¿Porqué la brújula giroscópica de las embarcaciones apunta siempre al polo norte geográfico?

Veamos, preguntaba el porqué una brújula giroscópica apunta siempre al norte geográfico. Lo cierto, es que en el momento de publicar la pregunta aún desconocía cómo enfocar la respuesta. De hecho, hasta el momento en que Trano publicó su comentario, aún no me había decidido sobre este asunto; fue su aparición lo que me empujo a ponerme manos al teclado. El problema, es que me gusta explicar el funcionamiento de las cosas comparándolas con otras de uso cotidiano, pero no encontré el símil adecuado. Todas las fuentes que he consultado sobre este asunto, a los lectores le oscurecen aún más la solución, y eso es lo que pretendo evitar.

A veces, según voy escribiendo me surgen las ideas, así que comenzaré por explicar, o intentar explicar, qué es un giróscopo, y tal vez se me ilumine alguna neurona que me permita concluir con dignidad.

¿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 geográfico 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 -ésto de los satélites podría ser un buen tema para una nueva pregunta inquieta-.

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.

Corte de un girocompás. Fuente: Wikimedia Commons

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.

Espero que haya quedado claro, porque ignoro si sabré explicarlo mejor.

16 comentarios:

  1. Os adelanto que yo conozco 5 nortes diferentes.

  2. Cierto que se conocen otros polos norte, pero la pregunta va enfocada a la navegación marítima y sólo el norte geográfico y el norte magnético son útiles para determinar la situación en el mar; el resto de polos son variantes de alguno de estos dos.

  3. “hay un tipo de brújula que no apunta al norte geográfico”
    Siempre pensé que las brújulas apuntaban al polo norte magnético 😮
    En cuanto a la brújula giroscópica… qué es exactamente? Un giroscopio no era aquello de diferentes aros uno dentro de otro con diferentes ejes?
    No había respondido antes a esta pregunta inquieta porque me falta conocimiento de base, pero ya que no se anima el asunto aventuraré una suposición basada en suposiciones :S
    SI un giroscopio es similar a lo que me imagino que es, SUPONGO que permitirá mantener una dirección fija (algo así como si tienes un palillo flotando en un vaso de agua y giras el vaso que el palillo sigue señalando al mismo punto). En tal caso, la dirección fija sería arbitraria, y SUPONGO que por razones prácticas (los mapas me imagino que indican el polo norte geográfico, en función del cual se trazan los paralelos y meridianos) se establecería el norte geográfico.
    Suena plausible, no? :D:D De todas formas… qué es un giroscopio?
    A ver si alguien consigue iluminar el camino a la respuesta a esta inquietante pregunta, que un servidor está dando palos de ciego 😀
    Un saludo!

  4. Jajaja, me parece una deducción de lo más lógica la de Trano, lo que me hace gracia es que lo deduce de una deducción de la cúal no está seguro,jaja, es muy bueno, a la vez que bastante acertado, ¿no es así Lobo de Mar?

  5. Desde luego, hasta ahora, Trano se ha demostrado como el más inquieto de los usuarios de este blog. Yo me desligo porque, aunque no pertenezco a la administración de Mentes inquietas, suelo ser un colaborador habitual, y eso me hace sentir como si viera los toros desde la barrera -perdón por el símil, ya sé que la “fiesta” se encuentra en serio debate; podría ser un buen tema para un próximo artículo, si no fuera que sería entrar en el ámbito de la odiosa política-.

    Pero a lo que vamos: Trano está a la espectativa, pero también arriesga en sus preguntas-respuesta, y generalmente acierta en la exposición y las conclusiones, a veces incluso con paradojas como la de deducir una deducción insegura??? Yo creo que él juega a dos bandas y en realidad se las trabaja muy bien, quizás documentándose previamente, lo que ocurre es que se hace el humilde, pero estoy seguro que sabe más de lo que dice, y si no lo manifiesta quizá sea porque es una persona sin falsa modestia.

    Intentaré dejar arriba una respuesta comprensible a la pregunta de la giroscópica, y digo que simplemente lo intentaré, porque la solución es compleja para alguien que no tenga suficiente capacidad docente, y yo en eso tengo que realizar muchos esfuerzos.

    La estoy redactando, porque la cosa tiene algo de miga, así que un poco de paciencia.

  6. Buff, menudo protagonismo que he tomado en los anteriores comentarios :S

    Lo siento Lobo de Mar, pero me temo que tu explicación no me ha bastado para entenderlo (a mal entendedor, pocas palabras no bastan y muchas a veces tampoco :D).
    A parte de lo del péndulo de foucault (conozco el efecto y sé por qué pasa, pero nunca nunca nunca he entendido cómo funciona, así que no lo voy a preguntar), se me plantean varias preguntas… En primer lugar, si lo he entendido bien hay un disco girando eternamente en el centro del giroscopio (que por cierto, sí que se parece a lo que me imaginaba :D)? Cómo? Un motorcito? No lo desequilibraría todo?
    Entonces, este disco giratorio estaría siempre perpenticular al suelo? osea, como cuando vamos en bici y no nos caemos, no? Pero como si fueramos con nuestra bici hacia el norte, el oeste…
    Entonces, si lo he entendido bien, lo que hace el disco es agunatarse solito en la misma dirección respecto a la gravedad y el conjunto de aros es simplemente para darle movilidad en todos los sentido, no? Osea, que que se mueve activamente de dentro hacia afuera (no como yo pensaba que los aros evitaban que el movimiento de fuera afectara al de dentro).
    Por lo tanto la dirección no es arbitraria, no?
    Por qué los movimientos de los ejes libres serían aleatorios si no girara sobre si misma la tierra?
    Y finalmente: Si colocáramos un giroscopio de estos en un sitio que a su vez girara sobre sí mismo, cómo se comportaría? Buscaría un equilibrio? Sería una especie de media ponderada por las diferentes velocidades de rotación?
    Perdona por tanta pregunta… las escribo tal cual me vienen y no te pido que seas exhaustivo respondiéndolas, pero alguna… 😉 satisfaría mi curiosidad :p

    Por cierto: cómo vamos a responder preguntas inquietas que requieran saber tanto y entender cosas tan complejas como un péndulo!? 😀

  7. Buf, Trano, sabía a lo que me arriesgaba si se me ocurría hacer esta pregunta, y es que una cosa es entenderlo y otra explicarlo. Bueno, vamos a intentarlo:

    A ver vamos por partes, primero lo del motorcito:

    El giróscopo no se desquilibraría por llevar acoplado un motor, ya que el conjunto disco-motor forman un todo, integrado dentro de la cavidad interior, y no afecta al resto de elementos que tiene a su alrededor. Fíjate en la imagen del giro compás que añadí arriba (tiene un corte hecho a propósito para poder ver lo que contiene). Observa el motor en su interior.

    A través de los huecos del motor se puede ver el bobinado del estator, así como los cable de conexión en su parte superior. También puedes ver que los extremos izquierdo y derecho del eje están al aire (pueden girar libremente), porque el disco está suspendido en medio de los dos ejes (en realidad el eje atraviesa el disco de un extremo a otro).

    Sí, ya sé que te estás preguntado ¿pero dónde están los aros? La verdad es que lo de los aros es simplemente un sistema de explicar el giróscopo más fácilmente, porque en realidad en un girocompás no hay aros propiamente dichos, sino que pueden ser esferas u otras formas geométricas. El caso es que esas formas puedan rotar en el plano de simetría. 

    Fíjate en el exterior del girocompás, a la derecha de la imagen, si te das cuenta tiene una franja en el ecuador con una escala de números marcados. Esa escala son los grados hacia dónde se orienta el giróscopo, y como ves es una esfera, no un aro. El propio motor, como ya dije, tiene libres los extremos del eje, y el conjunto pueden girar, pero aunque gire, como puedes ver no es un aro, sino una pieza más o menos acampanada por ambas caras.

    Bueno, espero que haya quedado claro lo del motorcito. Vamos con la dirección arbitraria:

    La dirección sería arbitraria si la Tierra no rotase sobre sí misma. Pero resulta que la Tierra en su movimiento está imprimiendo una fuerza al plano del giróscopo que le obliga a situarse siempre en dirección logintudinal al ecuador, o lo que es lo mismo, transversalmente a los polos. Si La Tierra no se moviese, el giróscopo apuntaría a cualquier sitio sin definir, porque no existiría ninguna fuerza lateral que le empujase a buscar un punto de equilibrio.

    No sé, me da la sensación de que este punto no te ha quedado muy claro, espero que no sea así. Vamos por la última: Cómo se comportaría el giróscopo si se sitúa en un sitio que a su vez gira sobre sí mismo:

    Amigo mío, acabas de dar con el fundamento práctico del girocompás. Ese es, precisamente, el motivo por el cual un girocompás es sumamente útil en un barco (o un avión) para señalar el norte. Y es que, un barco gira, cambia de dirección, se balancea, da cabezadas… Bueno, pues resulta que el propio barco hace de uno de esos aros del dibujo (en realidad sería un aro para el giro circular del barco, otro aro para la linea popa-proa, y otro aro para la linea babor-estribor). Veámoslo mejor: supón que el girocompás ya se ha estabilizado y apunta al norte, y que casualmente en ese momento el barco también tiene su proa apuntando al norte ¿qué pasaría si ordenamos al timón poner por ejemplo, un rumbo que forme un ángulo de 90 grados con el norte? Pues sucede que el girocompás se resiste a moverse de posición, y continúa apuntado al norte, es el barco el que se mueve de dirección (en el símil sería el aro de giro del barco el que se mueve, pero no el plano del disco interior).

    ¿Y si el barco se balancea?, pues exactamente igual, solo que aquí sería el aro babor-estribor el que se movería. ¿Y si el barco cabecea?, pues lo mismo, solo que aquí sería el aro popa-proa el que se movería. ¿Y si el barco se balancea, a la vez que cabecea?, pues lógicamente, ambos aros babor-estribor y popa-proa, se moverían simultaneamente para compensar la inclinación o el cabeceo.

    Es exactamente el mismo funcionamiento para las antenas parabólicas que se sitúan a bordo de un buque apuntando a un satélite. Una vez que la antena ha localizado el satélite, el giroscopio mantiene la antena apuntando siempre en la misma dirección (para no perder el foco del satélite), haga lo que haga el buque (cabecear, cambiar de rumbo, caer a babor o estribor…).

    Bueno, ya tengo las neuronas echando humo, paro aquí. Si hay dudas continuamos en la próxima.

  8. A mi me ha quedado más claro con este ejemplo del barco, y visto lo visto y dado que yo no se como funciona un estabilizador de imagen de una cámara, ¿no podría usar un sistema parecido?

  9. de verdad es sorprendente esto porque salen unas cosas maravillosas y no lo puedo crer frients los amo love

  10. Según nos dijeron los oficiales del barco, la giroscópica era un “aparato” que giraba a 36.000 r.p.m. (creo que era esa velocidad pues nos lo dijeron en el año 1.960. Ya ha llovido) y por medio de unos puntos que había en la costa gaditana se centraba el aparato. Nos dijeron que era lo mismo que si a la rueda de una bicicleta cogida por las palometas se intentara girar a izquierda o derecha si ésta fuera a una gra velocidad, por lo que ese Norte no variaba en la giroscópica aunque el barco girase. Un poco burda pero esa es mi explicación de uno que presenció uno de esos ajustes.

  11. me perdi jajajajajjaja disculpa esty aprendiendo y mi pregnta es xq se dice q el polo norte terrestre se haya en el ´polo sur y q el polo sur terrestre esta en el polo norte magnetik? xfa contestemanla?

  12. Buenas tardes. He estado buscando el parque del alimento de la girscopica y la verdad no le había encontrado hasta ahorita. Me parece muy buena explicación de antemano muchas gracias por el tiempo que se tomó en dar todo este texto. Pero no creo que es algo fácil de entender, ya que a mí me surgen todavía algunas dudas. Y mi pregunta es que entonces. ¿Es el equilibrio de fuerzas tanto del rotor y la rotación de la tierra que es como se alinea el giroscopo? Disculpa la pregunta pero esque quiero tenerlo bien claro ya que de esto depende mi calificación

  13. Y como se explica que en los supuestos “polos norte y sur” donde la velocidad es cercana a cero siga funcionando con la misma precisión?, estamos hablando de casi 1600 km/h de variación?, me entiendes?.

  14. Iván López: mis disculpas por la tardanza, acabo de leer tu comentario ahora.
    Justamente es como dices, la rotación de la Tierra fuerza al eje libre del giróscopo a moverse para contrarrestarla. Cuando ambas fuerzas quedan en equilibrio, el plano transversal queda apuntando al norte geográfico, con lo cual es muy fácil situarse sobre un mapa en cualquier lugar de la tierra donde no tengamos ninguna otra referencia geográfica.

  15. Tomás: aún incluso situándonos sobre el eje imaginario de la tierra, el movimiento seguiría siendo efectivo. Imagínate a tí mismo situado inmóvil justo sobre el eje (polo norte o sur) mirando hacia un punto del horizonte paralelo al ecuador, pues bien, pasadas 24 horas tu cuerpo habrá girado 360 grados y tu vista regresado al mismo punto. Ese movimiento de rotación lo advierte igualmente el giróscopo, que intentará compensar la fuerza lateral de la misma forma que haría en cualquier otro punto de la tierra. Ten en cuenta, que la velocidad de la tierra es constante, sea en el ecuador o en los polos, así, si te sitúas en el ecuador, tardarás lo mismo en dar una vuelta completa que si te sitúas sobre el eje de la tierra; ese tiempo y velocidad no han cambiado, por tanto la fuerza lateral tampoco.

  16. Velocidad constante, y la aceleración centrípeta donde queda?. Lo que se siente es la aceleración, no la velocidad, por lo tanto con el supuesto momento angular enorme que tiene la tierra, no se va a sentir una aceleración que va en el sentido radial también enorme a más de 1.600 km/h?, a mí me parece una locura, es más rápido que la velocidad del sonido Match 1. Por otro lado no he visto a ningún avión calcular esta velocidad en los vectores de aterrizaje, pero sí el viento (40 km/h aprox). Por lo tanto es más importante el viento que los 1600 km/h?, deja muchas dudas todo esto, lo digo como investigador.

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