Varios instrumentos de vuelo utilizan las propiedades de un giroscopio para su funcionamiento. Los instrumentos más comunes que contienen giroscopios son el coordinador de viraje, el indicador de rumbo y el indicador de actitud. Para comprender el funcionamiento de estos instrumentos es necesario conocer los sistemas de alimentación de los instrumentos, los principios giroscópicos y los principios de funcionamiento de cada instrumento.
Principios giroscópicos
Cualquier objeto que gire presenta propiedades giroscópicas. Una rueda o rotor diseñado y montado para utilizar estas propiedades se llama giroscopio. Dos características importantes del diseño de un giroscopio instrumental son un gran peso para su tamaño, o una alta densidad, y la rotación a alta velocidad con cojinetes de baja fricción.
Hay dos tipos generales de montajes; el tipo utilizado depende de la propiedad del giroscopio que se utilice. Un giroscopio de montaje libre o universal es libre de girar en cualquier dirección alrededor de su centro de gravedad. Se dice que una rueda de este tipo tiene tres planos de libertad. La rueda o rotor es libre de girar en cualquier plano con respecto a la base y está equilibrada de manera que, con la rueda giroscópica en reposo, permanece en la posición en la que está colocada. Los giroscopios de montaje restringido o semirrígido son los que se montan de forma que uno de los planos de libertad se mantiene fijo en relación con la base.
Hay dos propiedades fundamentales de la acción giroscópica: la rigidez en el espacio y la precesión.
La rigidez en el espacio
La rigidez en el espacio se refiere al principio de que un giroscopio permanece en una posición fija en el plano en el que está girando. Un ejemplo de rigidez en el espacio es el de una rueda de bicicleta. A medida que las ruedas de bicicleta aumentan su velocidad, se vuelven más estables en su plano de rotación. Por eso una bicicleta es inestable y maniobrable a bajas velocidades y estable y menos maniobrable a velocidades más altas.
Montando esta rueda, o giroscopio, en un conjunto de anillos cardán, el giroscopio es capaz de girar libremente en cualquier dirección. Así, si los anillos del cardán se inclinan, giran o se mueven de otra manera, el giroscopio permanece en el plano en el que estaba girando originalmente.
Precesión
La precesión es la inclinación o giro de un giróscopo en respuesta a una fuerza deflectora. La reacción a esta fuerza no se produce en el punto en el que se aplicó, sino que se produce en un punto que está 90º más adelante en la dirección de rotación. Este principio permite al giroscopio determinar la velocidad de giro detectando la cantidad de presión creada por un cambio de dirección. La velocidad de precesión del giroscopio es inversamente proporcional a la velocidad del rotor y proporcional a la fuerza de deflexión.
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Usando el ejemplo de la bicicleta, la precesión actúa sobre las ruedas para permitir que la bicicleta gire. Mientras se conduce a velocidad normal, no es necesario girar el manillar en la dirección del giro deseado. Basta con que el ciclista se incline en la dirección que desee. Dado que las ruedas giran en el sentido de las agujas del reloj cuando se ven desde el lado derecho de la bicicleta, si un ciclista se inclina hacia la izquierda, se aplica una fuerza a la parte superior de la rueda hacia la izquierda. La fuerza actúa en realidad a 90° en la dirección de rotación, lo que tiene el efecto de aplicar una fuerza a la parte delantera del neumático, haciendo que la bicicleta se mueva hacia la izquierda. Es necesario girar el manillar a bajas velocidades debido a la inestabilidad de los giroscopios que giran lentamente y también para aumentar la velocidad de giro.
La precesión también puede crear algunos errores menores en algunos instrumentos. La precesión puede hacer que un giroscopio que gira libremente se desplace de su plano de rotación previsto por la fricción de los rodamientos, etc. Algunos instrumentos pueden requerir una realineación correctiva durante el vuelo, como el indicador de rumbo.
Fuentes de energía
En algunas aeronaves, todos los giroscopios funcionan al vacío, a presión o eléctricamente. En otras aeronaves, los sistemas de vacío o presión proporcionan la energía para los indicadores de rumbo y actitud, mientras que el sistema eléctrico proporciona la energía para el coordinador de giro. La mayoría de las aeronaves tienen por lo menos dos fuentes de energía para asegurar que al menos una fuente de información del banco esté disponible si una fuente de energía falla. El sistema de vacío o presión hace girar el giróscopo atrayendo una corriente de aire contra los álabes del rotor para hacerlo girar a gran velocidad, de forma muy parecida al funcionamiento de una noria o turbina. La cantidad de vacío o presión necesaria para el funcionamiento de los instrumentos varía, pero suele estar entre 4,5 «Hg y 5,5 «Hg.
Una fuente de vacío para los giroscopios es una bomba accionada por motor de paletas que se monta en la caja de accesorios del motor. La capacidad de la bomba varía en diferentes aviones, dependiendo del número de giroscopios.
Un sistema de vacío típico consiste en una bomba de vacío accionada por el motor, una válvula de alivio, un filtro de aire, un manómetro y los tubos necesarios para completar las conexiones. El manómetro está montado en el panel de instrumentos de la aeronave e indica la cantidad de presión en el sistema (el vacío se mide en pulgadas de mercurio menos que la presión ambiente).
Como se muestra en la Figura 8-20, el aire es aspirado en el sistema de vacío por la bomba de vacío accionada por el motor. Primero pasa por un filtro, que evita que entren materias extrañas en el sistema de vacío o de presión. A continuación, el aire se mueve a través de los indicadores de actitud y rumbo, donde hace girar los giroscopios. Una válvula de alivio impide que la presión de vacío, o succión, supere los límites prescritos. Después, el aire se expulsa por la borda o se utiliza en otros sistemas, como para inflar las botas neumáticas de deshielo.
Es importante controlar la presión de vacío durante el vuelo, porque los indicadores de actitud y rumbo pueden no proporcionar información fiable cuando la presión de succión es baja. El manómetro de vacío, o succión, suele estar marcado para indicar el rango normal. Algunas aeronaves están equipadas con una luz de advertencia que se ilumina cuando la presión de vacío cae por debajo del nivel aceptable.
Cuando la presión de vacío cae por debajo del rango normal de funcionamiento, los instrumentos giroscópicos pueden volverse inestables e inexactos. Comprobar los instrumentos de forma rutinaria es un buen hábito que hay que desarrollar.
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