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Qué es el Efecto Giroscópico y cómo influye en los Movimientos Orbitales

Creada09-11-2007
Modificada22-06-2015
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Marzo14

Los Movimientos de Rotación

¿Creíais que habíamos terminado?

No, desde luego. Aún falta agregar al Sol a la ecuación de movimientos de la Tierra, pero es que además, ni siquiera hemos terminado con los movimientos que afectan a la Tierra y la Luna. Faltan por explicar varios movimientos más aún antes de considerar al Sol.

Tranquilos, una vez explicados los siguientes movimientos que afectan a la Tierra y la Luna tendremos mucho más fácil explicar cómo el Sol afecta a dichos movimientos.

En todo lo dicho hasta ahora hemos visto cómo son alteradas las órbitas de la Tierra y la Luna. Pero casi no hemos tenido en cuenta la rotación de la Tierra y la Luna. Todos los cuerpos celestes tienen un movimiento de rotación, y eso hace que también tengan un plano de rotación.

Sería muy improbable que el plano de rotación de un planeta coincida exactamente con su plano orbital. El ecuador de la Luna, por ejemplo, está inclinado casi dos grados con relación a su propio plano orbital, pero el caso de la Tierra es aún peor.

Pero antes debo explicaros otro nuevo fenómeno.

El efecto Giroscópico

Como ya dijimos antes, el plano orbital de la Luna está inclinado con respecto al plano ecuatorial de la Tierra. Eso significa que durante algún tiempo la Luna estará por encima del Ecuador terrestre y el resto por debajo. Esto a su vez provoca un efecto conocido como Efecto Giroscópico, difícil de explicar y entender, pero vamos a intentarlo.

Imaginemos una bola viajando por el espacio. Su movimiento será rectilíneo y uniforme (MRU), sin sufrir ninguna modificación en su dirección ni en su velocidad.

Desviación de un Movimiento Rectilineo Imaginemos que, en un momento determinado, le aplicamos una fuerza lateral, un pequeño empujón. La bola cambiará su dirección y, según la dirección de la fuerza aplicada, podrá cambiar también su velocidad, pero una vez alejado de la fuerza que la alteró, la bola seguirá su camino de nuevo en MRU, aunque en una dirección y a una velocidad distintas a las originales.

Esta imagen que acabamos de describir es una imagen habitual que todos podemos entender sin dificultades.

Desviación de un Movimiento Rotatorio Ahora imaginemos lo siguiente: la bola no se desplaza en línea recta, sino que, atada a una cuerda, da vueltas alrededor de un punto fijo que es el centro de rotación. La bola describe, pues, un círculo y su movimiento es un movimiento circular uniforme (MCU). La trayectoria de la bola determina un plano de rotación y, si no se le aplica ninguna fuerza, este plano es fijo, no se inclina en ninguna dirección.

En el momento en que la bola pasa por la parte más cercana a nosotros de su trayectoria, le aplicamos una fuerza perpendicular a su movimiento. Tal como en el ejemplo anterior, la bola desvía su trayectoria, pero en este caso la bola está atada a un punto fijo, y una vez terminada la influencia de la fuerza que provocó la desviación, seguirá recorriendo un círculo alrededor de su eje, pero con una diferencia: El plano en el que se desplaza la bola se ha inclinado.

La forma en que se materializa esta desviación es la siguiente: El plano se inclina en una dirección que es la suma vectorial del vector del movimiento de la bola y del vector de la fuerza aplicada en el momento de producirse ese impulso. Si miramos desde arriba la bola y en ese momento la bola se desplaza hacia el Norte y la fuerza se aplica desde la izquierda, la bola se desviará hacia la derecha y el plano de rotación se inclinará, no, como parece evidente, en la dirección del empuje, sino en el sentido de las agujas del reloj.

Parece sorprendente porque hay muy pocas ocasiones en que podamos apreciar este fenómeno y por consiguiente no estamos acostumbrados a verlo, pero podemos comprobarlo con bastante facilidad con una llave atada a una cuerda y haciéndola girar verticalmente. El plano de giro permanecerá constante, pero si en un momento dado golpeamos la llave cuando va por arriba podremos ver fácilmente que el plano girará ¡horizontalmente, no verticalmente! en el sentido en que hayamos producido la desviación.

En un satélite que gire alrededor de un planeta (o un planeta alrededor de una estrella) ocurrirá exactamente lo mismo. Si no hay influencias externas, el plano de la órbita permanece constante, pero si una masa planetaria pasa cerca del satélite en un punto de la órbita, la fuerza de atracción desviará su curso, el satélite seguirá girando pero su plano orbital habrá girado. Y el punto de la órbita que sufre mayor desplazamiento no es el punto donde estaba el satélite cuando sufrió la desviación, sino, precisamente, un cuarto de vuelta más tarde.

¿Qué ocurriría si en vez de una llave atada con una cuerda usáramos una rueda de bicicleta?

Pues depende de si la rueda está parada o girando.

Si la rueda está parada y la empujamos en un punto, dicho punto será el que sufra una mayor desviación de su posición original.

Desviación de una Rueda Girando Pero si la rueda está girando a bastante velocidad y la empujamos en un punto, el punto que sufrirá mayor desviación estará a noventa grados en la dirección del giro de la rueda.

Realmente, cuesta mucho hacer que una rueda girando cambie su eje de rotación y si lo intentamos con la fuerza suficiente el eje girará pero no en la dirección en la que la estamos empujando sino ¡a noventa grados de esa dirección!

Es decir, para prever en qué dirección se va a desviar el eje de rotación de un cuerpo en movimiento giratorio bajo la influencia de una fuerza debemos hacer un ejercicio mental al que no estamos habituados pero que, una vez conocido y comprendido, es fácil de calcular:

Si aplicamos una fuerza en un punto de un cuerpo rotatorio, ¿dónde va a estar ese punto cuando haya dado un cuarto de vuelta, es decir, cuando haya girado 90º?

Pues ESE punto es el que sufrirá un mayor efecto a causa de la fuerza que estamos aplicando.

Antes de continuar consideremos un hecho importante que, si no tenemos en cuenta nos podría llevar a futuras confusiones. Observad la flecha amarilla dibujada en la parte superior de los dos últimos gráficos.

Esa flecha indica cómo se va a desviar el plano de rotación de la rueda, pero en la rueda no hay nada, ningún átomo ni vector de fuerzas que apunte en esa dirección. El lugar donde se produce la desviación de cada átomo que compone la rueda es el punto donde se aplica la fuerza, y como los átomos están unidos entre sí por fuerzas electromagnéticas esta fuerza se transmite a todos sus átomos adyacentes produciéndose una desviación muy paulatina de tal forma que cuando apreciemos visualmente que la rueda se ha inclinado, cada átomo habrá dado muchas vueltas.

Creo que esa es la forma más sencilla de explicar, sin fórmulas matemáticas ni gráficos complejos, el efecto giroscópico, aunque debo confesar que estoy haciendo algunas pequeñas trampas. Por ejemplo, no tengo en cuenta que para empujar hay que tocar, y si tocamos una rueda giratoria habrá roce, y resistencia, y la rueda será frenada. Al mismo tiempo, el centro de gravedad de la rueda también sufrirá un desplazamiento.

Obviemos el primer inconveniente sustituyendo la fuerza de empuje por una fuerza de atracción, como por ejemplo, con un imán sobre un anillo metálico o una masa que ejerza una atracción gravitatoria sobre la masa de la rueda, y asumamos que el desplazamiento resultante del centro de gravedad de la rueda se ve compensado por otra fuerza de similar intensidad y sentido contrario.


Creo que aquí conviene hacer una pausa y recapacitar sobre ello.

Los efectos de una fuerza en un objeto en movimiento podemos comprenderlos con facilidad porque los vemos continuamente en nuestra vida cotidiana y nuestros cerebros están acostumbrados a comprenderlos y calcularlos de una forma tan inconsciente que podemos jugar al ping-pong, al fútbol o cualquier otra forma de interactuar con el mundo físico sin que nuestra mente sea consciente de los complejos cálculos de trayectorias, fuerzas y vectores que son necesarios para colocar una pelota en el campo del oponente.

Pero los efectos de una fuerza en un cuerpo en rotación son más infrecuentes y cuando observamos algunos fenómenos vemos cosas que en principio no llegamos a comprender y que, sin conocer el efecto giróscopico, parecen mágicas.

¿Cómo explicaríamos, si no, el hecho de que un trompo esté bailando sobre su punta en un equilibrio aparentemente inestable sin llegar a caer?

Con las explicaciones dadas hasta ahora es fácil de comprender, aunque al no estar nuestro cerebro entrenado para ello, dichos cálculos debemos realizarlos conscientemente.

Trompo en RotaciónSi el trompo no estuviera girando, al colocarlo sobre la punta se caería de una forma tan simple que no hace falta que nos molestemos en explicarla: Nuestro cerebro, entrenado para ello desde el nacimiento, nos permitirá prever cómo se producirá ese vuelco.

Al estar girando, mientras nuestro cerebro no tenga el entrenamiento necesario, deberemos calcular conscientemente cómo reaccionará el trompo a la fuerza de la gravedad.

En primer lugar consideremos que la Tierra ejerce una fuerza hacia el suelo sobre el trompo, fuerza que por simplificar consideraremos que se ejerce sobre el centro de gravedad.

Como la punta del trompo, apoyada en el suelo, impide que éste descienda, la fuerza se descompone en dos fuerzas perpendiculares, una hacia la punta del trompo y otra perpendicular a ella, hacia la parte más baja del ecuador del trompo.

La magnitud de cada fuerza dependerá de la inclinación del trompo. La fuerza hacia la punta del trompo no afecta para nada a su posición y movimiento, por lo que podemos ignorarla a partir de ahora: Sólo queda la fuerza lateral que debería hacer que el eje de rotación del trompo se incline hacia el suelo.

Al intentar inclinar el eje de rotación, esta fuerza podemos visualizarla como dos fuerzas que se aplican en extremos opuestos del ecuador del trompo, y en ese momento tenemos el mismo ejemplo que en la rueda de bicicleta. ¿Dónde va a estar ese punto un cuarto de vuelta más tarde? Pues ese punto es el que descenderá, y al hacerlo el eje del trompo caerá, pero no en dirección al suelo sino hacia el punto que ha descendido. Y al hacerlo, el punto que antes estaba más cerca del suelo ¡ha ascendido!

Como resultado, el trompo conserva la misma inclinación con respecto al suelo, pero ahora su eje apunta en otra dirección.

Y al estar en la misma situación que al principio nos podemos preguntar de nuevo ¿qué ocurrirá ahora?. Y lo que ocurrirá es exactamente lo mismo que acabamos de describir, el punto más bajo del ecuador del trompo intenta caer, pero esa fuerza hace que reaccione el punto del ecuador situado 90º más tarde, y al descender dicho punto se eleva el que antes estaba más abajo.

Y así sucesivamente, con el trompo bailando continuamente sin que en ningún momento cambie su inclinación respecto al suelo.

Si no hubiera otras fuerzas que intervinieran en el proceso, el trompo quedaría bailando para siempre apoyado en el mismo punto y sin caer, pero debido a otros muchos factores (el tamaño de la punta, el rozamiento del aire, etc.) la rotación va siendo cada vez más lenta hasta que en un momento dado es insuficiente para compensar los efectos de la mecánica 'clásica' y acaba decentemente tumbado en el suelo.

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