¿Porqué la brújula giroscópica apunta siempre al norte geográfico?

¿Qué es un giróscopo?, y cómo explicarlo sin hacer primero una introducción a la «brújula». Si hablamos de la brújula, a secas, se supone que nos estamos refiriendo a la brújula magnética, es decir, la que apunta al Norte magnético. Este instrumento ha sido, después de los cuerpos estelares, el primero en utilizarse para establecer la situación en mar abierto, es decir, allá donde no era posible hacer marcaciones sobre puntos de la costa. El sistema de la brújula magnética ha permanecido, e incluso se mantiene en la actualidad, aunque muy desplazada por los modernos sistemas electrónicos de situación por satélites geoesíncronos (el que impera de momento es el GPS o Global Position System).

Pero el norte magnético no es una referencia fija en relación con el norte geográfico, pues mientras que éste coincide exactamente con el extremo norte del eje de rotación terrestre, sin embargo el magnético se está moviendo continuamente año tras año. Es más, incluso ocurrió en una época de la historia geomagnética de la Tierra que el norte magnético se encontraba situado en lo que es ahora el sur geográfico. Por tanto, estas variaciones anuales producen una declinación que puede ser positiva o negativa -a derecha o izquierda del norte verdadero- y que deben ser tenidas en cuenta en el momento de trazar una situación sobre la carta. En la actualidad, por ejemplo, el norte magnético está desviado unos 1.600 km. con respecto al norte geográfico o verdadero, y pasa próximo a una isla canadiense llamada Bathurst.

En las cartas oceanográficas, cada lugar de la Tierra tiene marcada su variación magnética en forma de incremento o decremento ánuo, según éste aumente o se reduzca. Aplicando esta corrección sobre la carta (sumando o restando este valor en grados) obtendremos la situación correcta.

Pero no queda ahí la cosa, porque las embarcaciones modernas son metálicas, y eso produce en la aguja de a bordo una «desviación magnética» que también tiene que ser corregida (se suele hacer ajustando unos imanes permanentes en las proximidades de la aguja), y que puede ser igualmente positiva o negativa. Por tanto, la situación correcta de un punto sobre la carta se dará después de aplicar los cálculos de corrección, tanto de la declinación como de la desviación magnética.

Podría extenderme diciendo que el actual polo norte magnético es en realidad un polo sur, pero eso complicaría y me desviaría de lo fundamental, así que centrémonos en lo que nos interesa.

Pues bien, la brújula magnética es una ayuda a la navegación y situación marítima, pero no es eficaz cuanto más nos aproximemos a las latitudes altas (en pleno polo es inservible). Sin embargo, la brújula giroscópica (en adelante el girocompás), apunta siempre longitudinalmente en la dirección sur-norte del eje terrestre, y por tanto hacia el polo norte geográfico o verdadero. El porqué sucede esto tiene mucho que ver con el movimiento de la Tierra, y requiere de nuevo una introducción sobre el efecto que ese movimiento realiza sobre un cuerpo que oscila libremente.

Fuente Wikimedia commons

El primer ejemplo lo podemos observar en el péndulo de Foucault. La ilustración de arriba, obtenida de wikimedia commons, nos demuestra cómo funciona este artilugio: se trata de un péndulo sostenido por un largo cable que puede oscilar sin ninguna resistencia (salvo la propia del rozamiento del aire). Si el péndulo se situase a la altura del ecuador terrestre no rotaría, manteniendo la oscilación sin esfuerzo en el mismo plano. Pero,.si lo situamos en una latitud más alta, entonces el péndulo rota intentando seguir el movimiento de la Tierra, resistiéndose así a moverse de su plano de oscilación. Este experimento fue llevado a cabo por Lèon Foucault en 1851, precisamente para demostrar la rotación terrestre.

Pero, en el experimento de Foucault el péndulo era incapaz de seguir la rotación de la Tierrra a su misma velocidad, lo cual impedía realizar medidas con precisión, por eso Foulcault comenzó a estudiar la forma de solventar este inconveniente. El resultado de sus investigaciones fue el giróscopo, un gran invento inestimado en aquella época, en la que ni se intuía su gran trascendencia futura, pues hoy en día no sólo es la base del girocompás en la navegación marítima y aérea, sino también componente fundamental en diversos aparatos que ni sospechamos. Por ejemplo, es un elemento vital para matener en rotación estable los satélites artificiales independientemente de la dirección a donde apunten sus antenas, con objeto de que no se abrase la parte que recibe el Sol o que se congele la parte que permanece a la sombra.

Fuente Wikimedia commons

El giróscopo no es más que un dispositivo cuyos ejes giran libremente sobre cada plano de simetría. Cuando el disco alcanza su velocidad estable, las masas quedan distribuidas por igual a lo largo de todo el disco. El efecto giroscópico se produce cuando se intenta desviar el eje principal de su plano de rotación, provocando que las masas intenten a su vez compensar esa desviación.

¿Cómo explicar ese efecto en un caso práctico para que lo entendamos todos?, pues muy fácil: ¿Quién no sabe andar en bici?, seguro que la gran mayoría aprendió, primero con aquellas pequeñas ruedas acopladas a la rueda trasera, que nos daban confianza y seguridad en no darnos el porrazo, pero llegó un momento que nos aventuramos a desprendernos de ellas y, ¡¡eureka!! allí estábamos nosotros desafiando a la gravedad ¿He dicho gravedad?, que curioso, es justo su alteración lo que nos mantenía sobre la bici. La masa en movimiento de las ruedas de la bici con nosotros encima hacia una dirección, intentaba oponerse a las otras dos másas que nos harían desviarnos de la vertical y caer hacia la izquierda o hacia la derecha. Naturalmente, en cuanto la bici se paraba la masa quedaba estática, y cualquier pequeña fuerza lateral culminaba con nuestro cuerpo en el asfalto.

Luego entonces, ha quedado planteado el fundamento del efecto giroscópico: cualquier fuerza lateral que intente desviar el plano de giro (en el caso de la bici la vertical) hacia un sentido u otro (derecha o izquierda) se topará al momento con una fuerte resistencia del giróscopo, que intentará por todos los medios conservar la dirección del plano en que gira el disco.

Llegados a este punto, ya habremos intuido que el giróscopo no nos serviría para situarnos a bordo de un buque u otra nave si la Tierra no rotase sobre sí misma, pues los movimientos de los ejes libres serían aleatorios. Pero, aún así, un giróscopo aplicado para situarnos con respecto al norte geográfico necesita unas pequeñas modificaciones, y es que si no generamos alguna forma de fricción a los ejes libres éstos nunca llegarían a situarse en un plano fijo apuntando al norte, pues la velocidad de rotación de la Tierra sería insuficiente. Por tanto, un girocompás no es más que un giróscopo que tiene implementado un mecanismo para evitar que los ejes libres se muevan con excesiva rapidez. La fricción se puede conseguir mediante algún sistema mecánico, o introduciendo el giróscopo en algún líquido viscoso, para conseguir así que la rotación de los ejes sea más suave.

Para producirse la orientación hacia el norte, una vez arrancado el girocompás y estabilizada la velocidad del disco, el eje libre intentará buscar su propio equilibrio, pero el movimiento de la tierra imprimírá a éste una fuerza lateral que le obligará a situarse transversalmente (a 90º), en paralelo al ecuador terrestre. Pasado un tiempo, por ejemplo una hora, el eje habrá tenido el suficiente para ir adoptando la posición transversal. Por tanto, es obvio que si el plano del eje libre del giróscopo se estabiliza a 90º paralelo al ecuador, la perpendicular a dicho plano será siempre paralelo al eje de la Tierra, es decir, apuntará al norte geográfico.