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Giroscopios: el maravilloso mundo de unos artilugios increíbles

GiroscopioAyer pasé unas cuantas horas realmente entretenidas viendo unos vídeos y leyendo y descubriendo cosas sobre los giroscopios. Fue una pequeña aventura de curiosos descubrimientos que me dejó totalmente maravillado e intrigado, de modo que la resumo aquí más o menos en el mismo orden en que fui siguiéndola. Requiere cierto tiempo examinar todos estos enlaces, vídeos y textos, tal vez entre una y dos horas, dependiendo de la profundidad e interés que se ponga, y gran parte del material está en inglés (aunque los vídeos hablan por si mismos) pero doy mi palabra de microsiervo de que realmente merece la pena, incluyendo un particular enfrentamiento entre ingeniería, ciencia y pseudociencia.

Nota: Al parecer en castellano giroscopio y giróscopo tienen significados ligeramente distintos aunque suelen usarse de forma indistinta. Por lo que he visto, giroscopio es más correcto para el concepto original o genérico, mientras que giróscopo parece más apropiado para los aparatos concretos que se utilizan en barcos, aviones y otros dispositivos. En inglés parece que sólo se usa gyroscope, lo cual aumenta la confusión terminológica. (En general aquí usaré giroscopio para ambos.)

Clase de giroscopios 101

The Engineer Through the Looking GlassMi aventura de descubrimiento del apasionante mundo de los giroscopios comenzó con los vídeos de la sesión Gyroscopes: The Engineer Through the Looking Glass, part 4 [Windows Media / Real] una clase/conferencia para niños y no tan niños, dedicada el funcionamiento de los giroscopios. Está dividida en 19 secciones, lo cual puede resultar más cómodo o incómodo, según se mire. La duracion total es más o menos una hora. La charla muestra las propiedades básicas de los giroscopios con experimientos bastante fáciles de entender y visualmente asomborosos. Para ahorrar tiempo se puede ver la introducción en la parte #1 y saltar a las partes #4 y de la #6 a la #12 (aunque finalmente conviene ver el resto). Una de las curiosidades de los giroscopios en las que hace especial énfasis es en que su «funcionamiento» resulta bastante contrario a la intuición: muchas veces no hacen lo que uno esperaría según la experiencia cotidiana en el mundo físico, pero su peculiar construcción hace que se comporten tal y como se ve en el vídeo, sin trucos. Como bonus, las partes #16 y #17 muestran algunos prototipos de clásicas máquinas de movimiento perpetuo (naturalmente, fallidas) con explicaciones de por qué no pueden funcionar.

Aunque Foucault inventó el giróscopo en 1852 para aplicarlo en sus experimientos sobre la rotación terrestre, el efecto giroscópico fue descubierto algo antes, en 1817, por Johann Bohnenberger. El efecto giroscópico y las fuerzas que lo gobiernan puede observarse en juguetes como las peonzas o trompos, que se mantienen estables gracias a sus giros, así como los yo-yós y diábolos. Los efectos giroscópicos también juegan un papel esencial en el peculiar equilibrio de las bicibletas y motocicletas (incluyendo el «tumbarse para girar, sin mover el volante»), en los sistemas de navegación de barcos, aviones, misiles, naves, telescopios y sondas espaciales e incluso en los Segways.

Para ver giroscopios en acción un sitio excelente es la página de vídeos de giroscopios en accion de Gyroscopes.org, donde también hay una galería de imágenes de giroscopios con modelos antiguos y modernos. En How Gyroscopes Work: Precession se puede ver un curioso vídeo que muestra el efecto giroscópico de precesión con una rueda de bicicleta. Una de las mejores explicaciones de «por qué un giroscopio parece querer seguir apuntando siempre en la misma dirección» puede verse en The Gyroscope Demystified. La clave es entender que los movimientos de fuerzas externas para desviarlos están en realidad repartidos por la superficie giratoria de forma uniforme, con la fuerza dividida sobre todos los puntos de contacto, no únicamente en el punto sobre el que aparentemente se aplica.

GyrobusOtra soprendente aplicación de los giroscopios fue el Gyrobus, un autobús que en vez de emplear un motor de gasolina almacenaba energía en un gigantesco giroscopio: una gran rueda de 1.500 kilos, también conocida como batería inercial que se hacía girar a unas 3.000 revoluciones por minuto y que transfería la energía almacenada (mientras se mantenía girando) a un motor eléctrico que desplazaba el autobús. Construido en los años 40 y llevado a la práctica en los 50 en varios países, podía hacer pequeños recorridos, de unos 6 kilómetros, a velocidades de hasta 60 km/h, sin contaminar ni emplear baterías eléctricas convencionales. El giroscopio se «recargaba» eléctricamente en unos pocos minutos en las propias paradas del recorrido, y también aprovechaba las cuestas hacia abajo para recargarse. Por desgracia no resultó tan revolucionario como para ser práctico: resultaba complicado de conducir por terreno irregular, en parte debido al propio efecto giroscópico del mecanismo, además de que su autonomía era muy limitada.

Hasta aquí todo está dentro del terreno de la física divertida e incluso práctica. Pero en los vídeos de la conferencia de 1975 hay unas cuantas menciones a comportamientos aparentemente anómalos, leyes de Newton que no parecen ser aplicables en ciertos momentos e incluso dos o tres demostraciones de «pérdida aparente de peso» cuando los giroscopios están en funcionamiento. Esto lleva a uno de los terrenos más misteriosos del mundo de los giroscopios sobre el que hay mucho que leer. A mi me llevó a buscar algo más en Google sobre los giroscopios.

Un juguete de levitación

Levitron UFOTras ver y leer todo lo anterior llegué casi de casualidad a un vídeo del asombroso Levitron [YouTube, 1 min. 30 seg.], un juguete que se puede comprar por unos 35 dólares y que todo geek querría tener encima de su mesa. Como puede verse en My Perfonal UFO, un montaje musical más «dramático» del juguete, el Levitron puede hacer más trucos que un hurón: realmente levita en el aire, desafiando a la gravedad. El juguete funciona sin pilas y puede mantener levitando la peonza entre 5 y 7 minutos. El secreto es una combinación de imanes en la base, que empujan hacia arriba otro imán de la misma polaridad situado en la base de la peonza. Está demostrado que no existe ninguna configuración de imanes que pueda producir un «efecto de repulsión anti-gravedad» estable en con materiales y condiciones normales (Teorema de Earnshaw) pero el juguete solventa ese problema concentrando la repulsión en un punto concreto a poca altura, y esto es lo importante: dejando que el efecto giroscópico de la peonza haga el resto. La ponza simplemente «intenta» mantenerse fija en ese punto, como en las demostraciones de giroscopios moviéndose sobra la punta de una pequeña «torre» que sirve como base que se pueden ver en otros vídeos. Manejar el Levitron no es fácil: tiene que estar muy bien nivelado, hay que hacer rotar la peonza a una velocidad bastante precisa (entre 20 y 30 rpm) y hay que ajustar el peso con cuidado mediante unos pequeños accesorios de calibración. Pero, cuando se consigue, garantiza horas de diversión, asombro y charla, tanto por el hecho de que funcione sin pilas como por la magia de la aparente anti-gravitación. Modelos de Levitron funcionando en el vacío, o que contrarrestan el rozamieto ambiental con pequeños chorros de aire o impulsos magnéticos pueden permanecer girando varios días sin problema.

Gyroscope es una tienda donde se pueden observar y comprar un montón de modelos de giroscopios, algunos pensados para educación, otros como meros juguetes divertidos, algunos clásicos, otros más modernos. Hay bastantes vídeos curiosos allí. Un giroscopio popular son las Powerballs, pequeñas bolas giratorias del tamaño de pelotas de tenis, que se emplean para hacer deporte y entrenamiento aprovechando las fuerzas del efecto giroscópico.

Eric Laithwaite, el hereje de la física

Continuando con mi investigación de los giroscopios en Internet llegué a un antiguo vídeo de la BBC titulado Eric Laithwaite: Heretic [Windows Media / Real; 28 min.] que cuenta la biografía de Eric Laithwaite, un ingeniero e inventor británico apasionado por los giroscopios que no es ni más ni menos que... el simpático profesor de los vídeos para niños del principio de la historia. La cosa se ponía cada vez más interesante.

Eric LaithwaiteLaithwaite estudió ingeniería eléctrica, trabajó en el ordenador Mark I y también inventó el motor lineal, un motor que en vez de girar aplica una «fuerza lineal» y que es la base de algunos de los trenes de levitación magnética que se usan en Asia, Europa y de los mecanismos de algunas montañas rusas. La pasión de Laithwaite por los giroscopios, unos aparatos relativamente desconocidos, y lo que había descubierto sobre ellos durante toda su vida, incluyendo algunos de los «comportamientos inexplicables» que se ven en el vídeo de la clase que imparte a los niños, le llevo a aprovechar una invitación a participar en las Royal Institution Christmas Lectures para presentar todo aquello ante el establishment científico.

Las charlas en la Royal Institution son increíblemente prestigiosas y tienen lugar desde 1825. Desde los tiempos de Faraday han pasado por ellas las más increíbles mentes y suelen proporcionar gran reconimiento a nivel internacional. Laithwaite evitó discursos vacíos y tituló su charla El ingeniero a través del espejo, en honor al fantástico libro de Lewis Carroll que cuenta la segunda parte de las aventuras de Alicia en el País de las Maravillas. Acudió con sus giroscopios y aparatos para mostrar los experimentos que le intrigaban: cómo los giroscopios parecen comportarse al margen de las Leyes de Newton en ciertas ocasiones, cómo parece existir un efecto de «pérdida de peso» mientras funcionan y cómo un hombre puede levantar una pesada rueda de más de 20 kilos con una sola mano si tiene el efecto giroscópico adecuado, algo que «en parado» resulta difícil incluso con ambas manos por el efecto palanca. ¿Pierde realmente peso el giroscopio?

Lo que era a la vez una demostración y exposición de curiosidades ante un público experto era también una sugerencia con evidencias observables de que las cosas en la física tal vez no son como hasta entonces se había creído que eran..

Pero, irónicamente, se convirtió en el fin de su carrera.

Sugerir que tal vez las leyes de Newton eran incorrectas o incompletas, o que los objetos pueden «perder peso» simplemente por el hecho de girar sobre sí mismos hizo que los académicos le tacharan prácticamente de lunático charlatán, de montar trucos de circo ante una respetable institución científica. Los años de reputación o los inventos prácticos y funcionales de Laithwaite no sirvieron para nada: no vio su charla publicada en los meses siguientes a la conferencia (la primera vez que sucedía esto en casi 200 años) y a raíz de eso y de artículos tachados de sensacionalistas como Laithwaite desafía a Newton, publicado por New Scientist, fue condenado al ostracismo por gran la comunidad científica. Todo esto está excelentemente narrado en The Royal Institution is Not Amused, un artículo bastante bien documentado publicado en una revista de «ciencias alternativas».

Durante los siguientes veinte años Laithwaite continuó investigando el «comportamiento anomalo» de los giroscopios en el Imperial College, en otros laboratorios y a título particular. Con el tiempo reconoció que los escépticos tenían razón y que las matemáticas demostraban que no había «fuerzas ocultas» en los giroscopios más allá de las leyes de Newton.

Pero Laithwaite seguía intrigado por el resultado evidente de experimientos como el del levantamiento de la rueda de 20 kilos con una mano y de otros detalles del mundo de los giroscopios.

Tras muchos experimentos, finalmente rehizo sus teorías y concluyó algo más extravagante todavía: que la precesión de un giroscopio podría utilizarse para mover una masa o crear una «trasnferecia de masa», obteniéndose así un sistema de propulsión sin reacción, algo que la física ortodoxa considera tan imposible como una máquina de movimiento perpétuo.

Laithwaite moriría en 1997, no sin antes haber fundado una empresa (Gyron), construido algunos prototipos y obtenido una patente para su sistema de propulsión sin reacción [PDF] a la que seguirían muchas otras patentes giroscópicas de otros ingenieros. Lo cual tampoco significa mucho porque es bien sabido que se conceden a veces patentes de aparatos imposibles que violan las leyes de la física.

De Laithwaite a la antigravedad

Esta historia que emezó con pequeñas maravillas del mundo de Ciencia en el reino de la física termina en el farragoso mundillo de la pseudociencia. Mucha gente continúa con las investigaciones de Laithwaite, incluyendo por ejemplo el autor del excelente Gyroscopes.org en la sección Gyroscopic Propulsion, que por su carácter «especulativo, fuera de lo aceptado por la comunidad académica» mantiene «separado» del resto del site. Allí se pueden ver algunos prototipos de propulsores giroscópicos, como los que muchos aficionados construyen en sus casas, un poco al estilo de la máquina del tiempo del Dr. Emmet Brown en Regreso al Futuro. Otro ejemplo sería Laithwaite Gyroscopic Weight Loss: A First Review [PowerPoint] donde un estudiante reexamina e intenta recrear y encontrar explicación tanto a los experimentos de Laithwaite como a otros similares llevados a cabo por la NASA, sin datos concluyentes. En muchas de las páginas pseudocientíficas que se pueden encontrar sobre el tema se mezclan un montón de conceptos diferentes: los efectos giroscópicos, la pérdida de masa con fuerzas de impulso o anti-gravedad (o incluso con el «bloqueo de la gravedad») y diferentes variantes de impulsos sin reacción. Algunos de estos sitios enlazan también con el Motor Dean, un hipotético sistema de propulsión de naves espaciales, que también llegó a ser «absurdamente patentado», y que se encargó de popularizar la ciencia ficción de los 50 y 60. Hasta tiene su propia página web: Dean Space Drive.

Antigravedad, divino tesoro y The Rise and Fall of Gyro-Gravity son un par de buenos artículos de círculos científicos y escépticos acerca de todas las variantes de invenciones pseudocientíficas de motores de impulso sin reacción, sistemas de antigravedad, bloqueo de la gravedad y similares, incluyendo algunas referencias a personajes y páginas web del mundillo de la antigravedad. A raíz de un gran número de proyectos recibidos sobre el tema, uno de los departamentos de innovación de la NASA, abierto a nuevas teorías, incluyó finalmente la «antigravedad giróscopica» en su lista negra dentro junto con otras «errores comunes», toda una serie de teorías y trabajos carentes de rigor científico que la gente suele presentarles de forma repetitiva.

Dejando aparte el (en cualquier caso curioso) final de esta historia, conocer algo más sobre el mundillo de los giroscopios me resultó apasionante. Ahora me fijaré más en todo lo que sucede realmente al conducir en bicicleta o hacer girar una peonza. Y sin duda me pediré un Levitron como próximo regalo geek.

Actualización: Encontré un Levitron en la tienda de juguetes y no pude resistir la tentación, como era de esperar.

Actualización: Por mi cumpleaños me regalaron una Powerball, que es un juguete también realmente interesante, es increíble la fuerza que puede llegar a desarrollar, aparentemente de forma inexplicable: es imposible describirlo sin probarlo (al tacto). Tardas un buen rato y unos cuantos intentos en cogerle el truco pero una vez aprendido es increíble notar cómo se mueve, las extrañas fuerzas que lo gobiernan y cómo aprendes a «darle fuerza» moviendo únicamente la muñeca un poco. Dicen que sirve para mantenerse en forma en las manos, muñecas y brazos. Lo cierto también es que de tanto jugar te deja unas agujetas increíbles. De momento he conseguido pasar de 10.600 revoluciones por minuto, parece complicado llegar a 12k o 14k como llega mucha gente. El récord del mundo es más de 19k rpm. En la web en inglés, Powerballs.com se ve un vídeo de Akis «la máquina» batiendo el récord, realmente impresionante.