Diseo y construccin de

Un giroscopio didctico realizado por estudiantes de

mecnica para uso en laboratorios de fsica

J. Melndez

1, R. Arias

1, R. Salazar

1, I. Acal

1, H. Caldern1, F. Fragoso1

1. Academia de Mecnica, Centro de Bachillerato Tecnolgico Industrial y de Servicios No. 50

Tlalnepantla , Estado de Mxico.

El giroscopio fue inventado en 1852 por Len Foucault quien tambin le dio el nombre, montando una masa rotatoria en un soporte de Cardano para un experimento de demostra-cin de la rotacin de la tierra, sta haba sido demostrada con el pndulo de Foucault, sin embargo no comprenda por qu la velocidad de rotacin del pndulo era ms lenta que la velocidad de la rotacin de la tierra por un factor () donde representa la latitud en que se localiza el pndulo. Se necesitaba otro aparato para demostrar la rotacin de la tierra de forma ms simple. Foucault present as un aparato capaz de conservar una rotacin sufi-cientemente rpida (150 a 200 vueltas por minuto) durante un tiempo suficiente (una doce-na de minutos) para que se pudiesen hacer medidas. Esta proeza mecnica (para la poca) ilustra el talento de Foucault y su colaborador Froment en mecnica. Foucault tambin se dio cuenta de que su aparato poda servir para indicar el Norte. En efecto, si se impiden ciertos movimientos del soporte del giroscopio, este se alinea con el meridiano. Esto permiti la invencin del girocomps. Los giroscopios se han utilizado en girocompases y giropilotos. Los giroscopios tambin se han utilizado para disminuir el balanceo de navos, para estabilizar plataformas de tiro y para estabilizar plataformas inerciales sobre las cuales estn fijados captadores de acelera-cin para la navegacin inercial en aviones y misiles construidos antes de la aparicin del GPS. El efecto giroscpico es la base del funcionamiento de los juguetes trompo o pirinola dynabee.

Monasterio, R. ptica Experimental con materiales Casero o de bajo Costo, Conferencia Interamericana sobre educacin en Fsica., Tomo II, 405-419 Universidad Simn Bolvar. Caracas Venezuela. (2001).

Prez, E. Diseo de Modelos y prototipos experimentales orientados al Aprendizaje de la ptica. Tesis de Maestra en Educacin en Fsica, FACE, Universidad (2008).

Rivero, H y otros. Cmo mejorar mi clase de Fsica nivel superior, Editorial Trillas, Mxico (2004).

Silsko, J. y Medina Hernndez, R. Un curso de mecnica clsica sin conferencias magisteriales: objetivos, elementos del diseo y efectos en los estudiantes, Lat. Am. J. Educ, vol. 1, No 1, 51-61 2002.

UNESCO. Nuevo Manual para la Enseanza de las Ciencias, Editorial Sudamrica, Buenos Aires (1975).

1. RESUMEN

5. REFERENCIAS

2. EFECTO GIROSCOPICO

Descripcin del efecto: Supongamos un giroscopio formado por un disco montado sobre un eje horizontal, alrededor del cual el disco gira libremente a gran velocidad, como se observa en la figura de abajo. Un observador mantiene el eje del fondo con la mano izquierda y el eje de delante con la mano de-recha. Si el observador trata de hacer girar el eje hacia la derecha (bajando la mano derecha y subiendo la mano izquierda) sentir un comportamiento muy curioso, ya que el giroscopio em-puja su mano derecha y tira de su mano izquierda. El observador acaba de sentir el efecto gi-roscopio. Es una sensacin muy sorprendente porque da la impresin de que el giroscopio no se comporta como un objeto "normal".Cuando se empuja el lado derecho hacia abajo, este, en lugar de bajar, se mueve hacia el observador.

Explicacin del efecto Sea el objeto dibujado en la imagen de la derecha, formado por dos masas (en negro) de pequeas dimensiones sujetas por una barra (en verde) en forma de T de masa despreciable y total rigi-dez. El centro de la T est fijado a un soporte por medio de una rtula que permite que la barra en T gire libremente alrededor de cualquier eje.

Las masas giran rpidamente alrededor del punto fijo con una veloci-dad tangencial . En el momento cuando las masas pasan por la po-sicin del dibujo se da un golpecito hacia abajo en la extremidad libre de la T. Ese golpecito es en realidad una fuerza aplicada durante un corto instante y se llama, en Fsica, un impulso. La barra verde trans-mite ese impulso a las dos masas y le da a cada una, una pequea velocidad horizontal perpendicular a la velocidad actual. Hacia la derecha en la masa de arriba y hacia la izquierda en la masa de aba-jo. En el dibujo de abajo aparecen las dos masas vistas desde arriba. Las velocidades comunicadas por la impulsin se suman a las veloci-dades corrientes. El resultado es que la velocidad de la masa de arri-

ba se desva ligeramente hacia la derecha y la velocidad de la masa de abajo se desva hacia la izquierda. Y el resultado final es que el plano de rotacin de las dos masas ha girado un poco hacia la derecha. O, dicho de otra manera, el eje de rotacin de las dos masas ha girado hacia la derecha. En un giroscopio no se trata de dos masas puntuales sino de masas distribuidas sobre todo el disco o el cilindro, pero eso no cambia el fondo de la explicacin. Y cuando, en lugar de darle un impulso a un giroscopio, se le aplica un momento, se puede considerar este momento como una sucesin de cortos im-pulsos. Cada una de ellos aade a las masas una nfi-ma velocidad perpendicular a sus velocidades. Eso hace que la velocidad cambie de direccin sin cambiar de mdulo. Cuando se da un golpecito en la extremidad de la barra horizontal se comunica a las masas una velocidad hori-zontal perpendicular a sus velocidades tangenciales. Vista desde arriba del dibujo

4. CONCLUSIONES

Proceso Enseanza-aprendizaje

La etapa de caracterizacin y diseo del prototipo es el resul-

tado de un proceso de experimentacin rigurosa, al final de

dicho proceso los estudiantes se enfrentan a una situacin

novedosa la cual los lleva a cuestionar fuertemente los cono-

cimientos adquiridos durante su formacin bsica; en nuestro

punto de vista; esta situacin es la que posibilita que los estu-

diantes alancen un mayor grado de significacin en los apren-

dizajes logrados durante toda su carrera ya que combinan to-

das sus habilidades y conocimientos para solucionar un pro-

blema que comprenden por completo.

Diseo del prototipo

Para hacer este prototipo, fue necesario analizar diferentes tipos de materiales que cumplie-ran con las necesidades de acuerdo al peso de la rueda principal, para que todo quedara igualado en peso y proporcin, utilizando valeros o rodamientos de uso comercial para darle el movimiento que se requiere y a su vez tenga un amortiguamiento el momento de ponerlo a funcionar.

Con este proyecto reforzamos el conocimiento de los movimientos que presenta la tierra, en

una escala ms pequea; y tambin cabe mencionar que se pueden implementar estos de

prototipos a escuelas, principalmente en el laboratorio de fsica para comprobar la teora de

las fuerzas angulares; tomando en cuenta que la adquisicin de los materiales es de fcil ob-

tencin y su fabricacin es considerable; ya que en la institucin se cuenta con la herramien-

ta necesaria para poder desarrollarlos y as fomentar a la creatividad del alumnado de mec-

nica y reas afines del CBTis 50.

La inercia giroscpica y la fuerza de la gravedad pueden emplearse para hacer que el girscopo funcione como indicador direccional o brjula. Si se considera un girscopo montado en el ecuador de la Tierra, con su eje de giro situado en el plano este-oeste, el girscopo seguir apuntando en esa direccin a medida que la Tierra gira de oeste a este. As, el extremo oriental ascender en relacin a la Tierra, aunque seguir apun-tando en la misma direccin en el espacio. Si se fija un tubo parcialmente lleno de mercurio a la es-tructura del dispositivo giroscpico, de forma que el tubo se incline a medida que lo hace el eje del girscopo, el peso del mercurio en el extremo occidental, ms bajo, aplica una fuerza sobre el eje horizontal del girscopo. ste se resiste a dicha fuerza y efecta un movimiento de precesin en torno al eje vertical, hacia el meridiano. En la brjula giroscpica o girocomps, las fuerzas de control se aplican de forma automtica en la direccin y

CBTIS 50

3. APLICACIONES