder demostrar la rotación de la Tierra mediante un dispositivo que rotara lo suficientemente rápido y durante un tiempo adecuado para hacer mediciones. Balones de rugby, peonzas, puesta en órbita de satélites, bicicletas, balas o el curioso Segway encuentran una explicación gracias a este dispositivo de comportamiento curioso.

Veamos cómo funciona un giroscopio en el siguiente vídeo:

La primera vez que se observa, uno no deja de preguntarse "Pero, ¿por qué no se cae?..."  La Física encerrada en la explicación no es precisamente sencilla y tampoco es la finalidad de esta entrada. Podemos decir que el giroscopio se mueve así porque el cambio en el momento angular tiene la dirección del momento de la fuerza que está actuando sobre él. Como vemos, la explicación física de lo que observamos es compleja. Todo giroscopio tiene dos características: 

Inercia Giroscópica: su eje de rotación tiende a mantenerse orientado en la misma dirección. Basta con visualizar como avanza un balón de rugby par comprender esta idea.
Precesión Giroscópica: Si ejercemos una fuerza sobre él, no se moverá en la dirección de la fuerza sino en una perpendicular. Por ello, la fuerza gravitatoria no hace caer el giroscopio, sino que se desplaza perpendicular a ella.

Para una explicación exhaustiva del fenómeno, pueden consultarse múltiples páginas en internet o la bibliografía que aparece al final. 

Pero, ¿cómo se relaciona lo que ocurre con el giroscopio con los ejemplos indicados anteriormente?

Balón de rugby. Si el jugador no imprime un giro al balón, no existe momento angular y la resistencia del aire puede hacer que el balón se desplace de forma caótica, y por tanto, no tenga un gran alcance. Sin embargo, al imprimirle el giro el cambio en el momento angular debe tener la dirección del momento de la fuerza aplicada al balón, y por tanto, el balón "está obligado a mantener su dirección" avanzando mayor distancia.

Satélite en órbita. ¿Has observado que cuando se pone en órbita un satélite desde una lanzadera espacial sale siempre girando?... Al hacerle girar, el satélite adquiere un cierto momento angular. Así, inicialmente se determina que dirección es la más adecuada para soltar el satélite. Al hacer rotar el satélite en esa dirección, se mantendrá fija.

Segway. Definido como "el primer transporte de personas autopropulsado" cuando, por ejemplo, la persona montada en él se inclina hacia delante imprime un movimiento rotacional que es detectado por un conjunto de giroscopios de alta precisión y emiten una señal al sistema de control interno. A continuación, se activan los motores que dan a las ruedas el impulso adecuado para que la persona pueda mantener el equilibrio.

Balas. Si al ánima del cañón se le realizan una canaladuras para que la bala empiece a rotar al ser disparada, conseguiremos lo mismos que con el balón de rugby: mayor distancia y mayor precisión.

El efecto giroscópico puede producir efectos muy curiosos. Durante el vuelo de la nave espacial Voyager 2, la nave transportaba una grabadora de cinta cuyos carretes giraban a elevada velocidad. Cada vez que la grabadora se ponía en movimiento, los carretes actuaban a modo de giroscopios y la nave empezaba a realizar un giro no deseado en la dirección opuesta. Desde en centro de control de la Tierra tuvieron que encender los cohetes laterales de la nave para contrarrestar el efecto y detener el giro.

Siguiendo con la introducción al estudio del giroscopio, la velocidad angular de precesión del mismo, viene dada por la siguiente ecuación física (para una deducción de la misma se recomienda ir a la bibliografía final):

ω_p = MgD / I_sω_s

_{M = Masa del giroscopio}

_{g = Aceleración de la gravedad}

_{D = Distancia al punto de pivote}

I_s = Momento de inercia respecto de su eje de espín

ω_s = Velocidad angular respecto de su eje de espín

En el siguiente vídeo vemos de forma experimental la relación entre la masa del giroscopio y su velocidad angular de precesión y la distancia al punto de pivote y la velocidad angular de precesión. Al ser dos magnitudes directamente proporcionales al la velocidad angular de precesión es de esperar que al aumentar estas magnitudes también lo haga su velocidad angular, ¿será cierto?...

Aquí dejo otro vídeo del gran Walter Lewin. Sin palabras...

Por último, si tienes la oportunidad, hazte con un giroscopio. Hazlo girar y cógelo con la mano sin que se detenga... ¿qué notas?...

Bibliografía de referencia:
"Fisica para la Ciencia y la Tecnología". Autores: Paul A. Tipler y Gene Mosca. Editorial Reverté.
"Física para Ciencias e Ingeniería". Autores: W. Edward Gettys, Frederick J. Keller y Malcolm Skove. Editorial McGraw Hill
"Física". Autores: Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr. Editorial: Thomson

CIENCIA Y POESÍA

Hace años utilizo este poema en la clase de Física y Química de 4º ESO. Se titula CIENCIAS y es de María Eloy-García (Málaga, 1972). Primero disfrútalo y luego te cuento mis impresiones...

No sé calcular el trabajo que realiza una fuerza,

me importa una mierda la ley de Lavoisier:

la energía la destruyo yo sin trabajo siquiera.

Es una idiotez ver un julio con la fuerza de un newton

en la distancia de un metro

y, además, no quiero cambiar las cosas de sitio.

La vagoneta que me jodió en 7º

de 150 Kg. de masa a 2m/s

y su energía cinética no me sirvieron de nada.

La vagoneta me importaba un pepino,

me gustaba la mina, la explotación,

el dinero en cuarzo. Aunque supiera

que energía cinética era todo lo que correría

la estúpida vagoneta hasta estrellarse,

en realidad me interesaba más

quién coño la empujaba y por qué se dedicaría

a mover vagonetas cinéticas con cierta fuerza de julios.

Inicialmente, utilizo este poema para introducir el estudio de la Física por primera vez entre el alumnado. Eso sí, hay que vencer el jaleo inicial por meter en la clase de Física y Química algo tan supuestamente diferente a la Ciencia como es la Poesía, y encima, salpicado de mierda, joder y coño... Luego, lo dejo reposar... Cuando hemos realizado la introducción del estudio de Dinámica y Energía vuelvo a él, y entonces, les pido que detecten los errores que existen. Definición incorrecta de julio, expresión incorrecta de unidades o relación errónea entre fuerza y julios son algunos de los errores presentes.

Anne-Marie y Lavoisier por Jacques Louis David.
Museo Metropolitano de New York

Con los años, este poema me ha servido de algo más. A más de uno de los que forman y han formado parte de mi alumnado le importaba una mierda la Ley de la Conservación de la Masa, le había jodido algún que otro cuerpo cayendo por un plano inclinado y se había enfrentando a alguna que otra estúpida vagoneta haciendo cosas realmente estúpidas. Creo que este poema habla para mi del efecto de la descontextualización a la hora de enseñar. Tal vez si conocieran la figura del Antoine Lavoisier y el tiempo que le tocó vivir no les importara una mierda su ley (que es también la de Anne-Marie Pierrete Paulze, por cierto). Si conocieran la importancia que tiene esta ley en nuestra vida diaria con el funcionamiento de los coches o la fabricación de medicamentos, tal vez les importara un poco más.  Si los ejercicios numéricos no hablaran de objetos como planos inclinados y cajas (¿alguna vez viste una caja cayendo por un plano inclinado?) y describieran en general  situaciones poco comunes para ellos, tal vez todo tomara un poco más de sentido y de interés. Empecé a pensar que hablar del quién y del por qué (quién coño la empujaba y por qué se dedicaría / a mover vagonetas cinéticas...) desde una perspectiva más cercana podría ser más productivo para todos, incluido yo mismo. Aunque ese poema sigue haciendo saltar algunas carcajadas en clase y le corregimos todos los errores que tiene, ha terminado por salpicar todas mis clases de una forma indirecta.

Este curso, 2016-17, con los cambios legislativos (hablando de falta de contextualización...) lo emplearé en 3º ESO durante el último trimestre cuando realice la introducción del estudio de la Dinámica y la Energía. 

Más información sobre María Eloy-García: http://mariaeloy.blogspot.com.es/