Girocompás

Corte de la esfera de un girocompás Anschütz.

Un girocompás es una brújula que mira siempre al Norte geográfico usando un juego de discos o anillos que giran muy rápido (movidos electrónicamente) y las fuerzas de fricción para aprovechar la rotación de la Tierra. Los girocompases se usan ampliamente en los barcos. Tienen dos ventajas principales sobre las brújulas magnéticas:

• Señalan al norte geográfico, es decir, la dirección del eje de rotación de la Tierra, y no al norte magnético.
• No se ven afectados por el metal del casco de los barcos.

Funcionamiento

Un girocompás es esencialmente un giróscopo, una rueda girando montada de forma que su eje queda libre para orientarse en cualquier dirección. Supongamos que la rueda gira con su eje señalando en alguna dirección diferente a la de la Estrella Polar. Debido a la ley de conservación del momento angular, una rueda en esta situación mantendrá su orientación original. Dado que la Tierra rota, para un observador estacionario sobre la Tierra parecerá que el eje del giróscopo rota una vez cada 24 horas. Un giróscopo rotando de esta forma no puede usarse en navegación. El ingrediente adicional crucial necesario para un girocompás es algún mecanismo que aplique un par de giro cuando el eje del giróscopo no señale al norte.

Un método usa fricción para aplicar el par necesario: el giróscopo del girocompas no es por tanto totalmente libre para reorientarse por sí mismo. Si por ejemplo un dispositivo conectado al eje se sumerje en un fluido viscoso, entonces dicho fluido se resistirá a la reorientación del eje. Esta fuerza de fricción provocada por el fluido resulta en un par de giro actuando sobre el eje, provocando que éste gire en una dirección ortogonal al par (es decir, precedente) hacia el norte geográfico (la Estrella Polar). Una vez que el eje apunte hacia el norte, parecerá estacionario y no experimentará ninguna fuerza de fricción más. Esto se debe a que el norte geográfico es la única dirección para la que el giróscopo puede permanecer sobre la superficie de la Tierra sin ser forzado a cambiar. Se considera que éste es un punto de energía potencial mínima.

Otro método más práctico es usar pesos para forzar al eje del giróscopo a permanecer horizontal con respecto a la superficie de la Tierra, pero permitirle rotar libremente dentro de ese plano. En este caso, la gravedad aplicará un par de giro obligando al eje del giróscopo a orientarse hacia el norte. Debido a que los pesos confinarán al eje a estar horizontal respecto a la superficie de la Tierra, éste nunca puede alinearse con el eje del planeta (excepto en el Ecuador) y debe realinearse a medida que la tierra rota. Pero con respecto a la superficie terrestre, el giróscopo parecerá estar estacionario y señalando junto a la superficie terrestre hacia el polo norte geográfico.

Dado que el funcionamiento de un girocomprás depende crucialmente de su rotación sobre la Tierra, no funcionará correctamente si el buque en el que está montado se mueve rápidamente, especialmente en la dirección este a oeste.

Ventajas

Posee dos ventajas sobre el compás magnético.

• Señala la dirección del norte verdadero en oposición al norte magnético indicado por la brújula.
• No se ve afectado por la estructura del buque. No posee desvío, por tanto si bien posee un pequeño error, este es constante a todo rumbo.

Estas ventajas permiten la aplicación del girocompás en minería, donde instrumentos como el GPS o la brújula no serían útiles debido a la dificultad en la recepción en GPS o a la poca fiabilidad de la brújula debido a la presencia de vetas metálicas.

Desventajas

• Requiere de una fuente constante de energía.
• Es mucho más costoso.

Un girocompás es esencialmente un giroscopio, una rueda girando a gran velocidad montada de forma tal que su eje sea libre de orientarse en cualquier dirección.

Supóngase que el eje de rotación está orientado en cualquier dirección diferente a la de la estrella polar. Debido a la ley de conservación del momento angular, el eje de rotación mantendrá dicha orientación. Dada la rotación terrestre, este hecho, le parecerá a un observador estacionario, que el eje del giroscopio efectúa una rotación de 360º cada 24 horas. Debido a esta rotación el giroscopio no puede usarse a los fines de la navegación. El hecho crucial que lo transforma en un compás, en un instrumento tan útil al navegante es que mediante la aplicación de algún mecanismo se aplique un momento torsor que obligue al eje de rotación a orientarse en la dirección del norte y mantenga allí, la estabilidad buscada.

Existen dos métodos para lograr esto:

• Fricción que aplique el torque necesario para transformar al giroscopio en un compás, un dispositivo conectado al eje que inmerso en un medio líquido muy viscoso, aplique a este eje un momento torso que cause precesión y lo obligue a orientarse en la dirección norte–sur. Una vez logrado esto el giroscopio aparecerá como estacionario y no requerirá ya más de una fuerza externa (torque). Esto es porque la dirección del norte verdadero es la única en la superficie de la tierra en la que el giroscopio alcanza la posición de equilibrio.

Esto es considerado como el punto de mínima energía potencial.

• Otro método, más difundido es mediante el uso de pesos que fuercen al eje del giroscopio a permanecer horizontal respecto a la superficie terrestre pero a su vez, le permitan rotar libremente en ese plano. En este caso, es la fuerza de gravedad la que aplica al giroscopio el momento torsor que lo orienta la norte.

Este contrapeso confina al eje del girocompás a permanecer horizontal, el que nunca se alinearía con el eje terrestre (excepto sobre el ecuador) realineándose constantemente conforme la tierra gire. Pero con respecto a la superficie terrestre el eje de giroscopio aparentara estar estacionario y apuntando en la dirección norte sur.

Historia

El girocompás fue patentado en 1885 por el holandés Martinus Gerardus van den Bos, si bien su diseño nunca funcionó adecuadamente. En 1889, el capitán Arthur Krebs diseñó un giróscopo pendular eléctrico para el submarino experimental francés Gymnote, que le permitiría forzar un bloqueo naval en 1890. En 1903 el alemán Herman Anschütz-Kaempfe construyó un girocompás que funcionaba y obtuvo una patente sobre su diseño. En 1908 Anschütz-Kaempfe y el inventor estadounidense Elmer Ambrose Sperry patentaron el girocompás en Gran Bretaña y los Estados Unidos. Cuando Sperry intentó vender este dispositivo a la armada alemana en 1914, Anschütz-Kaempfe le denunció por violación de patente. Sperry argumentó que la patente de Anschütz-Kaempfe no era válida debido a que no mejoraba significativamente la anterior patente de van den Bos. Se concluyó que Sperry la había infringido al usar un método específico de amortiguamiento. Anschütz-Kaempfe ganó el caso en 1915.

Véase también

• Método de Schuler
• Giróscopo
• Astrocompass

Enlaces externos

• Página sobre giróscopos en el sitio dedicado a Arthur Krebs (francés)
• Patente USPTO n.º 1279471: «Gyroscopic compass» (por E. A. Sperry)