La instrumentación basada en giróscopos (II)

El indicador de rumbo, o giroscopio direccional, proporciona al piloto la dirección del avión en grados magnéticos. No es una brújula, aunque puede hacer las mismas funciones. La brújula se ve afectada por las variaciones magnéticas y si el viento es turbulento se vuelve aún menos precisa, por lo que este instrumento ha quedado como un elemento obligatorio de emergencia pero su uso se restringe al caso de fallo de otros instrumentos o como complemento a otros. 

El indicador de rumbo es un instrumento bastante preciso, pero se ve afectado por la precisión. La precesión giróscopica es la tendencia de los giróscopos a desviarse con el paso del tiempo o con el cambio de posición (precesión aparente). El giro direccional da al piloto una indicación mucho más fácil de interpretar que la brújula, aunque como todos los aviones, disponen también de una. La brújula se ve muy afectada por los movimientos del avión y sus indicaciones no son exactas en los virajes, las aceleraciones y las deceleraciones. Con la brújula se toma la referencia para ajustar el giro direccional.

Este instrumento, al funcionar sobre la base de un giróscopo es mucho más estable y permite eliminar los defectos de la brújula magnética. El giróscopo que rota en el interior del instrumento suele accionarse con la succión o vacío creado por los motores de émbolo, o bien eléctricamente, por medio de motores de corriente continua. En aviones pequeños, cada cierto tiempo (entre 15 y 20 minutos) se debe de comprobar que el rumbo es correcto. Cuando se han producido desviaciones en las indicaciones del instrumento, el piloto puede nivelar su avión y ajustar el rumbo con la brújula magnética. Este instrumento es muy antiguo, data de los años 20 y constituyó la base del primer piloto automático, el Sperry. A veces se le suele llamar erróneamente giro-compás, pero éste es un dispositivo de navegación marítima que nada tiene que ver.

Sistema de succión para crear vacío y mover los giróscopos de los aviones pequeños con motor de émbolo. El aire pasa por un filtro y luego entra en los instrumentos moviendo los giróscopos. La bomba de succión es movida por el motor. Un regulador se encarga de mantener la succión constante

Otras aplicaciones de los giróscopos

Alguna de las aplicaciones industriales iniciales de estos elementos fue servir como sistema de guía a los primeros torpedos, permitiendo programar una rudimentaria ruta a seguir antes del lanzamiento y corregir las desviaciones sobre la marcha, hasta cierto punto. 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). También se utilizan giróscopos mecánicos para disminuir el balanceo de navíos y para estabilizar plataformas de tiro. Los sistemas giroscópicos mecánicos más sofisticados en aviación eran aparatos como el que se puede ver a continuación de la casa Sperry. Estaban compensados eléctricamente para no tener que corregir el rumbo periódicamente.

El  giroscopio direccional lleva en su interior un giróscopo (una masa que gira a gran velocidad) montado en un sistema cardánico o suspensión cardan. El giróscopo rota sobre un eje horizontal a diferencia del horizonte artificial que lo hace en el eje vertical. El eje de giro es lo que determina el nombre del giróscopo. Un giróscopo horizontal tienen el eje en el mismo plano. El giróscopo de este instrumento es el que se muestra en la ilustración.

En el clip se puede ver como la caratula con los rumbos esta ligada al marco cardánico exterior (outer gimbal) por medio de una corona dentada.

En los instrumentos movidos por aire de succión el rotor lleva unas muescas en su borde exterior para que el aire de la succión impacte y haga rotar a la masa. Cuantas más revoluciones se puedan imprimir al rotor, más rigidez en el espacio (mayor precisión y menor precesión). Teóricamente un giróscopo que rote muy deprisa y despreciando los errores debidos a la maquinaria, la fricción, etc, se podría mantener apuntando con su eje hacia la referencia elegida todo el tiempo. En la ilustración que sigue se puede ver uno de estos giróscopos apuntando en la misma dirección en el espacio independientemente del movimiento de la tierra.

Desde una posición fija en la tierra nos parecerá que el giróscopo ha sufrido precesión (ha movido el eje hacia el que apuntaba). Esto es lo que se denomina precesión aparente y es debida a que nosotros nos movemos con la tierra, mientras que el giróscopo se mantienen apuntando en la misma dirección.

Este efecto de apuntar siempre en la misma dirección, que en principio parece deseable, también puede dar lugar a indicaciones erróneas en los aviones. Todo depende de la posición de la tierra en la que se encuentre el giróscopo y del eje en el que este rota. Para comprenderlo vamos a ilustrarlo de la siguiente forma, imaginemos que nos encontramos en el polo norte delate de un giróscopo que rota en el eje vertical. Este giróscopo es el que se usa en los horizontes artificiales. Tal como se aprecia en la ilustración, después de 12 horas en el polo (aparte de pasar mucho frío), no nos habremos dado cuenta de que habremos dado una vuela alrededor del giróscopo. Este se mantiene apuntando con la parte roja de su eje hacia la estrella polar perfectamente vertical. 

Por el contrario, si nos encontramos en el ecuador, la parte del eje de color roja que nos parece perfectamente vertical, acabará inclinándose para apuntar hacia abajo después de 12 horas. El giróscopo no ha cambiado de dirección, somos nosotros los que hemos rotado con la tierra. esto es lo que se denomina en inglés "Gyro Topple" o inclinación/caída del eje vertical. Si de lo que se trata es de un giróscopo que rota en su eje horizontal, como el que equipa a los giro-direccionales para el rumbo, las cosas es diferentes. En la ilustración inferior se puede ver que si estamos en el polo norte, nuestro giróscopo habrá rotado 180° (aparentemente) después de 12 horas. Ahora estará apuntando con su eje color rojo en la dirección opuesta, pero en realidad hemos sido nosotros los que nos hemos movido con la tierra. Esto es lo que se denomina en inglés "Gyro Drift", precesión o deriva en español. En el ecuador este efecto no ocurre, ya que nos movemos en el mismo plano de rotación que el rotor del giróscopo.

Son efectos muy curiosos debidos a las propiedades de los giróscopos.  En los siguientes posts seguimos hablando de estos efectos y su corrección en la instrumentación.