¿Por qué un giróscopo en rotación puede mantenerse erguido sin caerse?

Este artículo aborda la cuestión de por qué un giróscopo en rotación puede mantenerse erguido sin caerse. Presenta la larga historia y la forma básica de los giróscopos, explica por qué los giróscopos se mantienen erguidos durante la rotación mediante el principio de la inercia y el fenómeno de la precesión, y describe el funcionamiento de juegos tradicionales de giróscopos, como el diablos en la paja, así como las aplicaciones prácticas de la característica de mantener la dirección del eje de rotación constante en campos como armas de fuego, proyectiles de artillería y satélites artificiales de la Tierra.

¿Por qué un giróscopo en rotación puede mantenerse erguido sin caerse?

Según los artefactos de piedra desenterrados, el yoyó tiene una historia de más de 5000 años y se considera uno de los juguetes populares más antiguos. El yoyó es un objeto simétrico con una cabeza más gruesa en un extremo y una más puntiaguda en el otro. Si se apoya el extremo puntiagudo del yoyó en el suelo, debido a que su centro de gravedad se encuentra por encima del punto de apoyo, se caerá inmediatamente cuando se lo suelte. Si se le da un fuerte tirón a una cuerda fina y se lo lanza al suelo, y luego se lo golpea con un látigo para que siga girando, el yoyó se mantendrá erguido de manera estable. Por lo tanto, la energía mágica del yoyó proviene de su movimiento de rotación.

Según el principio de inercia, si no hay interferencia externa, el eje de rotación de un objeto que gira alrededor de un eje mantendrá su dirección en el espacio. Este concepto se puede verificar en la Tierra en la que vivimos. La Tierra gira constantemente alrededor de un eje que atraviesa los polos norte y sur, y el eje de rotación siempre apunta hacia la Estrella del Norte. Si el yoyó no recibe ninguna interferencia, su eje de rotación también se mantendrá erguido de manera permanente, pero la interferencia es inevitable. Cuando el yoyó es interrumpido y el eje de rotación se desvía del eje vertical, la fuerza de gravedad y la fuerza de soporte del punto punzante en el suelo ya no estarán en la misma línea. Si el objeto no está girando, el momento de gravedad sobre el punto de soporte hará que el objeto se incline en la dirección del momento. Sin embargo, esto no puede hacer que el objeto en rotación se incline. Debido a la inercia del movimiento de rotación, el momento solo hará que el eje de rotación se desvíe hacia la dirección horizontal. Bajo la acción continua del momento, el eje de rotación trazará una superficie cónica en el espacio alrededor del eje vertical, y este fenómeno se conoce como la precesión del yoyó. Cuando el yoyó gira muy rápido, el ángulo de desviación del eje de rotación es muy pequeño, y el movimiento cónico casi coincide con la rotación alrededor del eje vertical. Si se deja de golpear el yoyó, su velocidad de rotación disminuirá gradualmente, y se podrá observar claramente este fenómeno de precesión. Cuanto menor sea la velocidad de rotación, mayor será el ángulo de desviación causado por la interferencia. Cuando la velocidad de rotación sea muy lenta, el yoyó se caerá por completo.

El tiro al yoyó es otro juego tradicional de yoyó. El yoyó se divide en dos ruedas y cuatro ruedas. El yoyó de dos ruedas tiene un disco simétricamente instalado en ambos extremos, y las direcciones de los momentos de gravedad en los dos lados son opuestas y se cancelan mutuamente, por lo que el eje de rotación del yoyó puede mantener su dirección invariable. Las personas que lanzan el yoyó de dos ruedas pueden permanecer en el mismo lugar sin moverse. El yoyó de una rueda solo tiene un disco instalado en un extremo, y el momento de gravedad del disco hace que el yoyó precesione. Las personas que lanzan el yoyó de una rueda deben girar alrededor del yoyó en el mismo lugar para evitar que se caiga de la cuerda.

El uso de la inercia del movimiento de rotación para mantener la dirección invariable del eje de rotación también se aplica en la vida real. Por ejemplo, hacer que una bala o un proyectil de artillería gire puede evitar que se voltee durante el vuelo, lo que mejora la precisión del disparo. Por ejemplo, los satélites artificiales de la Tierra que giran alrededor de un eje simétrico pueden mantener una postura estable. El primer satélite artificial de la Tierra, «Dongfanghong I», fue un satélite estable mediante rotación.