miércoles, 24 de febrero de 2016

JEAN BERNARD LEON FOUCAULT...EL PENDULO Y EL GIROSCOPIO


Físico y óptico francés, nacido en París , cuyas contribuciones a la astronomía, en diversos campos de investigación, han sido determinantes para la historia y el avance de esta ciencia.
Debido a su precaria salud cuando era niño, desarrolló una timidez que ya no le abandonaría en su toda su vida. Aunque no fue brillante en sus estudios, destacó siempre por sus habilidades manuales. Una vez conseguido el título de bachiller, hizo estudios de medicina, con especial interés por las técnicas de microscopía; sin embargo, nunca ejerció su profesión, sino que prefirió volcarse en la física y la química, concretamente en las técnicas de preparación de microscopios médicos. Cuando supo del descubrimiento de Daguerre, la fotografía, se mostró muy interesado, especialmente por su aplicación a sus investigaciones. Así, construyó algunos aparatos y también perfeccionó los de Daguerre, lo que le permitió lograr las primeras fotografías de preparaciones a través del microscopio.
Preocupado por la calidad de luz que se empleaba en el microscopio, aprovechó los recientes descubrimientos de Grove y Mutse en la fabricación de pilas eléctricas y construyó un arco eléctrico que producía una luz blanca y brillante, de calidad muy superior a las lámparas de gas de la época. Para esto, desarrolló un mecanismo que ajustaba automáticamente la distante entre los carbones del arco con el fin de obtener una mayor estabilidad de la luz. También se interesó por la cuestión de la velocidad de la luz -afán que compartía con otros grandes cerebros de la época-, así que construyó un aparato que comparaba la velocidad de propagación de la luz con la del agua, mediante el cual pudo demostrar que en este elemento la luz se propagaba más despacio. Colaboró con Fizeau en el experimento de la rueda dentada, lo que le permitió medir la velocidad de la luz desde parámetros terrestres. En 1845 fue editor del Journal de Débats.
Años más tarde, demostró la rotación de la Tierra mediante un péndulo de oscilación (péndulo de Foucault). Basándose en el principio de que una masa oscilante tiende a mantener inmutable su plano de oscilación, Foucault suspendió un alambre de acero de 67 metros de largo en una cúpula en el interior del Pantheón de París. En la extremidad inferior del alambre había colocado una esfera de acero, con una punta que trazaba, en cada oscilación, surcos sobre una capa de arena colocada en el pavimento. Si la Tierra girase alrededor de su propio eje, decía Foucault, la dirección de los surcos trazados cada vez, debería cambiar con el transcurrir de las horas. Su cálculo se mostró exacto y el movimiento rotatorio de nuestro planeta fue, por primera vez, demostrado de manera experimental.

Se dice que el invento del péndulo de Foucault es un producto de la casualidad. Cuando en 1848, León Foucault trabajaba en su taller intentando acoplar una pesada barra metálica a un torno, mientras era sostenida mediante un cable de acero, Foucault reparó en una curiosa propiedad. El conjunto del cable más la barra formaba un péndulo, que oscilaba en un plano vertical el cual permanecía invariable (aparentemente invariable en intervalos de tiempo de unos minutos). Foucault observó que este plano se mantenía incluso rotando el sistema de sustentación del cable, lo que marcaba una diferencia entre el sistema tierra y el sistema que giraba con el sistema de sustentación: para el primero se conservaba el plano de oscilación del péndulo y para el segundo, no.
La experiencia parecía indicar que el plano de oscilación sólo se conservaría para sistemas de referencia inerciales, lo cual predecía que, dado que la tierra también gira (lentamente), podría detectarse el cambio del plano de oscilación de un péndulo respecto a la tierra, si se proveen las condiciones necesarias de observación.
Foucault construyó sucesivamente dos péndulos: uno de dos metros en su taller y posteriormente uno de once metros en el Observatorio de París, observando una rotación en sentido horario del plano de oscilación. Entonces, se le encargó la construcción de algo más espectacular para la Exposición Universal de París. Foucault montó un péndulo de 67 metros en el Panteón de París (también conocido como Iglesia de Santa Genoveva). Usó una bala de cañón de 28 Kg a la que soldó una fina punta metálica. Suspendió el péndulo de la cúpula y esparció una capa de arena en el suelo, para que la punta marcara la posición del péndulo de una manera trazable. Protegió con una barandilla circular una zona de unos cinco metros de diámetro en la que llevar a cabo las oscilaciones, y puso en marcha una serie de demostraciones públicas. En ellas, el péndulo era separado de la posición inferior y retenido mediante una cuerda, que le impedía caer. Al comienzo de la demostración, se prendía la cuerda, que cuando se había quemado lo suficiente se rompía, iniciando la oscilación del péndulo. Al cabo de unos minutos, se podía percibir el progresivo regruesamiento de la traza de la punta del péndulo sobre la arena. Pasadas horas, la anchura del sector circular era de unas decenas de grados.
El éxito de este experimento, llevó a Foucault a idear otros similares, como el del giróscopo, que también originó una demostración pública en 1860 (aunque sin el éxito o la espectacularidad del péndulo).

Foucault puso en movimiento un péndulo que pesaba 28 kilos y medía 67 metros de largo, y registró que el nivel de oscilación del péndulo giraba lenta pero continuamente en dirección de la marcha del reloj. La causa de este giro es, según los físicos, la Fuerza de Coriolis, que lleva el nombre del físico francés G.G. Coriolis, 1792-1843), también llamada aceleración angular. Resulta del movimiento de giro del globo terrestre y provoca una desviación de las masas hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el sur. Además, las corrientes del aire y del mar globales están sometidas a la influencia de esta misma fuerza.
El experimento de Foucault permitió demostrar el movimiento rotatorio de la tierra. Un péndulo cuyo punto de sujeción le permite oscilar libremente en cualquier dirección es usado para repetir el experimento que el físico francés Foucault realizó por primera vez en público en París en 1851.
El péndulo consiste en una masa sostenida por un cable, que se mantiene en movimiento. Al estar bajo estas condiciones (ver gráficos), el plano de oscilación gira lentamente respecto a una línea trazada en la tierra, aun cuando la tensión del alambre que soporta a la masa y fuerza gravitacional sobre ella, se encuentran en un plano vertical.

GRAFICO 1
                                            'Péndulo de Foucault'
1.- Movimiento del plano pendular (en el sentido de las agujas del reloj).
2.- Desplazamiento del plano de oscilación debido a la rotación de la Tierra.
3-. Movimiento de rotación de la Tierra (en el sentido contrario a las agujas del reloj).
GRAFICO 2
                                                 'Péndulo de Foucault'
El periodo de oscilación es menor en los polos, en donde giraría una vuelta completa cada 24 horas, mientras que en el ecuador el plano de oscilación no experimentaría ningún sentido de rotación.

Con todo, su mayor contribución a la observación astronómica consiste, sin lugar a dudas, en la invención del método para construir espejos parabólicos, con el que abrió así el camino al desarrollo de los modernos telescopios de reflexión. Otro de los trabajos más interesantes de Foucault fue la invención del giroscopio ; también fue el primero en introducir, en el año 1857, una superficie reflectora de vidrio plateado que sustituía a las metálicas que se habían utilizado hasta entonces en la composición de los telescopios y los habían mejorado sensiblemente. En 1864 fue nombrado miembro de la Royal Society, y al año siguiente de la Académie des Sciences
EL GIROSCOPIO
El giroscopio fue inventado en 1852 , 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 no comprendía el por qué la velocidad de rotación del péndulo era 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. Foucault presentó así un aparato capaz de conservar una rotación suficientemente rápida (150 a 200 vueltas por minuto) 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.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 giroscopio, este se alinea con el meridiano. Esto permitió la invención del girocompás.Los giroscopios se han utilizado en girocompases y giropilotos. Los giroscopios también se han utilizado para disminuir el balanceo de navíos, para estabilizar plataformas de tiro y para estabilizar plataformas inerciales sobre las cuales están fijados captadores de aceleración para la navegación inercial en aviones y misiles construidos antes de la aparición del GPS. El efecto giroscópico es la base del funcionamiento de los juguetes trompo o peonza y dynabee.
El giroscopio o giróscopo es un dispositivo mecánico formado esencialmente por un cuerpo con simetría de rotación que gira alrededor de su eje de simetría. Cuando se somete el giroscopio a un momento de fuerza que tiende a cambiar la orientación del eje de rotación su comportamiento es aparentemente paradójico ya que el eje de rotación, en lugar de cambiar de dirección como lo haría un cuerpo que no girase, cambia de orientación en una dirección perpendicular a la dirección "intuitiva".Presenta 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 o para indicar movimientos en el espacio. 
De acuerdo con la mecánica del sólido rígido, además de la rotación alrededor de su eje de simetría, un giróscopo presenta en general dos movimientos principales: la precesión y la nutación. Este hecho se deduce directamente de las ecuaciones de Euler.Precesión:Cuando se aplica un momento M a un cuerpo en rotación cuyo momento angular es L , la dirección del eje de rotación del cuerpo se anima de un movimiento de rotación de velocidad angular Ω . Esta velocidad angular, llamada velocidad de precesión, está relacionada con el momento y el momento angular por la fórmula: M = Ω x LLa velocidad de precesión, como todas la velocidades angulares se mide en radianes/segundo. En módulo, la velocidad de precesión es igual a Ω= M/L. Es decir, para una misma cantidad de momento, la magnitud de la velocidad de precesión es tanto más pequeña cuanto el momento angular sea más grande. Y como el momento angular es el producto de la velocidad de rotación del giroscopio multiplicada por su momento de inercia, se puede reducir la velocidad de precesión aumentando el momento de inercia, la velocidad de rotación o ambas. Aquí encontramos el interés de utilizar un giroscopio para conservar una referencia de dirección. Partiendo del reposo, todos los cuerpos conservan la orientación que tienen salvo cuando se les aplican momento externos. En ese caso, cuando un cuerpo no gira, el efecto del momento es el de crear una aceleración angular, la cual crea una velocidad angular creciente. Cuando el momento se interrumpe, el objeto sigue girando con la velocidad angular que adquirió. En cambio, cuando el mismo momento se aplica a un objeto en rotación, este comienza a girar con la velocidad de precesión calculada antes. Y cuando el momento se interrumpe, la precesión del objeto también se interrumpe. El resultado es que, en un giroscopio, los momentos parásitos tienen mucho menos efecto a largo plazo que en un objeto sin rotación. Además, se puede disminuir el efecto de esos momentos, aumentando el momento de inercia y la velocidad de rotación del giroscopio.Nutación:Cuando el momento que causa la precesión cambia de valor, la velocidad de precesión también cambia de valor. Pero ese cambio no sucede instantáneamente. Hay un periodo de transición durante el cual el giroscopio "cede" un poquito al momento en la misma dirección que un objeto que no gira. Después el giroscopio recobra lo que había cedido, oscilando en la dirección del momento alrededor de la trayectoria de precesión final.Este movimiento de oscilación transitorio se llama nutación.Si el cambio de valor de los momentos se prolonga, la nutación puede durar mucho. Es el caso de la tierra. La atracción de la luna y del sol sobre el hinchamiento de la tierra en el ecuador es diferente entre el lado próximo y el lado lejano respecto al astro. Esa diferencia de atracción crea un momento, el cual causa la precesión de los equinoccios. Pero, como ni el sol ni la luna están en el plano del ecuador terrestre, el momento producido por estos astros cambia periódicamente y el movimiento de nutación de la tierra no se amortigua. 

La inercia giroscópica y la fuerza de la gravedad pueden emplearse para hacer que el giróscopo funcione como indicador direccional o brújula. Si se considera un giróscopo montado en el ecuador de la Tierra, con su eje de giro situado en el plano este-oeste, el giróscopo seguirá apuntando en esa dirección a medida que la Tierra gira de oeste a este. Así, el extremo oriental ascenderá en relación a la Tierra, aunque seguirá apuntando en la misma dirección en el espacio. Si se fija un tubo parcialmente lleno de mercurio a la estructura del dispositivo giroscópico, de forma que el tubo se incline a medida que lo hace el eje del giróscopo, el peso del mercurio en el extremo occidental, más bajo, aplica una fuerza sobre el eje horizontal del giróscopo. Éste se resiste a dicha fuerza y efectúa un movimiento de precesión en torno al eje vertical, hacia el meridiano.Los giróscopos constituyen una parte importante de los sistemas de navegación automática o guiado inercial en aviones, naves espaciales, misiles teledirigidos, cohetes, barcos y submarinos. Los instrumentos de guiado inercial de esos sistemas incluyen giróscopos y acelerómetros que calculan de forma continua la velocidad y dirección exactas del vehículo en movimiento. Estas señales son suministradas a un ordenador o computadora, que registra las desviaciones de la trayectoria y las compensa. Los vehículos de investigación y misiles más avanzados también se guían mediante los llamados giróscopos láser, que no son realmente dispositivos inerciales, sino que emplean haces de luz láser que giran en sentido opuesto y experimentan modificaciones cuando el vehículo cambia de dirección. Otro sistema avanzado, denominado giróscopo de suspensión eléctrica, emplea una esfera hueca de berilio suspendida en un soporte magnético.Las brújulas giroscópicas se emplean en la mayoría de los buques oceánicos. No están sometidas a las desviaciones de la brújula magnética; indican el norte geográfico verdadero, no el norte magnético, y tienen la suficiente fuerza direccional para hacer posible el funcionamiento de equipos accesorios como registradores de rumbo, pilotos giroscópicos o brújulas repetidoras. El giropiloto marino no tiene un giróscopo propio, sino que recibe eléctricamente de éste cualquier diferencia con el rumbo de referencia fijado. Estas señales son amplificadas y aplicadas al motor del timón del barco para devolverlo a su rumbo correcto.Piloto automáticoEl piloto automático detecta las variaciones con respecto al plan de vuelo establecido para el avión y proporciona señales correctoras a las superficies de control del avión: alerones, elevadores y timón de cola. Un giróscopo vertical detecta el cabeceo y el balanceo, y un giróscopo direccional detecta los cambios de rumbo. La altitud es detectada por un sensor barométrico. La velocidad a la que se producen esos cambios se determina mediante giróscopos de aceleración o acelerómetros. La combinación del desplazamiento (cuánto) y la velocidad a la que se produce (cómo de rápido) proporciona una indicación muy precisa de la respuesta necesaria. Los giróscopos transmiten señales eléctricas a una computadora electrónica que las combina y amplifica. Después, el ordenador transmite las señales correctoras a los servomotores conectados con las superficies de control del avión, que se mueven para producir la respuesta deseada . Un controlador del piloto automático incluido en la computadora permite al piloto ejecutar manualmente las maniobras —como giros, ascensos o descensos— que requieren un movimiento coordinado de las superficies de control. Si el piloto lo desea, pueden conectarse al piloto automático una serie de ayudas a la navegación y ayudas por radio para la navegación automática. Entre estos dispositivos figuran los sistemas de navegación inercial, los sistemas de navegación por radar Doppler y las balizas de radionavegación. Los haces empleados en los sistemas de aterrizaje con instrumentos (ILS, siglas en inglés) instalados en las pistas de los aeropuertos también pueden conectarse con el piloto automático. Cuando la visibilidad es baja, el ILS empleado en combinación con el piloto automático dirige automáticamente el avión hacia la trayectoria de planeo deseada y lo alinea con la pista. 
http://www.enciclonet.com/articulo/foucault-jean-bernard-leon/
http://www.taringa.net/post/ciencia-educacion/12167825/El-giroscopio.html
http://html.rincondelvago.com/pendulo-de-foucault.html

2 comentarios:


  1. Grandes temas del conocimiento que han cambiado la idea que se tenía de nuestro mundo; gracias a estos talentos que las han descubierto en su momento.: gracias Araceli Rego, por compartir este legado científico: saludos afectuosos.

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  2. Grandes temas del conocimiento que han cambiado la idea que se tenía de nuestro mundo; gracias a estos talentos que las han descubierto en su momento.: gracias Araceli Rego, por compartir este legado científico: saludos afectuosos.

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