El momento angular de un objeto giratorio es la medida de la medida en que el objeto continuará girando alrededor del punto a menos que se aplique mediante un par externo.
El momento angular (H) es el producto del momento de inercia (I) y la velocidad angular (omega). El momento de inercia se basa en la geometría de la masa. Eso por lo general es invariable. Por lo tanto, aumentamos el momento angular de la rueda al aumentar la velocidad a la que gira.
El par se define como un cambio en el momento angular a lo largo del tiempo. Entonces, si queremos cambiar la orientación de la rueda, tenemos que cambiar la orientación del vector de momento angular. Eso requiere fuerza (torque)
En esta ilustración vemos la rueda desde arriba. Las tres imágenes muestran una rotación gradual de la rueda alrededor de un eje perpendicular a su eje de giro. No hemos cambiado la velocidad de la rueda, por lo que la magnitud total del impulso no cambia, pero hemos cambiado su dirección.
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Esta rueda en particular está girando lo suficientemente rápido como para tener un momento angular de 5000 Newton-metro-segundos. Podemos ver que una rotación de 90 grados elimina ese 5000 del eje x y lo transfiere al eje y. Vamos a pretender que tomó 100 segundos para hacer la rotación de 90 grados. Eso requeriría el equivalente de un par continuo de 50 Nm para cada eje.
Podemos ver que la cantidad de fuerza necesaria para rotar el plano de la rueda será proporcional a la velocidad angular de la rueda, porque si duplicamos la velocidad de la rueda, se necesitaría el doble de torque para reorientarla.
Es un largo camino para afirmar que cuanto más rápido gira la rueda, más resistente es a que se altere su orientación plana.
Entonces, si ponemos una rueda dentro de una nave espacial y la giramos a una velocidad alta, creará estabilidad porque si un par externo intenta girar la nave, también tiene que girar la rueda.
Este concepto de giroscopios se utiliza de varias maneras diferentes a bordo de las naves espaciales. Puede ser utilizado tanto para la navegación como para el control.
Por ejemplo, en el Transbordador espacial había ruedas giratorias en un dispositivo llamado IMU (Unidad de Medición Inercial). Eran pequeños y no estabilizaban el vehículo, pero una vez que giraban querían permanecer apuntando inercialmente fijos. Si el transbordador espacial giraba, resistían esa rotación y esa resistencia se medía como voltaje por un sensor y se convertía en telemetría que representaba la rotación del transbordador.
Hay tres categorías principales de ruedas giratorias utilizadas para controlar la actitud:
- Ruedas de impulso (sistemas de impulso sesgado): a menudo una rueda única que puede aumentar o disminuir su velocidad para proporcionar un par de torsión que contrarreste el par perturbador. Por lo general, se mantienen a alta velocidad para endurecer el vehículo.
- Ruedas de reacción (sistemas de polarización cero) – a menudo tres ruedas (una para cada eje). No necesariamente giran todo el tiempo, pero se giran hacia arriba o hacia abajo según sea necesario para controlar sus respectivos ejes.
- Giroscopios de control de momento (CMG) : las ruedas múltiples se giran a velocidades generalmente fijas y los cardos giran el plano de las ruedas para crear pares.
El último (CMG) se utiliza a bordo de la ISS.
Tenemos cuatro ruedas. Cada uno gira a una velocidad constante de 6600 rpm y cada uno tiene una masa de aproximadamente 100 kg. Cada uno de ellos está contenido dentro de dos cardanes que nos permiten orientarlos en cualquier dirección. Al utilizarlos como un sistema, aumentamos y disminuimos la magnitud del momento angular del sistema.
