miniaturadeimagen miniatura|220x220px|Animación en 3D de un giróscopo o giroscopio. Si el soporte de Cardano en el que está apoyado no tiene rozamiento apreciable, el giróscopo mantiene la orientación de su eje de rotación. El giróscopo o giroscopio (del griego σκοπέω, skopeo, ‘ver’ y γῦρος, giros, ‘giro’) es un dispositivo mecánico que sirve para medir, mantener o cambiar la orientación en el espacio de algún aparato o vehículo.
Está formado esencialmente por un cuerpo con simetría de rotación que gira alrededor del eje de dicha simetría. Cuando el giróscopo se somete a un momento de fuerza que tiende a cambiar la orientación de su eje de rotación, tiene un comportamiento aparentemente paradójico, ya que cambia de orientación (o experimenta un momento angular en todo caso, si está restringido) girando respecto de un tercer eje, perpendicular tanto a aquel respecto del cual se lo ha empujado a girar, como a su eje de rotación inicial. Si está montado sobre un soporte de Cardano que minimiza cualquier momento angular externo, o si simplemente gira libre en el espacio, el giróscopo conserva la orientación de su eje de rotación ante fuerzas externas que tiendan a desviarlo mejor que un objeto no giratorio; se desvía mucho menos, y en una dirección diferente.
Presenta, por tanto, dos propiedades fundamentales: la inercia giroscópica o "rigidez en el espacio" y la precesión, que es la inclinación del eje en ángulo recto ante cualquier fuerza que tienda a cambiar el plano de rotación. Estas propiedades se manifiestan a todos los cuerpos en rotación, incluida la Tierra. El término giróscopo se aplica generalmente a objetos esféricos o en forma de disco montados sobre un eje, de forma que puedan girar libremente en cualquier dirección; estos instrumentos se emplean para demostrar las propiedades anteriores, para indicar movimientos en el espacio, o para producirlos.
Este fenómeno físico, el efecto giroscópico, puede observarse fácil y cotidianamente en peonzas, o monedas lanzadas a rodar, por ejemplo, aunque por supuesto, cualquier objeto giratorio funciona en cierto modo, como giróscopo. El giro en vuelo impartido por el jugador a un balón de rugby, o el de una bala disparada desde un arma de ánima rayada para estabilizar su trayectoria son ejemplos de aplicación del efecto.
Historia y aplicaciones miniatura|derecha|Peonzas o trompos
La peonza o trompo es seguramente el elemento cultural más viejo y sencillo que ilustra de forma clara el efecto giroscópico en funcionamiento. En sus diversas formas se conoce desde muy antiguo, con restos y referencias pictóricas o epigráficas que datan al menos desde el primer milenio a. C. en Mesopotamia, aunque seguramente sea muy anterior. Hay evidencias de su uso temprano en la Antigua Roma, en Grecia, China, India y muchos otros lugares. Permanece en esencia un juguete inalterado, variando ligeramente la forma, los materiales (arcilla, madera, plástico, metal, etc.) y la decoración. Por supuesto, conocer empíricamente su funcionamiento, el hecho de que al girar se mantiene en pie, no implica que se conociesen las causas del fenómeno, ni poder calcular la magnitud y los factores que influyen en el efecto, con lo que las aplicaciones más potentes no fueron evidentes hasta mucho más tarde, concluida la revolución científica y hacia el final de la Revolución Industrial.
miniatura|izquierda|Réplica del giroscopio inventado por Foucault en 1852, construida por Dumoulin-Froment para la exposición universal de 1867. Conservatorio Nacional de Artes y Oficios, París
Al parecer, uno de los primeros intentos conocidos de aplicación de las propiedades de la peonza fue el "espejillo giratorio" de John Serson, un capitán inglés. En 1743, inventó una especie de peonza que serviría para localizar el horizonte en alta mar, en condiciones de visibilidad reducida, gracias a su estabilidad dinámica. Sería un precursor muy rudimentario del horizonte artificial moderno, aunque no parece haber tenido gran impacto.
A quien se atribuye el descubrimiento del efecto giroscópico y la construcción del primer instrumento parecido al giróscopo moderno es al astrónomo alemán Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger, quien en 1817 escribió acerca del tema en un escrito titulado Descripción de una máquina para la explicación de las leyes de rotación de la Tierra en torno a su eje, y del cambio de orientación del mismo. Llamó a su aparato, una esfera rotatoria pesada, "la máquina".Johann G. F. Bohnenberger (1817) "Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren" (Descripción de una máquina para la explicación de las leyes de rotación de la Tierra en torno a su eje, y del cambio de orientación del mismo), Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde, vol. 3, páginas 72–83. El matemático francés Siméon Denis Poisson ya mencionaEl matemático francés Poisson menciona la máquina de Bohnenberger ya en 1813: Simeon-Denis Poisson (1813) "Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans" [Memoria sobre un caso particular del movimiento de rotación de los cuerpos pesados.], Journal de l'École Polytechnique, vol. 9, páginas 247–262. Disponible en Internet en: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf . dicha máquina en 1813, en una memoria suya, y su compatriota y colega Pierre-Simon Laplace, trabajando por aquel entonces en la escuela politécnica de París, recomendó su uso en la enseñanza, como ayuda didáctica. Así fue como llegó a saber de ella Léon Foucault.(En inglés) Wagner JF, "La Máquina de Bohnenberger", Instituto de la Navegación. (Wagner JF, "The Machine of Bohnenberger", The Institute of Navigation)
El giróscopo como tal fue inventado, con ese mismo nombre, en 1852 por Foucault, montando una masa rotatoria en un soporte de Cardano para un experimento de demostración de la rotación de la Tierra. La rotación ya había sido demostrada con el péndulo de Foucault. Sin embargo, la velocidad de rotación del péndulo es más lenta que la velocidad de rotación de la Tierra por un factor , donde representa la latitud en que se localiza el péndulo. Se necesitaba otro aparato para demostrar la rotación de la Tierra de forma más simple. miniatura|derecha|Giróscopo direccional moderno, como los empleados en aviones, misiles y torpedos, fabricado por la corporación Sperry Co. Este en concreto pertenece a un avión. Foucault presentó así un aparato capaz de conservar una rotación suficientemente rápida (150 a 200 vueltas por segundo) durante un tiempo suficiente (una decena de minutos) para que se pudiesen hacer medidas. Esta proeza mecánica (para la época) ilustra el talento de Foucault y su colaborador Froment en mecánica. 180px|miniatura|izquierda|Unidad de navegación inercial de un misil balístico de alcance intermedio S3 francés Foucault también se dio cuenta de que su aparato podía servir para indicar el Norte. En efecto, si se impiden ciertos movimientos del soporte del giróscopo, este se alinea con el meridiano. Esto permitió la invención del girocompás, una brújula giroscópica.
Otra de sus aplicaciones industriales iniciales fue servir como sistema de guía a los primeros torpedos, permitiendo programar una rudimentaria ruta a seguir antes del lanzamiento y corregir, hasta cierto punto, las desviaciones sobre la marcha. En general se han empleado mucho para la navegación inercial en aviones, misiles y similares construidos antes de la aparición del GPS (aún son imprescindibles, pero ya no como único o principal sistema de guiado, sino para controlar con precisión la orientación). En este campo últimamente comienzan a sustituirse por giróscopos de fibra óptica, y en muchas aplicaciones industriales y cotidianas, como la tableta o el teléfono inteligente, se utilizan giróscopos del tipo "MEMS" (Micro Electro Mechanical System), "SMEM" en español, con menor tamaño y peso, y mayor precisión y sencillez, que solo comparten la función con el giróscopo mecánico, no el efecto giroscópico como principio operativo.
También se utilizan giróscopos mecánicos para disminuir el balanceo de navíos y para estabilizar plataformas de tiro.
derecha|Cuando se empuja el lado derecho hacia abajo, este, en lugar de bajar, se mueve hacia el observador. derecha| Vista desde arriba del dibujo de la izquierda. Las velocidades de la masa de arriba están dibujadas en trazos continuos y las de la masa de abajo en punteado.
Descripción del efecto giroscópico Supongamos un giróscopo 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 la derecha. Un observador mantiene el eje del fondo con la mano izquierda y el eje de delante con la mano derecha. Si el observador trata de hacer girar el eje hacia la derecha (bajando la mano derecha y subiendo la mano izquierda) sentirá un comportamiento muy curioso, ya que el giróscopo empuja su mano izquierda y tira de su mano derecha . El observador acaba de sentir el efecto giroscópico. Es una sensación muy sorprendente porque da la impresión de que el giróscopo no se comporta como un objeto «normal».
Descripción detallada del efecto
Las masas giran rápidamente alrededor del punto fijo con una velocidad tangencial . En el momento en que las masas pasan por la posición del dibujo se da un impulso hacia abajo en la extremidad libre de la T. La barra verde transmite ese impulso a las dos masas y le da a cada una, una pequeña velocidad horizontal perpendicular a su velocidad actual. Hacia la derecha en la masa de arriba y hacia la izquierda en la masa de abajo; es decir, la barra gira un poco respecto del eje longitudinal.
En el dibujo de la derecha aparecen las dos masas vistas desde arriba. Las velocidades comunicadas por el impulso se suman a las velocidades corrientes. La consecuencia inmediata es que la velocidad de la masa de arriba se desvía ligeramente hacia la derecha y la velocidad de la masa de abajo se desvía hacia la izquierda. Sorprendentemente, el resultado final es que el plano de rotación de las dos masas ha girado (aparte de respecto del eje longitudinal, también respecto del eje vertical) O, dicho de otra manera, el eje de rotación de las dos masas ha girado respecto de dos ejes, y no solo respecto del que intentábamos hacerlo girar.
En un giróscopo 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 explicación. Y cuando, en lugar de darle un impulso a un giróscopo, se le aplica un momento, se puede considerar este momento como una sucesión de cortos impulsos. Cada uno de ellos añade a las masas una ínfima velocidad perpendicular a sus velocidades. Eso hace que la velocidad cambie de dirección sin cambiar de módulo.
miniatura|500px|derecha|Giróscopo en funcionamiento. El eje rojo es el eje de rotación del disco. El verde es el eje respecto del que se hace girar el plano de rotación del disco. El azul es el eje respecto del cual se manifiesta, en este caso, el efecto giroscópico, dándole un segundo sentido de giro al plano de rotación del disco. Nótese que las funciones del eje verde y el azul podrían intercambiarse, y el efecto visible sería el mismo.
Explicación intuitiva de la causa del efecto giroscópico