Gyrocompass

driftsprincipper

en form for gyroskop er et spindehjul monteret, så retningen af dens spinakse har universel rotationsfrihed. Spin gør det muligt at anvende materialets masse eller inertielle egenskaber kontinuerligt og giver derved anledning til et relativt stort gyroskopisk momentum eller inerti i et hjul i moderat størrelse. Den vigtige egenskab ved et praktisk gyroskop er dets vinkelmoment—produktet af dets spin og dets inerti omkring spinaksen. Denne mængde er en vektor, da den har både retning og størrelse. Vinkelmomentvektoren kan være hensigtsmæssigt repræsenteret ved at krølle fingrene på højre hånd i rotationsfornemmelsen af spin, den udvidede tommelfinger af hånden peger derefter i retning af vinkelmomentvektoren. Vinkelmomentet er næsten parallelt med spinaksen i en praktisk gyrokompas.

på samme måde styres øjeblikket af en kraft (drejningsmoment eller drejningseffekt) langs den udstrakte tommelfinger på højre hånd, når fingrene på hånden krøller i betydningen af den rotation, som kraften forsøger at producere. Følgende er den grundlæggende lov for gyroskop: når et drejningsmoment påføres et gyroskop, vil det rotere (eller præcess) for at forsøge at justere dets vinkelmoment med drejningsmomentet. Præcessionen er med hensyn til inertialrum—det vil sige et referencerum, der ikke er roterende i forhold til de “faste stjerner.”Bemærk, at jorden ikke er en del af inertialrummet på grund af dets daglige rotation. Størrelsen af præcessionen er direkte proportional med størrelsen af drejningsmomentet og omvendt proportional med størrelsen af vinkelmomentet. Når der ikke påføres noget drejningsmoment, forbliver spinaksen ubevægelig i forhold til inertialrummet; hvis den er rettet mod en stjerne, forbliver den rettet mod stjernen, og følgelig ser den ene ende af aksen ud til en jordobservatør i løbet af en dag at rejse sig i øst og sætte sig i vest. Når et anvendt drejningsmoment forsøger at rotere et gyroskop omkring den lodrette akse, vil spinaksen stige eller dyppe, når den forsøger at justere sin vinkelmoment med drejningsmomentet. Tilsvarende vil et anvendt drejningsmoment omkring en vandret akse få spinaksen til at gå forud for den lodrette akse.

en gyrokompas er et gyroskop, der har en ramme med en massebalance, der giver den en penduløsitet vinkelret på spinaksen. Ved normal drift vil spinaksen være næsten vandret og spids nordpå, mens penduløsiteten er nedad. Overvej en gyrokompas startede med sin spin akse vandret og peger et par grader øst for Nord. Jordens rotation får derefter spinaksen til at stige over horisonten set af en Jordobservatør (mere præcist falder horisonten under spinaksen, som oprindeligt forbliver ubevægelig i inertialrummet). Denne handling frembringer et vandret drejningsmoment rettet mod vest på grund af tyngdekraften på penduløsiteten. Spinaksen, der adlyder grundloven for gyroskoper, går forud for lodret mod meridianen og fortsætter med at stige på grund af Jordens rotation, indtil meridianen er nået. På dette tidspunkt er det hængende drejningsmoment maksimalt, og spinaksen fortsætter med at præcessere gennem meridianen. Når spinaksen er vest for meridianen, får Jordens rotation spinaksen til at indstille, hvilket reducerer det hængende drejningsmoment. I samme afstand vest for nord som startretningen var øst for nord, er spinaksen vandret igen, men på grund af Jordens rotation fortsætter med at sætte sig. Dette får spinaksen til at dyppe under horisonten og producerer et østpå hængende drejningsmoment, hvilket får spinaksen til at gå forud for meridianen igen og til sidst gå forbi meridianen og tilbage til dens startretning, hvor hele denne proces gentages. Spinaksen sporer således en ellipse omkring meridianen og vandret. Ellipsens fladhed og oscillationsperioden afhænger af styrken af penduløsiteten.

for at en gyrokompas skal pege nordpå, er det nødvendigt, at Svingningen dæmpes ud, så enheden kan slå sig ned på meridianen og ikke fortsætte med at passere gennem den. Dæmpning af en oscillator indebærer at ændre sin energitilstand ved at modsætte sig kroppens hastighed. Der er anvendt to principielle metoder til dæmpning. Den første, der blev brugt i alle gyrokompasser undtagen Sperry, blev udviklet af Schuler. Det består i at anvende et antipenduløst drejningsmoment forårsaget af den begrænsede strøm af en viskøs væske, der reagerer på hældningen af det gyroskopiske element. Viskositet og strømningsretning gennem indsnævringen kombineres, så drejningsmomentet påføres i den rette fase til dæmpning. Drejningsmomentet er vandret og er ideelt rettet for at gå forud for gyro mod meridianen til enhver tid: det peger vest, når spinaksen er øst for meridianen og øst, når spinaksen er vest for meridianen. Den kombinerede virkning af hængende og dæmpende drejningsmomenter ændrer den tidligere nævnte elliptiske bevægelse af det udampede regime til en spiralbevægelse mod meridianen. Viskøs friktion absorberer den energi, der trækkes tilbage for at påvirke dæmpningen.

den anden metode til dæmpning anvendes i Sperry gyrokompasset. Sperry compass understøttes af en trådophæng med et strømdrevet opfølgningssystem, kendt som en fantomring, som er en type servomekanisme. Dæmpning indebærer anvendelse af det hængende drejningsmoment på en sådan måde, at dets interaktion med fantomringen og opfølgningsmotoren frembringer et drejningsmoment langs den lodrette akse. Dette forsøger at reducere hældningen af det gyroskopiske element. Da hældning og bevægelse i vandret plan er koblet sammen i en gyrokompas, tjener denne metode også til at dæmpe spinaksen mod meridianen. Energien til dæmpning leveres af motoren, der driver fantomringen. Dette system har antipenduløs virkning, og dæmpning opnås ved at tilføje energi til systemet.

i sin steady state har en gyrokompas en let opadgående hældning på nordsiden af sin spinakse på den nordlige halvkugle og en nedadgående hældning på den sydlige halvkugle. Dette frembringer det drejningsmoment, der kræves for at gå forud for gyrokompassen i forhold til inertialrummet omkring den lodrette akse med samme hastighed som meridianen roterer omkring den akse på grund af Jordens rotation. Denne hastighed er nul ved ækvator og stiger til fuld jordhastighed ved polerne. På grund af denne ligevægtshældning får dæmpningsmetoden, der anvendes i Sperry gyrokompas, spinaksen til at slå sig lidt øst for meridianen på den nordlige halvkugle og vest i den sydlige. Dette er en lille kendt vinkel, der let kompenseres for i overskriftsindikationen.

kompasserne Ansch og Arma understøttes af flotation. Det hængende drejningsmoment opnås ved blot at montere enheden med tyngdepunktet under drejetappen. Dæmpning opnås ved begrænset strømning af en viskøs væske i et rør. Det brune kompas understøttes af en pulserende oliesøjle. Det hængende drejningsmoment opnås ved strømmen af olie mellem to tanke. Lufttryk genereret af gyro-hjulets drejning tvinger olien op ad bakke for at give den penduløsitet, da den er naturligt antipenduløs eller toptung. Det dæmpes af begrænset strømning af en viskøs væske i et rør. Sperry compass understøttes af en trådophæng med en motordrevet fantomring for at fjerne vridning (vridning) fra ledningerne. Omkring fantomringen er en ramme kaldet ballistisk. Det hængende drejningsmoment opnås ved strømmen af kviksølv mellem to tanke (kviksølvballistikken). Da denne handling er antipenduløs, er ligevægtsretningen for det gyroskopiske vinkelmoment sydpå. Denne kombination af to potentielt ustabile komponenter producerer et stabilt system. Den dæmpes af opfølgningsmotoren, som modtager et signal, der er proportionalt med forskydningen af fantomringen fra den hjulbærende gimbal.