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Giróscopo parte 2 - Monografía



 
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C)  Movimiento del eje del giroscopio por la acción del sistema de gobierno constituido por las botellas de aceite
Hemos visto que la acción del aire insuflado por la canalización vertical a las botellas de trabajo tenía por objeto, en caso de inclinarse el eje del giroscopio, hacer pasar el aceite a las botellas más elevadas para, al tener éstas más peso, obligar al eje a volver al horizonte, como si estuviera sometido a la acción de un contrapeso sólido colocado en la parte baja del cárter. La rotación del toro será, pues, del mismo sentido que la rotación de la tierra, y el movimiento que tomará el eje, apartado de su posición de equilibrio, estará regido por las dos ecuaciones ya estudiadas:

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Conocemos este movimiento y sabemos que es necesario un sistema de amortiguamiento para llevar otra vez el eje a su posición de equilibrio en el meridiano y horizontalmente. Esto se consigue por la válvula colocada en la botella de amortiguamiento Norte, cuyo efecto vamos a estudiar.
Al estar la válvula cerrada del todo, no hay ninguna comunicación entre las botellas de amortiguamiento, el compás obedece a la sola acción de las botellas de trabajo y el movimiento del eje viene dado por las dos ecuaciones anteriores. Al estar abierta del todo la válvula, el aceite circula libremente entre las dos botellas de amortiguamiento, cuya acción se opone simplemente a la de las botellas de trabajo. El movimiento del eje sigue sujeto a las mismas ecuaciones, siendo muy pequeño al valor del coeficiente B.

¿Qué pasa si solamente se entreabre la válvula? Supongamos el eje en el momento inicial en el horizonte y al Este del meridiano en que comienza a inclinarse con el extremo Norte por encima del horizonte (situados en un lugar del hemisferio Norte) por la rotación de la tierra, precesionando hacia el meridiano. A la elevación del extremo Norte corresponde un transvase de aceite casi instantáneo en las botellas de trabajo del Sur al Norte y en las de amortiguamiento es en sentido inverso, pero con retardo. Al estar el extremo Norte del eje al Este del meridiano, el efecto de las botellas de amortiguamiento se opone al de las de trabajo, poco al principio, pero con intensidad creciente. Al pasar por el meridiano, el efecto de las botellas de trabajo es máximo y decrece cuando el desvío pasa al Oeste, mientras que el de las de amortiguamiento, por el contrario, sigue aumentando durante algún tiempo. Su efecto retardado es, pues, más intenso al Oeste que al Este, y la desviación máxima alcanzada al Oeste resulta menor que la inicial al Este. Cuando el eje está en el horizonte al Oeste, queda un exceso de aceite en la botella de amortiguamiento Sur, cuyo efecto se suma, al principio de la precesión hacia el Este, con el Norte ahora por debajo del horizonte, al del excedente de la botella de trabajo Sur cuando ésta se levanta. La precesión es, pues, mayor al principio que cuando el eje parte del reposo, en el horizonte, al Este y permanecerá hasta que pase por el meridiano, con inclinación ya menor que al paso anterior con el extremo Norte elevado, en proporción a la menor amplitud acimutal al Oeste que la inicial al Este. Del meridiano hacia el Este tendremos la misma relación entre los dos pares de botellas, que para el movimiento hacia el Oeste a partir del meridiano con el extremo Norte elevado. Pero como el eje parte del meridiano con menor inclinación, llegará al horizonte al Este, con menos desvío acimutal que el que tenía al Oeste, y como ya éste era menor que el inicial, tendremos una disminución progresiva del desvío y el eje acabará por estabilizarse en el meridiano con cierta inclinación  o para la que el exceso de aceite del lado Norte del giroscopio dará un par de eje horizontal justamente suficiente para compensar la componente horizontal del efecto terrestre. Y hay, efectivamente, exceso de aceite en el lado Norte porque, aun cuando al quedar en equilibrio los desniveles son iguales y de sentido contrario en los dos pares de botellas, la cantidad en exceso en la botella de trabajo elevada, la del Norte, es superior a la cantidad en exceso en la botella baja de amortiguamiento, la del Sur, por la diferencia de tamaño. La componente vertical del efecto terrestre, S   cos , es nula en el meridiano, igual que la componente vertical del eje del par debido a las botellas y, por tanto, este eje está horizontal.
El amortiguamiento se obtiene regulando la aguja que cierra la válvula de amortiguamiento de modo que produzca en cada semiperíodo una reducción de 2/3 de la amplitud de las oscilaciones, que es un amortiguamiento lo suficientemente rápido y no prolonga mucho el periodo del compás. Tan sólo unos diez minutos. Para el buen funcionamiento del compás es preciso no apartarse mucho del periodo que da el desvío balístico correcto, de 84 minutos, y se sabe que el amortiguamiento, cuanto mayor sea, más aumenta el periodo de oscilación del sistema pendular.
Hemos dicho que, al estar el eje en equilibrio, quedaba algo inclinado sobre el horizonte, y, para evitarlo, los compases construidos con posterioridad al año 1942 llevan un disco dividido en grados de latitud y situado en la cara Oeste del cárter, con un contrapeso excéntrico que permite desequilibrar el toro a fin de obtener la precesión  sen  , necesaria para mantener el eje en el meridiano. El eje, en su posición de equilibrio, permanece horizontal, lo cual es preferible para el buen funcionamiento del aparato. Además, hemos visto que la Sperry también anula la inclinación del eje en su posición de equilibrio (en sus modelos más perfeccionados).
Hasta ahora hemos supuesto que el aceite pasaba instantáneamente de la botella de trabajo baja a la alta, pero esto no es cierto debido a su viscosidad. No obstante, las numerosas observaciones practicadas han comprobado que el retardo para establecer el desnivel al inclinarse no afecta de modo sensible al funcionamiento del aparato. Se comprende, además, fácilmente que ese retardo, del orden de algunos segundos, poco puede afectar a una oscilación cuyo periodo es próximo a la hora y media. Por el contrario, en las botellas de amortiguamiento ese retardo es considerable y está determinado para conseguir la disminución de las oscilaciones. Se puede demostrar que se obtiene un amortiguamiento máximo cuando el defasaje del desnivel sobre la inclinación es de 1/4 de periodo.
Observemos que cada uno de los dos juegos de botellas da un par de eje horizontal. El par debido a las botellas de trabajo es prácticamente proporcional a la inclinación, y el de las de amortiguamiento está desfasado con la inclinación que lo origina.
Para terminar, señalemos las diferencias esenciales de esta aguja con la Sperry.
1) Gira en el mismo sentido que la tierra y la Sperry en sentido contrario.
2) Su posición de equilibrio está en el meridiano; la de la Sperry tiene un pequeño desvío acimutal, que aumenta con la latitud.
3) La Brown está apoyada; la Sperry, suspendida.
4) En la Sperry, el error de latitud, rumbo y velocidad se compensa mecánicamente; en la Brown viene dado en una tabla. Para dar el rumbo al timonel hay que sumarle algebraicamente este error al rumbo verdadero.

d) Alimentación


El grupo convertidor se alimenta con la corriente de a bordo reducida a 62 voltios. El motor de este grupo lleva en un extremo del árbol una corona de imanes permanentes que se mueve enfrente de un grupo de tres arrollamientos conectados en estrella, en los cuales se forma la corriente trifásica de 70 voltios y 266 períodos, que alimenta a:
1) El estator del motor que mueve al giroscopio.
2) El estator del motor de la bomba.
3) El regulador de los repetidores.
Se instala una batería de 50 voltios para fallos de la corriente del barco y que en marcha normal carga con poca intensidad.

e) Suspensión


El compás entero pesa unos 12 kg. y está montado con suspensión cardan, que a su vez va sobre un sistema antichoque.
La suspensión mantiene al compás vertical a pesar de los balances y cabezadas, pero permite su movimiento vertical y en acimut. Para mayor amortiguamiento de las vibraciones, los dos pivotes que lleva la suspensión cardan, uno a proa y otro a popa, van provistos de pistones que se introducen en cilindros rellenos de aceite.


2.2.3  Compás giroscópico Anschütz



Uno de los problemas más difíciles con que se encuentran los inventores y fabricantes de agujas giroscópicas es el de eliminar los pares de fuerza perturbadores originados por rozamientos, en particular en la parte baja del eje vertical. Hemos visto que Sperry resolvía este problema suspendiendo el elemento sensible del fantasma, que estaba obligado por el motor seguidor a acompañar a aquél en sus movimientos en acimut con respecto al barco, y Brown hace soportar el aparato por una columna de aceite en pulsación permanente, que reduce al mínimo los rozamientos en la parte inferior del eje.
La solución ideada por Anschütz consiste en encerrar todo el elemento sensible en una esfera hermética, aislada, que se sumerge en el líquido acidulado contenido en otra esfera de diámetro ligeramente mayor. El líquido acidulado no sólo sirve para que flote el elemento sensible, sino también como parte del circuito de alimentación de corriente alterna del giroscopio.

a)  Compás primitivo


El primer compás que se construyó consistía en un solo giroscopio suspendido de un flotador de acero hueco, inmerso en el mercurio contenido en una cubeta anular. Esta suspensión permitía los movimientos en acimut (guiñadas) y la inclinación del cárter (balances y cabezadas). El aparato era de tipo pendular y, apartado de la posición de equilibrio, su peso y el empuje del líquido formaban un par de adrizamiento, de eje horizontal, que hacia precesionar el eje hacia el meridiano.
El amortiguamiento se obtenía por un sistema consistente en dos botellas con aceite de viscosidad apropiada, comunicadas por un tubo de poco diámetro y dispuestas paralelamente al eje del compás. Al inclinarse éste, la superficie libre del liquido en las dos botellas no se establecía en el mismo plano horizontal hasta pasados algunos minutos, debido a la viscosidad del aceite y al poco diámetro de la conducción.
Si esa fluidez fuera perfecta, la acción del aceite se opondría a la del péndulo: la botella baja tendría más liquido y tendería a aumentar la inclinación; pero, debido precisamente a la viscosidad, ocurre esto con retardo respecto al movimiento pendular, o sea desfasado de tal modo que su efecto se opone a éste. Es decir, hay un desfase entre el restablecimiento del nivel del líquido y la inclinación que lo origina, que es precisamente lo que produce el amortiguamiento, como más adelante demostraremos.

b)  Compás de tres giroscopios



El modelo que acabamos de describir no dio resultado en la mar y, hacia 1912, Anschütz, en colaboración con Schuler, concibió el de tres giroscopios, que consta, como su nombre indica, de tres iguales, que giran en el mismo sentido que la tierra y suspendidos de un marco que lleva la rosa. Dicho marco va en una esfera hueca, de acero, que flota en un depósito circular con mercurio. De este modo se aseguran los tres grados de libertad que corresponden a la rotación propia, a los balances y cabezadas y a los cambios de rumbo. El centro de gravedad del sistema está por debajo del centro de la esfera y por tanto el aparato es pendular.
Uno de los giroscopios tiene su eje paralelo a la línea Norte-Sur de la rosa del compás y los otros dos están obligados a formar ángulos iguales con esta línea, siendo sus movimientos en acimut independientes de los de la rosa.
Los puntos de apoyo están en los vértices de un triángulo equilátero, y corresponde al giroscopio orientado según la línea Norte-Sur el vértice de más al Sur. Todas las direcciones vienen referidas al eje de este giroscopio en su posición de equilibrio, que llamaremos siempre dirección Norte-Sur, aunque oscile el aparato.
Los momentos cinéticos de los dos giroscopios, que llamaremos NW y NE, dan una componente Norte-Sur, que se suma al momento cinético del giroscopio Sur, aumentando así la fuerza directriz del conjunto, y otra componente Este-Oeste, que tiende a mantener horizontal la línea Este-Oeste del compás.
El amortiguamiento se consigue, como en el modelo primitivo, por dos botellas parcialmente rellenas de un líquido viscoso, comunicadas por sus fondos a través de una conducción de poco diámetro y situadas de modo que la línea que une sus centros es la Norte-Sur.

c) Compás Anschütz actual de dos giroscopios


Este sistema anterior tampoco resultó del todo satisfactorio, y la casa Anschütz lo sustituyó en 1927 por el de dos giroscopios, suprimiendo precisamente aquel que tenía el eje orientado en la línea Norte-Sur. Los otros dos, cuyo momento cinético da una componente directriz Norte-Sur y otra estabilizadora Este-Oeste, se conservaron. Sus ejes forman, estando en reposo, un ángulo de 45 grados con el meridiano. Los movimientos en acimut de los dos giroscopios son siempre, como en el compás precedente, independientes de los de la rosa, estando los ejes obligados solamente a formar ángulos iguales con la línea Norte-Sur e inferiores a 45 grados, pero que aumentan de valor cuando disminuye la latitud. En la figura que sigue se ve que el conjunto equivale a:

1) Un toro de eje Norte-Sur y momento cinético 2 S cos  .
2) Dos toros de eje Este-Oeste y momentos cinéticos S sen   y -S sen  . La resultante de estos dos últimos es nula y, por tanto, pueden modificarse sus acimutes sin necesidad de aplicar ningún par. No se oponen al movimiento en acimut del toro Norte-Sur. Su fuerza directriz es nula y el aparato equivale, desde el punto de vista direccional, a un toro de eje orientado en la línea meridiana y de momento cinético 2 S cos  .
Las componentes Este-Oeste de los momentos cinéticos tienen por objeto mantener la línea Este-Oeste del compás casi horizontal a pesar de las componentes en ese plano de las aceleraciones producidas por los balances. El modelo primitivo no tenía esta estabilización y se comprobó con los balances un desvío permanente que era máximo a rumbos cuadrantales. Los cálculos y las observaciones prácticas demostraron que este desvío estaba ocasionado por el movimiento en el plano Este-Oeste del péndulo equivalente al elemento sensible (toros parados) y se buscaron los medios para oponerse a ese movimiento.
El procedimiento utilizado consiste en dar a las oscilaciones del sistema pendular en ese plano un período muy largo con relación al de los balances.

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Desde el punto de vista direccional, el conjunto de los dos toros equivale a otro de eje Norte-Sur y momento cinético 2Scos

Observación- Esta estabilización se conseguía en la Sperry de contrapeso sólido por la adición de un pequeño giroscopio llamado “giroscopio balístico”, de eje Este-Oeste, el cual estaba fijo a la caja del rotor principal.
Ya no se emplea en las actuales, ni en la Brown tampoco. En estos equipos el péndulo equivalente se mantiene constantemente dirigido según la vertical verdadera por el efecto amortiguador de la viscosidad del mercurio o del aceite, a pesar de las aceleraciones de períodos cortos que producen los balances.
Movimiento de los toros. Cada toro va movido por un motor de inducción trifásica, de 120 voltios de tensión y 333 períodos de frecuencia. Su velocidad rotativa, susceptible de variación, está comprendida entre 17.000 r.p.m. para las latitudes navegables más altas y 30.000 r.p.m. para las latitudes próximas al ecuador. Cada toro pesa aproximadamente 2.2 kilos.


d)  Esfera giroscópica y esfera envolvente


Todo el elemento sensible, o sea los dos giroscopios, el sistema de amortiguamiento y la bobina de la que hablaremos más adelante, está contenido en una esfera de aluminio recubierta de ebonita, de unos 25 centímetros de diámetro y rellena de hidrógeno. Esta esfera se coloca dentro de otra, no hermética, de unos 26 centímetros de diámetro y se mantiene flotando en un líquido compuesto a base de agua destilada acidulada y glicerina en proporción de 13,5 partes de agua por 1 de glicerina. La densidad del líquido es de 1,020 a 200 C. y a esa densidad apenas flota la esfera giroscópica; cuando está parada descansa suavemente en el fondo de la envolvente. Pero cuando se pone en marcha, la bobina que lleva en su parte inferior, llamada de repulsión y que se alimenta de una de las fases de los toros, crea un campo alterno que induce en la parte metálica de la envolvente una corriente alterna cuyo campo se opone constantemente al de la bobina y por tanto se repelen. Su intensidad está calculada para que ambas esferas, la giroscópica y la envolvente, queden concéntricas. El centro de gravedad del elemento sensible está algo más bajo que el común de las dos esferas, que es donde se ejerce el empuje. El aparato es, por tanto, pendular, es decir, direccional.

e) Alimentación


La corriente se lleva a los casquetes polares de la envolvente y a dos contactos ecuatoriales diametralmente opuestos. Enfrente de estas superficies polares grafitadas se disponen en la esfera giroscópica otras dos análogas y una banda semicircular ecuatorial con sus extremos frente a los contactos. La conductibilidad se obtiene a través del liquido dándole el grado de acidez conveniente. Para cada fase, la corriente útil circula radialmente, en el seno del líquido, de la superficie exterior a la interior correspondiente. Hay una pequeña pérdida de corriente que circula circunferencialmente por el líquido, pero como es alterna no produce electrolisis.

f) Refrigeración


La glicerina añadida al agua destilada tiene por objeto evitar que ésta se congele, cuando el compás está parado, en países fríos. Cuando se pone en marcha, la energía eléctrica que alimenta al compás calienta el líquido y como su densidad es variable con la temperatura, se regula ésta mediante un sistema de circulación de agua dulce, para que se mantenga a 40º C, a cuya temperatura la densidad es correcta para mantener el elemento sensible centrado con la esfera envolvente. El agua se pone en circulación por una bomba que aspira de un depósito que a su vez es enfriado por agua de la mar. Lleva un termostato que actúa sobre la circulación del agua cuando la temperatura llega a 42º C. Si la temperatura pasa de este valor, por avería de la bomba o por cualquier otra razón, el termostato hace funcionar una señal de alarma doble: luz roja y zumbido.


g) Repetidores


La transmisión de las indicaciones de la esfera giroscópica que contiene al elemento sensible, está basada en el principio del puente de Wheatstone. Hemos dicho que la envolvente tenía dos casquetes polares y en el ecuador dos contactos diametralmente opuestos y que la esfera giroscópica tenía también dos casquetes conductores enfrente de los de la envolvente y en el ecuador una banda semicircular de carbón cuyos extremos quedaban también frente a los dos contactos ecuatoriales de la envolvente. Tenemos pues, cuando el barco va a rumbo, dos resistencias fluidas e iguales a uno y otro lado de la esfera giroscópica; pero si da una guiñada, la bitácora y la envolvente la siguen, mientras que el elemento sensible permanece fijo. Entonces ya no son iguales las distancias entre los electrodos correspondientes, ni, por tanto, tampoco las resistencias. Hay desigual caída de tensión entre los electrodos de la envolvente y los extremos del anillo semicircular de la esfera giroscópica. Esta desigualdad de tensión se aplica, para amplificarla, a la rejilla de una válvula electrónica. La tensión de salida de la válvula se utiliza para regular un motor monofásico o de inversión, llamado también motor seguidor, que mueve a la esfera envolvente hasta que los electrodos están de nuevo correctamente alineados. Al mismo tiempo, el seguidor, por medio de un tren de engranajes mueve un transmisor que gobierna los motorcitos monofásicos de las rosas de los repetidores.

h)  Amortiguamiento


Observemos primeramente que, bajo el punto de vista direccional, el aparato se comporta como si estuviera constituido por un solo giroscopio orientado según la línea Norte-Sur de su rosa, que es como lo supondremos en el razonamiento que sigue. Además, aunque en este caso el continente del líquido amortiguador es un anillo circular dividido en ocho compartimientos iguales, 4 al Este y 4 al Oeste, en vez de dos botellas dispuestas paralelamente a la línea Norte-Sur de la rosa, diremos botella Norte y botella Sur, haciéndose siempre la comunicación según la dirección Norte-Sur de la rosa paralela a la componente directriz del momento cinético de los dos giroscopios.
El sistema de amortiguamiento es en todo parecido al de la Brown. Al par de adrizamiento del eje horizontal -B  debido a la suspensión pendular del aparato, se opone, con retardo, un par de eje también horizontal, originado por el paso del líquido viscoso de la botella alta a la botella baja.
Puesto el aparato en marcha, en el hemisferio Norte, con el eje horizontal y el extremo Norte al Este del meridiano, por efecto de la rotación terrestre, se inclina el eje con el extremo Norte por encima del horizonte. Si   es el ángulo acimutal y   la inclinación sobre el horizonte, sabemos que la velocidad del extremo del momento cinético tiene por componente horizontal:

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y por componente vertical:

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Como los únicos pares activos son de eje horizontal, esta última componente es nula y tendremos:

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fórmula en la cual se ve que d /dt se anula cuando alfa=0, es decir, cuando el eje está en el meridiano, en cuyo momento su inclinación es máxima. La componente horizontal es igual a la resultante de los ejes de los pares activos: -B  y el del líquido, que llamaremos X. Se tiene pues:

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Al empezar a inclinarse el eje pasa el aceite muy lentamente de la botella Norte a la botella Sur. El par creado se opone a -B  con intensidad mínima al principio, pero creciente. Al paso por el meridiano -B  es máximo y disminuye cuando el eje pasa al Oeste, mientras que X sigue aumentando aún algunos instantes. La precesión al Oeste es por tanto muy lenta al principio y el efecto de oposición de X es superior al que tenía al Este. El desvío acimutal que se produzca será inferior al inicial al Este. Al volver el eje hacia el meridiano, lo hace ahora con su extremo Norte por debajo del horizonte; -B  cambia inmediatamente de sentido, pero no ocurre igual con X, pues el aceite sigue pasando aún unos instantes a la botella Sur. El mayor contenido de aceite en esta botella producirá un par que se sumará a -B  y acelerará al principio la precesión. El efecto de oposición de X perdurará después, mientras el eje esté desviado al Oeste, pero con menos intensidad que cuando el extremo Norte estaba levantado. La precesión hacia el meridiano continuará, pues, constantemente superior a cuando se apartaba con el Norte por encima del horizonte. La inclinación del eje al cruzar por el meridiano será pues menor a la alcanzada a su paso en la precesión hacia el Oeste.
Rebasado el meridiano, encontramos de nuevo entre -B  y X la misma relación que después del paso con el Norte elevado. Como el eje parte del meridiano con menos inclinación, llegará al horizonte con un desvío acimutal también menor. Asistimos por tanto a la disminución progresiva del desvío acimutal máximo. En lugar de la elipse descrita por el extremo del eje del aparato, sin amortiguamiento sobre un plano vertical colocado de Este a Oeste, tendremos ahora, en ese mismo plano, una espiral alrededor de la línea meridiana. El eje acaba por estabilizarse en el meridiano con una pequeña inclinación  o. Se tiene entonces

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El par resultante aplicado al giroscopio es justo suficiente para que el eje siga la línea meridiana llevado por la tierra en su rotación. Además, en relación con   : en la posición de equilibrio y proporcionalmente a la inclinación hay más aceite en la botella baja.

i)  Desvío balístico


Sabemos que para eliminar el desvío balístico es preciso que

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relación que varía con la latitud. Para que se conserve cualquiera que sea el valor de PEGAR IMAGEN 3214 Anschütz modifica el momento cinético S variando la velocidad de rotación de los toros. El motor generador que alimenta a éstos lleva un regulador de velocidad provisto de un cuadrante graduado en latitud, que la puede modificar de 17.000 a 30.000 r.p.m.. dando a cada latitud la velocidad correspondiente para corregir el desvío balístico. Como cos  disminuye cuando aumenta  , S varía en sentido contrario a la latitud y disminuye la fuerza orientadora cuando aumenta la latitud y, como por otra parte, próximos a los polos también disminuye la fuerza directriz debida a la rotación terrestre, este método de variar B/S no deja de tener sus inconvenientes. No obstante, en las latitudes navegables el aparato se comporta perfectamente, lo que demuestra que el sistema de suspensión elimina casi por completo los pares perturbadores originados por rozamientos, y, aunque la fuerza directriz del compás sea pequeña, sus indicaciones son correctas.

j)  Bitácora


El compás pende de unos muelles que lleva la suspensión cardan. El mortero tiene una ventanilla para inspeccionar la esfera giroscópica a través de la envolvente y leer su graduación ecuatorial. En su tapa van montados el tren de engranajes del sistema repetidor, el motor seguidor, el mecanismo de la rosa y el termostato.

k)  Observación


Como el elemento sensible es esférico, sus momentos de inercia son iguales en todas direcciones y no necesita masas compensadoras.

2.3 Giropilotos



El giropiloto es un aparato que, maniobrando el timón de un buque o los timones de una aeronave se utiliza para mantenerlos automáticamente, sin necesidad de timonel o de piloto, sobre un rumbo prefijado. Su uso, a bordo de los buques, se remonta al año 1922, en que, por primera vez, fue instalado un piloto automático marca “Sperry” a bordo del buque tanque J.A. Moffat. Los primeros equipos, sencillos y robustos, operaban sobre el telemotor hidráulico del buque con lo cual había una pérdida de movimiento, que disminuía notablemente su eficacia y rendimiento, quedando, además, sujeto a todas las perturbaciones propias de los telemandos hidráulicos. Para evitar estos inconvenientes, los equipos posteriores disponen de un sistema completo de telemotor eléctrico, que actúa directamente sobre el timón, independientemente del telemotor existente en el buque. La evolución, en su aspecto general y en detalles, de los pilotos automáticos o giropilotos ha dado por resultado unidades perfectamente logradas, aptas para reaccionar cuando el buque se separa 1/6 de grado del rumbo previsto y capaces de mantener el rumbo del buque con un error menor de 0,4 grados en condiciones de buen tiempo. Una de las grandes ventajas del uso del giropiloto, desde un punto de vista económico y de eficacia militar, es la de hacer que el buque siga una derrota más exacta con menos uso del timón, lo cual reporta una economía de un 2 a 2,5 por ciento de combustible ciertas condiciones, dada la disminución de velocidad que ocasionan las guiñadas, un aumento de velocidad de un 1 a 1,4 por ciento.
Todas las casas constructoras de agujas giroscópicas han lanzado al mercado sus propios equipos de piloto automático, diseñados para funcionar en combinación con sus giroscópicas, que, aunque diferentes en detalles y realización, tienen el mismo principio de funcionamiento. La forma de operar, refiriéndose al esquema eléctrico del giropiloto “Brown” tipo “E”, es la siguiente. Cuando el buque va a rumbo, los dos troles, conectados al positivo de la línea de alimentación general, están en contacto con los dos contactores que, a través del interruptor de limite de carrera, alimentan las bobinas E del relé del motor impulsor. Los electros de dicho relé, ocupando las posiciones indicadas en la figura, ponen en corto el inducido del motor impulsor, que se encontrará parado. Al caer el buque a una u otra banda, el repetidor de la aguja giroscópica mantiene fijos, en su posición actual, los contactores, mientras unos de los troles, que siguen el movimiento de la guiñada del buque, rompe su contacto con su correspondiente contactor. La bobina del relé del motor impulsor conectada a dicho contactor de desactiva, y su electro, por la acción de un muelle, cierra el contacto opuesto.

En esta posición de las armaduras del relé, el motor impulsor es recorrido por una corriente, que determina su giro en uno  u otro sentido, dependiente de la bobina desactivada. El giro del motor impulsor actúa sobre las válvulas de la máquina de gobierno del timón, que se moverá en el sentido conveniente para corregir la guiñada del buque. Al mismo tiempo, el motor impulsor acciona el transistor de ángulos de timón, cuyo repetidor mueve los contactores del sistema de control, deshaciendo el giro provocado por el repetidor de la aguja giroscópica y llevándolos a su posición inicial. De esta forma se limita el ángulo de metida del timón, que queda reducido al preciso para que el buque reaccione y vuelva a rumbo. En serie con las bobinas del relé van los interruptores de limite de recorrido que, al alcanzar el timón su máximo ángulo de metida, se abren, desactivan las bobinas del relé y, por tanto, ponen en corto el inducido del motor impulsor, que se parará.
El dispositivo de alarma funciona ante cualquier anormalidad de la aguja giroscópica, cerrando el circuito del timbre de alarma y abriendo el circuito de las bobinas del relé.
El dispositivo mecánico de un giropiloto se puede apreciar en la figura siguiente, fabricado por la casa “Sperry Gyroscope Company, Ltd.”.

La placa de control tiene tres posiciones: OFF, para gobernar con el sistema telemotor del buque; HAND, para gobernar con el giropiloto como si fuese un telemotor eléctrico y GYRO, para el gobierno automático controlado por la aguja giroscópica. Estas operaciones las realiza el embrague electromagnético que, en la posición de 0FF o cuando falta el suministro de corriente, desconecta el motor impulsor del eje de engranajes, cuya cremallera actúa sobre las válvulas de la máquina de gobierno del timón. La rueda del timón, a través de un engranaje diferencial, mueve los anillos de contacto, en la posición de gobierno automático, y los anillos de control, en la posición de gobierno a mano. El mecanismo diferencial impide que gire el servomotor al moverse la rueda del timón y el embrague de fricción impide que la rueda del timón de vueltas durante el gobierno automático. Para el gobierno automático, con la rueda del timón se mueven los anillos de contacto hasta que ocupen, con relación a los troles, la posición correcta correspondiente al rumbo del buque. En el transcurso de la navegación, los cambios de rumbo se efectúan de igual forma, teniendo en cuenta que una vuelta de la rueda del timón produce aproximadamente un cambio de rumbo de 3 grados. La posición correcta de los anillos de contacto es la indicada en la figura; los troles hacen contacto con, los anillos ASI y AS2. En estas condiciones, como el repetidor de la aguja giroscópica mantiene los troles en una posición invariable en el espacio, cualquier guiñada del buque produce un desplazamiento relativo entre los troles y los anillos de contacto, de tal forma, que uno de sus circuitos se abre y pone en funcionamiento el servomotor. Los movimientos del servomotor se transmiten, a través de un engranaje directo, a los anillos de contacto y, a través del mecanismo diferencial, a los anillos de control y al indicador de órdenes al timón. El movimiento transmitido a los anillos de contacto deshace el movimiento de la guiñada y los lleva a su posición correcta de reposo, con lo cual se para el servomotor. El movimiento transmitido al indicador de órdenes al timón permite leer, sobre una escala graduada, el número de grados que mete el timón a una u otra banda. El movimiento transmitido a los anillos de control, rompiendo la posición de equilibrio eléctrico del circuito del motor impulsor, lo pone en movimiento. El funcionamiento del dispositivo de control es similar al de los anillos de contacto, con la única diferencia que en la posición de reposo los troles hacen contacto con los anillos aislados. Los movimientos del motor impulsor se transmiten, a través de un eje de engranajes, a una cremallera que acciona las válvulas de la máquina de gobierno del timón, al transistor sincrónico y al interruptor de límite de recorrido. El receptor sincrónico, gobernado por las señales de su transmisor, mueve los troles del mecanismo de control llevándolos a la posición de reposo, con lo que el motor impulsor se para. El interruptor de límite de recorrido, ajustado para la máxima abra utilizable del timón, funciona de una forma análoga a la ya vista. El dinamotor utilizado en este grupo, convierte la corriente continua de la alimentación general del buque en corriente alterna a 110 voltios y 60 ciclos por segundo, necesaria para el funcionamiento del transmisor y del receptor sincrónico, y los relevadores de la unidad de control que gobiernan los interruptores de arranque del motor impulsor.
En el gobierno a mano, el repetidor de la aguja giroscópica se desconecta y el servomotor deja de funcionar. La rueda del timón, ahora, actúa directamente sobre los anillos de control, que gobiernan, como ya se ha dicho, los movimientos del timón.
Los equipos de piloto automático llevan dos ajustes:
el ajuste de tiempo y el ajuste de timón. El primero, ajuste de tiempo, controla el tiempo muerto que transcurre entre la guiñada del buque y la metida de caña; por ejemplo, en la posición de 1º permite que el buque guiñe un grado a banda y banda sin que actúe el giropiloto; normalmente se coloca en la posición CERO, pero en caso de mal tiempo es conveniente  abrirlo para impedir una acción excesivamente continuada del gobierno a una y otra banda. El ajuste de timón varía el ángulo de medida del timón; por ejemplo, a su posición en 2 indica que inicialmente el timón se mueve 2º antes de detenerse, siendo las medidas sucesivas proporcionales a este valor y a la amplitud de la guiñada. En buques mercantes la posición normal del ajuste de timón es de 0º a 2º para un buque en lastre, y de 20 a 4 para un buque cargado.
Para yates y embarcaciones pequeñas, han surgido multitud de modelos en los que el elemento director es una aguja magnética. Dan buen resultado y son mucho más baratos.

3. Conclusiones



A lo largo del trabajo se ve como ha ido evolucionando el giróscopo en sus casi 150 años de vida.
Si bien los giróscopos actuales, presentes en multitud de instrumentos de guiado inercial, no se parecen mucho al primer giróscopo construido en 1852 por Foucault, sí conservan sus propiedades fundamentales. Estas propiedades y sus características, se ven con claridad en las aplicaciones del giróscopo. De hecho, son las aplicaciones la parte principal del trabajo, ya que en ellas es donde podemos encontrar hoy en día a éstos singulares aparatos.
El apartado descripción del giróscopo presenta una mayor explicación desde un punto de vista físico, entrando en aspectos como la dinámica o el movimiento de rotación.
Sin embargo, he creído conveniente excluir este tipo de desarrollos de la segunda parte del trabajo: las aplicaciones. En ésta sección he intentado evitar referencias a los aspectos electrónicos de los girocompases, y solamente hacer referencias a las ecuaciones físicas cuando era realmente necesario.
En definitiva, he intentado realizar un trabajo de investigación lo más completo posible, intentando abarcar desde los orígenes del giróscopo hasta sus aplicaciones actuales, pero orientándolo en todo momento hacia la navegación y evitando introducir aspectos técnicos que pudiesen entorpecer la lectura del mismo. De hecho he intentado complementar los desarrollos técnicos con ilustraciones que ayudasen a su comprensión. De modo que espero que la información aquí contenida haya servido para conocer un poco más a fondo lo referente a éste excepcional aparato llamado giróscopo.

4. Bibliografía



Citas en programas informáticos
1.- ENCICLOPEDIA ENCARTA 2000, Microsoft.

Citas de libros:


2.- “Enciclopedia General del Mar” Ed. Garriga. Tomo IV pp 844-851 Barcelona.
3.- A. TIPLER, Paul (1978) “Física” Ed. Reverté. Tomo I pp 387-389 Barcelona.
4.- ROPARS, J (1965) “El compás giroscópico” Ed. Gustavo Gili, pp 65-113 Barcelona.

Autor:

Rubén Alvarez Martínez





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