Gyrocompass

toimintaperiaatteet

yksi gyroskoopin muoto on spinning wheel, joka on asennettu siten, että sen spin-akselin suunnalla on yleinen pyörimisvapaus. Spin mahdollistaa pyörässä olevan materiaalin massan eli inertiaaliominaisuuksien jatkuvan käytön ja synnyttää siten kohtalaisen kokoisessa pyörässä suhteellisen suuren gyroskooppisen liikemäärän tai inertian. Käytännöllisen gyroskoopin tärkeä ominaisuus on sen kulmamomentti-sen pyörimisen ja sen inertian tulos pyörimisakselin suhteen. Tämä Suure on vektori, koska sillä on sekä suunta että suuruus. Kulmamomenttivektoria voidaan sopivasti esittää kiertämällä oikean käden sormia pyörimismielessä siten, että käden ojennettu peukalo osoittaa silloin kulmamomenttivektorin suuntaan. Kulmamomentti on käytännöllisessä gyrokompassissa lähes linkoakselin suuntainen.

samalla tavalla voiman momentti (vääntömomentti eli kääntöefekti) suuntautuu oikean käden ojennettua peukaloa pitkin, kun käden sormet kaartuvat siinä mielessä kuin voima yrittää tuottaa pyörimisen. Gyroskooppien peruslaki on seuraava: kun gyroskooppiin kohdistetaan vääntömomentti, se pyörii (tai prekessoi) niin, että se pyrkii kohdistamaan kulmamomenttinsa vääntömomentin kanssa. Prekessio on inertiaaliavaruuden suhteen-toisin sanoen referenssiavaruus, joka ei ole protaattinen suhteessa ”kiinteisiin tähtiin.”Huomaa, että maa ei kuulu inertiaaliavaruuteen sen päivittäisen pyörimisen vuoksi. Prekession suuruus on suoraan verrannollinen vääntömomentin suuruuteen ja kääntäen verrannollinen kulmamomentin suuruuteen. Kun vääntömomenttia ei käytetä, spin-akseli pysyy liikkumattomana inertiaaliavaruuteen nähden; tähdelle tähdätessään se pysyy tähteen suunnattuna, ja näin ollen akselin toinen pää näyttää maan tarkkailijalle päivän aikana nousevan itään ja asettuvan länteen. Kun käytetty vääntömomentti yrittää pyörittää gyroskooppia pystyakselin ympäri, spin-akseli nousee tai notkahtaa, kun se yrittää sovittaa kulmamomenttinsa vääntömomentin kanssa. Vastaavasti vääntövoima vaaka-akselin ympäri saa spin-akselin precessiin pystyakselin ympäri.

gyroskooppi on gyroskooppi, jonka runko on massatasapainoltaan epätasapainoinen ja joka antaa sille heiluriliikkeen suorassa kulmassa spin-akseliin nähden. Normaalikäytössä linkoakseli on lähes vaakasuora ja suippo pohjoiseen, kun taas pendelöinti on alaspäin. Ajatellaanpa gyrokompassia, joka alkoi spin-akselinsa ollessa vaakasuora ja osoittaen muutaman asteen itään pohjoisesta. Maan pyöriminen saa sitten spin-akselin nousemaan horisontin yläpuolelle maan havainnoijan näkemänä (oikeammin horisontti laskee spin-akselin alapuolelle, joka pysyy aluksi liikkumattomana inertiaaliavaruudessa). Tämä toiminta tuottaa länteen suunnatun vaakasuoran vääntömomentin, joka johtuu painovoiman vaikutuksesta heilurointiin. Spin-akseli, joka noudattaa gyroskooppien peruslakia, prekessoi pystysuoran pituuspiiriä kohti, jatkaen nousuaan maan pyörimisen vuoksi, kunnes pituuspiirille päästään. Tällöin heilurimomentti on suurin ja pyörimisakseli jatkaa precessiä pituuspiirin läpi. Kun spin-akseli on meridiaanin länsipuolella, Maan pyöriminen aiheuttaa spin-akselin asettumisen, jolloin heilurin vääntömomentti pienenee. Samalla etäisyydellä pohjoisesta länteen kuin lähtösuunta oli pohjoisesta itään, spin-akseli on jälleen vaakasuora,mutta maan pyörimisen vuoksi se asettuu edelleen. Tämä saa spin-akselin notkahtamaan horisontin alapuolelle ja tuottaa itään suuntautuvan heilurimomentin, jolloin spin-akseli precessoituu jälleen kohti pituuspiiriä ja lopulta precess meridiaanin ohi ja takaisin lähtösuuntaansa, jossa tämä koko prosessi toistetaan. Spin-akseli siis jäljittää ellipsin pituuspiirin ympäri ja vaakasuoraan. Ellipsin tasaisuus ja värähtelyjakso riippuvat heilahduksen voimakkuudesta.

jotta gyrokompassi osoittaisi pohjoiseen, on värähtely vaimennettava niin, että yksikkö voi asettua pituuspiirille eikä kulkea sen läpi. Vaimennus oskillaattori liittyy muuttaa sen energiatilan vastustamalla nopeus kehon. Vaimennukseen on käytetty kahta periaatteellista menetelmää. Ensimmäisen, jota käytettiin kaikissa Gyrokompasseissa Sperryä lukuun ottamatta, kehitti Schuler. Siinä käytetään antipenduloivaa vääntömomenttia, jonka aiheuttaa gyroskooppisen elementin kallistukseen reagoivan viskoosin nesteen rajoitettu virtaus. Viskositeetti ja virtaussuunta Kuristuksen läpi yhdistetään siten, että vääntömomenttia käytetään oikeassa vaimennusvaiheessa. Vääntömomentti on vaakasuora ja suunnataan ihanteellisesti niin, että hyrrä on koko ajan kohti pituuspiiriä: se osoittaa länteen, kun spin-akseli on pituuspiiristä itään ja itään, kun spin-akseli on pituuspiiristä länteen. Heiluvien ja vaimentavien vääntömomenttien yhteisvaikutus muuttaa aiemmin mainitun vaimentamattoman järjestelmän elliptisen liikkeen kierteiseksi kohti pituuspiiriä. Viskoosi kitka absorboi vaimennuksen aikaansaavan energian.

toista vaimennusmenetelmää käytetään Sperry gyrokompassissa. Sperry-kompassia tukee sähkötoimisella seurantajärjestelmällä varustettu vaijerijousitus eli Phantom ring, joka on servomekanismin tyyppi. Vaimennus edellyttää heilurimomentin kohdistamista siten, että sen vuorovaikutus haamurenkaan ja seurantamoottorin kanssa tuottaa vääntömomentin pystyakselia pitkin. Tällä pyritään vähentämään gyroskooppisen elementin kallistusta. Koska vaakatasossa kallistus ja liike kytkeytyvät toisiinsa gyrokompassina, tällä menetelmällä voidaan myös vaimentaa linkoakselia kohti pituuspiiriä. Vaimennusenergian tuottaa moottori, joka käyttää phantom-rengasta. Tämä järjestelmä on antipendulous toimintaa, ja vaimennus saadaan lisäämällä energiaa järjestelmään.

vakaassa tilassaan gyrokompassi kallistuu hieman ylöspäin spin-akselinsa pohjoispuolella pohjoisella pallonpuoliskolla ja alaspäin eteläisellä pallonpuoliskolla. Tämä tuottaa vääntömomentin, joka tarvitaan gyrokompassin precessiin suhteessa inertiaaliavaruuteen pystyakselin ympäri samalla nopeudella kuin pituuspiiri pyörii kyseisen akselin ympäri maan pyörimisen vuoksi. Tämä nopeus on päiväntasaajalla nolla ja kasvaa napojen kohdalla täyteen Maanopeuteen. Tämän tasapainotilan kallistelun vuoksi Sperry gyrocompassissa käytetty vaimennusmenetelmä saa spin-akselin asettumaan hieman pituuspiiristä itään pohjoisella pallonpuoliskolla ja länteen eteläisellä. Tämä on pieni tunnettu kulma, joka on helposti kompensoida otsikossa.

Anschützin ja Arman kompasseja tukee kellunta. Heilurimomentti saadaan yksinkertaisesti asentamalla yksikkö painopisteen ollessa Pivotin alapuolella. Vaimennus saadaan virtaamalla viskoosia nestettä rajoitetusti putkessa. Ruskeaa kompassia tukee sykkivä öljypylväs. Heiluva vääntömomentti saadaan öljyn virtauksesta kahden säiliön välillä. Gyro-pyörän pyörimisen synnyttämä Ilmanpaine pakottaa öljyn ylämäkeen antamaan sille heilurointia, koska se on luonnostaan antipenduloivaa eli ylhäältä painavaa. Se vaimenee, kun viskoosi neste virtaa rajoitetusti putkessa. Sperry kompassia tukee vaijerijousitus, jossa on moottorikäyttöinen phantom-rengas, joka poistaa vääntöä (kiertymistä) johtimista. Haamurenkaan ympärillä on kehikko, jota kutsutaan ballistiikaksi. Heilurimomentti saadaan elohopean virtauksesta kahden säiliön välillä (elohopeaballistinen). Koska tämä toiminta on antipenduloivaa, gyroskooppisen kulmamomentin tasapainosuunta on etelään. Tämä kahden mahdollisesti epästabiilin komponentin yhdistelmä tuottaa vakaan järjestelmän. Sitä vaimentaa seurantamoottori, joka vastaanottaa pyörää tukevalta gimbaalilta Phantom-renkaan siirtymiseen verrannollisen signaalin.