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José María Rebés

Giróscopos, de la peonza al espacio

 Fecha y hora de inicio
 
10/08/2012 11:49:35
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El 16 de Julio de 1999 moría en accidente de aviación John Kennedy Jr. y junto con él su esposa Carolyn y su cuñada Lauren. El informe oficial del NTSB concluyó que el accidente de la Piper Saratoga se debió a una desorientación espacial durante un vuelo nocturno en medio de la niebla ( http://www.ntsb.gov/news/2000/000706.htm ). Los medios especularon con problemas en el piloto automático (se habían informado problemas en esa nave un par de veces antes del accidente) y problemas con el giroscopio. Los test realizados al giroscopio tras la recuperación del avión no mostraron malfuncionamiento alguno.

La orientación espacial es la capacidad de mantener la actitud y orientación corporal con independencia del entorno y de los movimientos del lugar físico en el que se encuentra la persona. En definitiva, conservar el sentido de la verticalidad del cuerpo en cualquier situación. Físicamente esa capacidad en el ser humano está basada en los órganos del oído interno, concretamente de las vesículas utrículo y sáculo, pero también interviene la vista, y otras partes del cuerpo en menor medida. La falta de coherencia entre la información suministrada al cerebro por la vista y el oído produce el vértigo o la desorientación espacial.

Ese sentido nuestro tiene su equivalente, más perfecto, en el giróscopo, un pequeño pero definitivamente grande invento cuya función es la de conservar una orientación dada a pesar de los movimientos del entorno. El ejemplo más casero de giróscopo es el trompo o peonza: mientras gira a gran velocidad conserva su verticalidad incluso si se inclina el plano sobre el que gira, e incluso si se deja caer de un plano a otro inferior. Una ligera oscilación desplazada con respecto a la verticalidad absoluta, en la que dibuja un cono perfecto, se llama precesión. La vertical está entonces en el eje del cono.

El giróscopo fue inventado en 1852 por Leon Foucault, como parte de un experimento diseñado para demostrar la rotación de la Tierra. Una de sus posibilidades más interesantes es la de conservar una actitud hacia un punto concreto espacial, lo que aplicado a la navegación de barcos suposo la creación, a primeros del Siglo XX, de los girocompases, aparatos que apuntan al Norte geográfico (en lugar de al Norte magnético) permitiendo a los barcos una orientación espacial independiente de los campos magnéticos circundantes e incluso de los efectos generados por la propia estructura del barco en las brújulas magnéticas.

En aviación, el giróscopo (o giroscopio) permite la orientación del avión en cuanto a su actitud, a través de lo que se denomina el indicador de "horizonte artificial". El horizonte artificial consta de un giróscopo de rotación horizontal montado sobre un sistema de ejes que le confiere tres grados de libertad (montaje universal), dentro de una caja hermética. El sistema de succión permite la entrada de aire en la caja en la que se encuentra el giróscopo para dotarle del giro necesario para su funcionamiento (unas 16000 rpm). Los movimientos del avión en cualquiera de sus tres ejes de rotación no provocan la inclinación del giróscopo dentro de su caja, que se mantiene como referencia fija, sirviendo entonces para indicar la actitud del avión a los pilotos. El fallo del sistema de succión implica, obviamente, el detenimiento o malfuncionamiento del giróscopo, y por lo tanto el fallo del indicador. La representación visual del horizonte en este indicador ayuda a una percepción intuitiva de la actitud del avión (un avioncito con cielo azul por encima y tierra por debajo).

Fallos en giroscopios pueden conducir a accidentes. El sentido humano de la orientación espacial se puede ver confundido en descensos en giro, en los que la percepción puede llegar a ser de mantenimiento de la altura y nivel horizontal en lugar de descenso inclinado, es decir, una total desorientación acerca de la actitud real del avión. En esas condiciones incluso un piloto poco experimentado podría llegar a creer que el horizonte artificial está fallando y a confiar más en sus sentidos que en el instrumental (como lamentable ejemplo de accidente con víctimas por malfuncionamiento de un giroscopio véase http://www.canada.com/ottawacitizen/news/story.html?id=9e064258-7e95-4b64-8dc6-6382a5bf99f6 y http://articles.nydailynews.com/1999-11-28/news/18115058_1_plane-flight-instructor-instruments ).

La capacidad de los giroscopios de mantener la orientación se mantiene en ausencia de gravedad (de hecho mejora en ausencia de gravedad), lo que los convierte en imprescindibles para la orientación de las naves espaciales. Para que un satélite en órbita alrededor de la Tierra conserve su actitud con respecto a nuestro planeta es imprecindible que disponga de un sistema que le permita reajustar su actitud en base a un sistema referencial inamovible. Un satélite cualquiera del conjunto Astra no podría recibir ni distribuir señales de televisión si no estuviera permanentemente orientado de forma correcta con respecto a la Tierra. Una nave que parta de la Tierra para ir a cualquier otro punto espacial exterior a la misma necesita de un sistema referencial que le permita comunicarse con la Tierra, dirigir sus antenas de comunicación hacia ella. Los giroscopios de la nave Voyager 1, lanzada en 1977, tienen una esperanza de vida de hasta el 2016. Actualmente sigue enviando información a la Tierra, a la que apunta su antena gracias a esos pequeños aparatos, incluso a más de 11,1 miles de millones de millas de la Tierra, información que tarda más de 16 horas en llegar desde su actual posición.

Los giróscopos del Hubble le permiten mantenerse "inmóvil" apuntando a donde se necesita para una exploración dada. Ese gran telescopio orbital no está siempre apuntando al mismo punto del espacio, sino que se le orienta de acuerdo a las necesidades de exploración de cada experimento. Para ello necesita un conjunto de girospios que son su sistema referencial interno, independiente del punto de la órbita en el que se encuentre y a despecho de la influencia de los campos gravitatorio y magnético de la Tierra y el Sol. Los giróscopos del Hubble han sido remplazados en varias ocasiones desde su puesta en órbita, la última en 2008 cuando se cambiaron los seis que incorpora. Se espera que con ellos pueda llegar hasta el final de su vida operativa. Probablemente reingresará en la atmósfera terrestre entre 2019 y 2032, dependiendo de la influencia del Sol en su órbita, pero antes sus sistema electrónicos habrán probablemente dejado de estar operativos.

Recientemente el uso de sofisticados giroscopios ha permitido a la NASA determinar que la Teoría de la Relatividad de Albert Einstein se cumple en cuanto a la curvatura del espacio-tiempo en presencia de objetos masivos como la Tierra. Véase http://ciencia.nasa.gov/ciencias-especiales/04may_epic/

De la peonza a la Teoría de la Relatividad, estos pequeños inventos participan diariamente en la vida humana.

Saludos,

José María
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Respondido por
José María Rebés

 Respuesta 3
 
10/08/2012 13:11:25

Jejeje, bueno, no soy el único siesteando en el screening ahora mismo, de hecho estamos más que de costumbre, como se nota en la cola según confirmas.

Pues las cosas que escribo las pienso por la tarde, ahora libres gracias a la intensiva de verano, aunque las envíe por la mañana al foro. Rebusco en Internet, llego a tener 20 páginas abiertas sobre el mismo tema o temas relacionados, y tras componer mentalmente la estructura del texto entonces lo escribo.

Tengo que reconocer que lo que más me cuesta es encontrar un primer párrafo que lance el tema en el clásico esquema "introducción-desarrollo-conclusión". Ese primer párrafo suele tener muchas variantes de las cuales elijo la que más interés creo que pueda ofrecer, sabiendo que leer o no el resto puede depender del buen inicio.

En fin, disfruto haciéndolo, solo espero que alguien lo encuentre interesante como vosotros dos.

Gracias a vosotros.

Respondido por
José María Rebés

 Respuesta 4
 
10/08/2012 13:27:29

Para que no decaiga, trabajo sobre Equilibrio y Vuelo de los Dr. Pedro J. Ortiz y José María Sastre, ambos del Servicio Médico de Iberia (ignoro la fecha del informe, parece que finales del 2011):

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http://www.semae.es/wp-content/uploads/2011/11/Wquilibrio-y-Vuelo.pdf

CINETOSIS

Cuando el hombre está sometido a movimiento, tanto si es un movimiento real como si es ficticio (es el caso por ejemplo de las ilusiones ópticas, de los simuladores o de los cines con pantallas esféricas), puede aparecer el llamado mal de movimiento. Este fenómeno es conocido desde antiguo en el mundo marítimo, donde desde la antigüedad se conoce el MAREO. Puesto que se trata de un efecto del movimiento, que puede ocurrir en cualquier medio de locomoción, se le denomina también Cinetosis.

La incidencia de la cinetosis es variable. Mientras que en pilotos comerciales experimentados es rarísima, en vuelos en condiciones de mucha turbulencia puede llegar casi al 100%. En las primeras fases del entrenamiento de los pilotos, la cinetosis es particularmente frecuente e importante, pudiendo incluso llegar a afectar la seguridad del vuelo: en el entrenamiento básico de pilotos militares, esta situación puede ocurrir en aproximadamente un 15% de los alumnos.
La cinetosis se caracteriza por un conjunto de síntomas, de aparición progresiva, que van desde la dispepsia (sensación de malestar gástrico) y la sensación de frío/calor, hasta el vómito con malestar general, dolor de cabeza, postración y desorientación; Estos síntomas aparecen como consecuencia de la exposición de individuos sanos a estímulos externos no habituales, producidos por movimiento. Se trataría pues de un Síndrome (conjunto de síntomas) de mala adaptación al movimiento.

DESORIENTACIÓN ESPACIAL

La Desorientación Espacial (DE) es la percepción incorrecta que el piloto puede experimentar respecto de la posición, del movimiento o de la presentación de la aeronave o de sí mismo en relación con
el espacio que le rodea. Aunque esta definición incluye los errores en la percepción de la posición de la aeronave, tales incidentes son descritos mejor como "desorientación geográfica". En USA este término es sinónimo de vértigo e históricamente se hace referencia a la desorientación como el "vértigo del piloto". Sin embargo, este término se refiere a una sensación de giro y mareo más en relación con cuadros clínicos y enfermedades, que por supuesto también pueden afectar al piloto. Un piloto con vértigo puede padecer lógicamente de
desorientación espacial, pero hay muchos incidentes en los que estando el piloto desorientado, no padece vértigo.

Casi todos los pilotos han experimentado alguna vez alguna ilusión sensorial. Es bastante común debido a las propias limitaciones fisiológicas de los sentidos en un medio ambiente diferente. De una muestra de 300 pilotos de helicòptero de la Armada inglesa sólo un 2% afirmaban no haber estado desorientados nunca. En la aviación militar, del 2.5% al 14% de los accidentes se deben a DE. En la aviación civil las cifras son dispares, muchos pilotos dicen que nunca se han desorientado porque siempre sabían la orientación correcta del avión gracias a los intrumentos. En los pilotos privados, sin calificación instrumental, la amenaza del accidente es mucho más importante que en los pilotos civiles de transporte. En la aviación general y deportiva la DE es la causa del 16% de los accidentes, sobre todo en condiciones metereológicas adversas y de noche. Entre 1959-75, según estadísticas de OACI, el 54% de los accidentes de trans-porte civil fueron durante la aproximación y aterrizaje. Un 25% de los mismos tuvieron como factor causal la mala interpretación de las distancias, de la altitud o de la velocidad, y por tanto los pilotos estaban desorientados.

La consecuencia más importante de la DE será el accidente. Si el piloto basa el control de la aeronave en una percepción errónea de la presentación o trayectoria, puede dar lugar a pérdida de control y accidente. Afortunadamente, sólo una pequeña proporción de incidentes de Desorientación Espacial tendrá consecuencias tan negativas.
La mayor proporción de accidentes por errores de orientación se
asocian a vuelos con baja visibilidad, en condiciones meteoreológicas adversas, en vuelos que deberían ser IFR. Con buena visibilidad, volando VFR, los accidentes por DE son menos frecuentes y debidos a una mala interpretación de las referencias visuales exteriores.

En la Desorientación Espacial tipo I, el piloto no aprecia que la percepción de la orientación del avión es incorrecta. Es la más peligrosa porque no busca ninguna solución. En la DE tipo II, la más común; el piloto experimenta un conflicto entre lo que siente y lo que le dicen los instrumentos. El conflicto suele solucionarse ya que el piloto suele controlar el avión basándose en lo que le dicen los instrumentos, ya que ha aprendido que sus sentidos le pueden engañar.

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El documento incluye mucho más de lo que se puede aquí incluir, si interesa este tema aconsejo su lectura.



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