Uno de los principales afanes de físicos y metrólogos en las últimas décadas ha sido y es conseguir medir con la mayor precisión posible la velocidad de rotación terrestre para así poder determinar la duración exacta de un día concreto, pues se trata de un valor que varía ligeramente de uno para otro dependiendo de diversos factores que afectan a la velocidad angular de la Tierra. En este contexto, un equipo de científicos alemanes y neozelandeses ha presentado un método basado en el empleo de un giroscopio láser que permite medir con enorme precisión dicho parámetro.

Un método que ha sido descrito como novedoso y/o innovador…, aunque en realidad la idea de recurrir a un giroscopio para estudiar la rotación terrestre no puede catalogarse como tal, ya que se remite ni más ni menos que a 1851, cuando el físico francés Léon Foucault ideó el péndulo que lleva su nombre. (Casi) todo el mundo ha visto alguna vez un péndulo de Foucault en un museo de ciencia. Y hasta es posible que esté familiarizado con la historia de su invención. Foucault diseñó el experimento del péndulo para demostrar a ojos vista de cualquiera la rotación de la Tierra, es decir, que la Tierra gira sobre su eje en el espacio.

Un péndulo en el sótano

En enero de 1851 veía la luz el primer péndulo de Foucault, que este montó en el sótano de su vivienda: consistía en un peso de 5 kilos suspendido del extremo de un cable de 1,98 metros sujeto al techo. Para conseguir que el péndulo comenzase a oscilar sin más impulso que su propia inercia, Foucault ató el peso a la pared con una cuerda y procedió a quemarla con una vela. 

Te puede interesar

Horace-Bénédict de Saussure: el naturalista inventor de instrumentos meteorológicos, de la geología y del alpinismo

James Dewar, el físico que inventó el termo para estudiar los gases a temperaturas de -200ºC

Al cabo de media hora el desplazamiento del plano de oscilación del péndulo se hizo evidente. Dado que un péndulo suspendido libremente no cambiaba la dirección de su oscilación una vez esta comienza, por fuerza la rotación aparente –y notoria– se debía al movimiento de rotación del planeta. 

Apenas unos días más tarde, los más prestigiosos científicos franceses se congregaban en el hall del Observatorio de París para presenciar por primera vez el movimiento del péndulo. Para su demostración, Foucault suspendió la misma esfera de 5 kilos de un cable de 11 metros sujeto del techo del edificio. La puesta en escena resultó un gran éxito. Poco después, efectuaba una nueva demostración pública en el Panteón de París. El nuevo péndulo constaba de una esfera de 28 kilos suspendida de la imponente bóveda mediante un cable de 67 metros. Una vez libre, su plano de oscilación había comenzado a rotar a una velocidad de 110 la hora. Al cabo de ocho horas, se encontraba en ángulo recto a la dirección original. Y tras 32,7 horas, había completado la circunferencia. Un monumental montaje que asombró y sigue asombrando a todo aquel que lo observa.

Lo que ya no es tan vox populi es que solo un año después, en 1852 –al parecer por sugerencia del matemático Louis Poinsot–, Foucault diseñó un instrumento mucho más manejable y pequeño que, además, permitía observar y medir la velocidad de rotación terrestre en unos pocos minutos: el giroscopio.

El giroscopio original presentaba un pesado disco atravesado por un eje y dispuesto en un cardán, esto es, una estructura consistente en dos círculos o anillos concéntricos cuyos ejes forman un ángulo recto que permite mantener la dirección de un eje en rotación en el espacio. O, dicho de un modo más revelador: una estructura que permite al disco rotar libremente en el espacio independientemente de cómo se mueva el soporte sobre el que está apoyado.

Aunque generalmente se afirma que Foucault inventó el giroscopio, esto admite matices: para entonces ya existían desde hacía años instrumentos similares, así que lo más probable es que Foucault lo adaptase para sus propósitos y acuñase el término de giroscopio. Pero esa es otra historia. Sea como fuere, el principio en el que se basó Foucault es simple: un cuerpo toroide –un disco– que gira sobre su eje a gran velocidad, en virtud de su inercia, tiende a mantener constante (o fijo) su eje de rotación en el espacio, independientemente del movimiento del vehículo sobre el que esté girando. En este caso de la Tierra. A efectos prácticos, esto se traduce en que un observador en reposo (relativo) sobre la superficie terrestre, y que por tanto viaja a bordo de ella, lo que verá es que el eje de giroscopio se desvía, inclinándose con respecto a su posición inicial.

El instrumento diseñado por Foucault y materializado por su colaborador habitual, el ingeniero Paul-Gustave Froment, presentaba un toroide que giraba a una velocidad inicial de 200 rotaciones/segundo, lo que le permitía mantenerse girando –antes de sucumbir a la fuerza de fricción atmosférica– durante 10 minutos. Tiempo suficiente para que pudiera observarse la desviación del eje debida a la rotación terrestre a través de un microscopio que completaba el conjunto.

Un punto de partida clásico para una nueva precisión

El ‘novedoso’ sistema presentado el pasado mes de septiembre por un equipo de científicos alemanes y neozelandeses recurre a un giroscopio láser, un tipo de giroscopio óptico. El principio por el que se rigen ambos es solo ligeramente diferente.

El punto de partida es el mismo: un cuerpo sobre la superficie terrestre, por el hecho de estar apoyado sobre ella, está girando en el espacio con una determinada velocidad angular. Si ese cuerpo comienza a girar sobre sí mismo en el mismo sentido de giro del planeta, entonces su velocidad angular total será la suma de ambas. Si gira en sentido contrario, su velocidad rotacional total será la diferencia entre ambas. 

En el caso de los giroscopios ópticos, estos consisten en un anillo en cuyo interior un haz de luz (en este caso láser) es dividido en dos haces mediante un juego de espejos. Cada uno de ellos viajando en un sentido del anillo. El que gira en el mismo sentido que la Tierra lo hará con una velocidad angular total ligeramente mayor que el que lo hace en sentido opuesto y, en consecuencia, también alcanzará un punto equidistante ligeramente antes. Y ese pequeño desfase entre ambos rayos de luz genera un patrón de interferencia cuyo análisis permite determinar la velocidad de rotación terrestre. Un principio que, de facto, tampoco tiene nada de novedoso, ya que fue descubierto por el físico teórico George Marc Sagnac en 1913, a partir de los experimentos efectuados por Michelson y Morley con su interferómetro.

Así que lo verdaderamente novedoso del nuevo montaje es el grado de precisión que alcanzan sus mediciones, que superan a las de los métodos empleados hasta ahora.

-Ir al suplemento Tercer Milenio

Apúntate y recibe cada semana en tu correo la newsletter de ciencia