Lo has oído mencionar innumerables veces en los menús de aplicaciones de tu smartphone, en las opciones de videojuegos de las consolas portátiles e incluso lo has oído mencionar en drones, aviones, vehículos espaciales y juguetes como los yo-yos.
Estoy hablando de la giroscopio, es decir, el dispositivo (normalmente utilizado junto con algunos sensores) que permite establecer la orientación del dispositivo en el que está presente. A fuerza de oírlo mencionar, ahora tienes curiosidad por descubrir, en detalle, las diversas dinámicas que permiten que esta herramienta tan útil "haga su trabajo", ¿lo adiviné?
¡Óptimo! Ya que estamos aquí, entonces, si quieres, puedo explicarte. cómo funciona el giroscopio. Te ilustraré, de forma clara e inmediata, las peculiaridades de este último y las tipologías relacionadas, para que ya no tenga secretos para ti y puedas, posiblemente, también iluminar a amigos y partidas al respecto. ¿Qué dices? ¿Ya eres todo oídos? ¡Muy bien! ¡En ese caso te deseo una buena lectura!
Índice
Cómo funciona el giroscopio: mecanismo operativo
La forma más intuitiva de imaginar el mecanismo operativo de un giroscopio es pensar en uno peonza: una vez que este último comienza a girar sobre sí mismo, siempre mantiene el equilibrio y su Eje de rotación no varía; al menos hasta que la velocidad de rotación sea constante.
Bueno el giroscopio mecánico (es decir, la forma más "clásica" de estos dispositivos) funciona exactamente de la misma manera: el cuerpo giratorio en el interior de este dispositivo, mientras gira sobre sí mismo, mantiene “fija” la orientación de su eje de rotación. Esto sucede como resultado de ley de conservación del momento angular.
El momento angular es la cantidad vectorial que describe la Cantidad de rotación de un objeto alrededor de un eje o punto.. El momento angular, generalmente denominado lde un objeto corresponde al producto vectorial de la posición del objeto con respecto al punto de referencia (r) y el impulso del objeto (pag). En términos matemáticos, esta relación se expresa así: L = rxp.
La ley de conservación del momento angular determina que, si no existen fuerzas externas que actúen sobre el objeto, el momento angular se conserva, es decir, permanece sin cambios. El rotor inerciales decir, la parte giratoria "aislada" dentro del giroscopio (que debe imaginarse como un disco montado sobre un eje de rotación), siempre gira sobre sí mismo a la misma velocidad, por lo que mantiene inalterada la orientación de su eje de rotación aunque cambie la orientación del soporte en el que se inserta.
Esto último se dice jaula giroscópica y consta de uno o más círculos giratorios concéntricos que giran, a su vez, cada uno alrededor de un eje. De este modo, el rotor representa el "medidor de referencia" a partir del cual se realizan las lecturas del sensor giroscópico.
Estos últimos miden la velocidad angular (ω). Se trata del variación de velocidad de sus coordenadas angulares en una unidad de tiempo dada. Matemáticamente, el concepto se expresa con la fórmula ω= Δθ/ ΔtDónde Δθ indica la variación angular que determina la rotación del objeto e Δt Indica el periodo de tiempo en el que se produce esta variación angular. Esta cantidad generalmente se expresa en grados por segundo (°/s) o en radianes por segundo (rad/s).
Cuando un fuerza externa al dispositivo en el que está presente el giroscopio, el eje de rotación del rotor no cambia su orientación; en cambio, se provoca una rotación de la jaula giroscópica alrededor de otro eje, ortogonal tanto al eje de rotación del giroscopio como a la dirección de la fuerza aplicada. Este fenómeno se conoce como efecto giroscópico.
El giroscopio mecánico se utiliza habitualmente en el campo de navegación inercial (empleado en aviones, barcos, drones, misiles y naves espaciales), para detectar la variación de movimiento y/o hacerlo venir orientación constantemente mantenida basándose en el punto de referencia deseado.
Este tipo de giroscopio también se puede utilizar en teléfonos inteligentes, consolas portátiles y otros dispositivos pertenecientes alElectrónica de consumo, para permitir varios tipos de interacciones con aplicaciones y videojuegos (por ejemplo, en juegos que permiten acciones como apuntar moviendo el dispositivo). Asimismo, también se puede utilizar en camaras y en cámaras de vídeopor ejemplo, para estabilizar el metraje.
Cómo funciona el giroscopio óptico
El funcionamiento de la giroscopio óptico está basado eninterferómetroes decir, un dispositivo que analiza datos de haces de luz monocromáticos que se pasan en un determinado camino. Este último está formado por una o más fibras ópticas y suele tener forma de anillo circular.
En un punto dado del círculo que forma el camino hay un fuente de luz (por ejemplo, un láser). La luz es emitida desde la fuente, simultáneamente, en dos direcciones opuestos y ambos haces generados viajan a lo largo del camino. Si el camino por el que pasan los rayos de luz no gira, el El tiempo de viaje no cambia con el tiempo. y los dos rayos siempre terminan encontrándose en el mismo punto y en el mismo periodo de tiempo (dando lugar a una especificación interferencia de ondas que tiene ciertas características).
Sin embargo, si la ruta se hace girar, el rayo emitido en el mismo sentido de rotación aumentará su tiempo de recorrido dentro del circuito, ya que su "punto de llegada" se irá alejando progresivamente durante la rotación. Al mismo tiempo, el rayo que se mueve en sentido contrario al de rotación llegará al "punto de llegada" en un tiempo más corto que el detectado en ausencia de rotación. En este caso, por tanto, el "punto de llegada" se irá acercando progresivamente. Esta dinámica se conoce como “Efecto Sagnac”.
Esta variación en el tiempo de viaje de los dos haces de luz se utiliza para calcular la velocidad angular (que os hablé a mitad del capítulo anterior) del dispositivo del que forma parte el giroscopio óptico. El punto de llegada corresponde al punto donde los dos haces, dentro del recorrido anular, se encuentran y dan origen a una nueva onda (lainterferencia) que tiene características diferentes a las interferencias detectadas inicialmente (y configuradas como "por defecto").
El detector de interferómetro (llamado fotodetector), por lo tanto, analiza los datos generados por el variaciones en la interferencia de ondas de luz dentro del giroscopio óptico. Como se puede intuir por lo visto hasta ahora, los giroscopios basados en este sistema son instrumentos muy precisos y fiables.
Al igual que los giroscopios mecánicos, estos dispositivos son capaces de establecer laorientación del dispositivo del que forman parte. Se pueden utilizar en las mismas áreas de las que les hablé al final del capítulo anterior.
Se utilizan, sin embargo, de manera particular en el contexto de telecomunicaciones (para la alineación de equipos ópticos), así como también en topografía y geodesia para estudios sobre la rotación del eje terrestre y cartografía terrestre. Por último, también se utilizan para detectar oscilaciones y vibraciones de puentes, diversos tipos de edificios y maquinaria industrial.
Cómo funciona el giroscopio del teléfono inteligente
EL giroscopios integrado en la mayoría teléfonos inteligentes actualmente en el mercado se basan en un pequeño componente llamado MEMS (Sistemas micro electromecánicos). Es un dispositivo, de dimensiones extremadamente reducidas, similar a un pequeña cajaque incluye una capa de material semiconductor y una pequeña cavidad interna. A masa está suspendido dentro de esta pequeña estructura y viene mantenido en una posición “fija” por algunos resortes electrostáticos o piezoeléctricos.
Cuando el teléfono inteligente se mueve y se mueve en el espacio, la masa se desplaza en relación con el sustrato de silicio dentro del componente MEMS. Los cambios de posición de la masa se detectan mediante sensores específicos, que pueden aprovechar, por ejemplo, los condensadores; de esta manera, estos movimientos se "traducen" en impulsos eléctricos de intensidad variable (en proporción a las variaciones detectadas).
A continuación, las señales eléctricas son procesadas por unos chips que calculan y cuantifican, a partir de los datos recogidos, el movimiento del smartphone en el tres dimensiones del espacio (es decir, los tres ejes X, Y y Z). Cada uno de estos últimos corresponde a un electrodo de detección específico. Además de los sensores de posición, los giroscopios de los teléfonos inteligentes también incluyen sensores de aceleración que son capaces de medir elaceleración angular del dispositivo, es decir, cuánto cambia la velocidad angular durante un período de tiempo determinado.
Al igual que los otros tipos de giroscopio de los que os hablé, estos que hemos visto en estas últimas líneas también son capaces de detectar el velocidad angular (del cual les hablé en detalle a mitad de este capítulo) y elorientación del dispositivo.
Cómo funciona un giroscopio electrónico
Generalmente, sin embargo giroscopio electrónico puede entenderse como un giroscopio basado en el sistema óptico que os he ilustrado en este capítulo de la guía (con el haz de luz emitido por la fuente, normalmente láser) y los detectores relacionados.
Al mismo tiempo, este término también se puede utilizar para designar el giroscopio integrado en los teléfonos inteligentes, es decir, el que se basa en los componentes. MEMS y que incluye sensores de posición y aceleración.