Por Alfonso Padilla Vivanco
Casi todos hemos jugado alguna vez con un trompo o peonza. Este juguete es normalmente impulsado por un cordel y es capaz de quedar en equilibrio incluso sobre la punta de un clavo o tornillo. El trompo es una representación básica de una familia de instrumentos, cuya estructura principal la constituye un disco que se encuentra en alta rotación. El análisis del movimiento de un trompo o de un disco en rotación, depende del concepto físico conocido como: momento angular, L. Éste está definido como el producto de la masa del objeto, m, por velocidad lineal de movimiento, v, por el radio del círculo de giro, r, de un punto del objeto. La expresión matemática en forma escalar es: L=m*v*r. Gracias al momento angular del disco es que éste, no cambia su orientación, aún cuando gire todo el sistema. Por ello, un giroscopio puede mostrar la magnitud de una rotación y, de este modo, facilitar información direccional para la navegación. Los giroscopios son usados en diferentes equipos, tales como robots, interfaces de usuario basadas en gestos, teléfonos móviles, detectores de vuelo, mediciones inerciales y estabilizadores de plataformas. Incluso dentro del oído humano existe de forma natural un giroscopio, debido a que existen tres canales semicirculares del oído interno, que están colocados en ángulo recto entre ellos, como si fuera justamente un giroscopio. Con ellos somos capaces de detectar cambios en el movimiento corporal.
Algunos vehículos dependen de los giroscopios para mantener su trayectoria. El giroscopio es el instrumento principal de los sistemas de guía por inercia, tanto de aviones cómo de buques transoceánicos, éste funciona sin requerir de señales
externas al sistema. El aparato detecta el movimiento incluso si este dispositivo está dentro de un caja cerrada. Las versiones más modernas de giroscopios hacen uso de luz laser, y existen hoy día dos clases de sensores ópticos de rotación: giroscopios de fibra óptica y los de láser anular. Los anteriores ya han sido implementados en sistemas guía para aviones comerciales. El uso cada vez más frecuente de los giroscopios de láser anular depende básicamente de no requerir tantas partes móviles, en comparación con los giroscopios mecánicos. Estos últimos son igual de precisos que los de láser anular, pero tienen la desventaja de requerir mayor número de piezas mecánicas en movimiento, lo que los hace más complicados de construir e implementar en los sistemas guía.
El principio básico de funcionamiento de un giroscopio óptico depende del tiempo de recorrido que hace la luz sobre una trayectoria circular, por lo que ésta puede ser estacionaria o estar girando (una fibra óptica en forma circular por ejemplo). Para comprender cómo se aprovecha la luz para medir una rotación, tenemos que hacer uso del efecto Sagnac. Éste es un fenómeno interferométrico relacionado con el movimiento de rotación de la trayectoria. A la típica configuración se le denomina interferometría de anillo: un haz de luz se divide en dos rayos que siguen trayectorias en direcciones opuestas. Para actuar cómo un anillo, la trayectoria de la luz debe rodear un área circular o cuadrada, volver al punto de entrada y formar un patrón de interferencia al salir de la fibra. La posición de las franjas de interferencia depende de la velocidad angular de la instalación. Esta disposición también se llama un interferómetro de Sagnac.
Con un giroscopio de fibra óptica se puede medir la velocidad de rotación de una rueda, detectando la interferencia entre dos haces de luz que se propagan en sentidos opuestos, a través de una larga fibra óptica bobinada. El sistema completo está compuesto de un láser, un espejo semitransparente, un carrete de fibra y una pantalla de observación. Los dos haces se obtienen dividiendo el haz de un láser, mediante un espejo semitransparente (llamado también divisor de haz). Tras viajar por la fibra óptica, los dos rayos se reúnen nuevamente en un espejo. Cuando el dispositivo no gira, los haces interfieren destructivamente y no aparecen franjas de interferencia en la pantalla de observación. Contrariamente, cuando el dispositivo gira los dos haces ya no se anulan exactamente y se forma un patrón de interferencia luminoso sobre la pantalla. El brillo de la mancha aumenta con la velocidad de rotación. La velocidad de rotación del dispositivo, y por tanto la del vehículo en el que está montado, se deduce analizando la intensidad de la mancha.
Apreciable lector te invito a ver estos videos relacionados con el giroscopio y el efecto Sagnac.
Universidad Politécnica de Tulancingo. alfonso.padilla@upt.edu.mx
