Gyrocompass

Operating principles

One form of gyroscope is a spinning wheel mounted so that the direction of its spin axis has universal rotational freedom. O spin permite que as propriedades de massa, ou inerciais, do material na roda sejam utilizadas continuamente e, assim, dá origem a um momento giroscópico relativamente grande ou inércia em uma roda de tamanho moderado. A propriedade importante de um giroscópio prático é seu momento angular—o produto de seu spin e sua inércia sobre o eixo de spin. Esta quantidade é um vetor, Uma vez que tem direção e magnitude. O vetor momento angular pode ser convenientemente representado curvando os dedos da mão direita no sentido rotacional do spin, o polegar estendido da mão, então apontando na direção do vetor momento angular. O momento angular é quase paralelo ao eixo de rotação em um girocompasso prático.

da mesma forma, o momento de uma força (torque ou efeito de viragem) é direcionado ao longo do polegar estendido a mão direita quando os dedos da mão curvatura no sentido da rotação de que a força está tentando produzir. O seguinte é a lei básica da giroscopia: quando um torque é aplicado a um giroscópio, ele vai rodar (ou precess) de modo a tentar alinhar seu momento angular com o torque. A precessão é no que diz respeito ao espaço inercial—isto é, um espaço de referência que não é rotativo em relação às “estrelas fixas”.”Note que a terra não é parte do espaço inercial por causa de sua rotação diária. A magnitude da precessão é diretamente proporcional à magnitude do torque e inversamente proporcional à magnitude do momento angular. Quando não é aplicado nenhum binário, o eixo de rotação permanece imóvel em relação ao espaço inercial; se dirigido a uma estrela, ela permanece voltada para a estrela e, consequentemente, uma extremidade do eixo aparece para um observador da terra, ao longo de um dia, para subir no leste e se estabelecer no oeste. Quando um torque aplicado tenta rodar um giroscópio em torno do eixo vertical, o eixo de rotação vai subir ou mergulhar enquanto tenta alinhar seu momento angular com o torque. Da mesma forma, um binário aplicado em torno de um eixo horizontal fará com que o eixo de rotação preceda em torno do eixo vertical.

um girocompass é um giroscópio com uma moldura com um desequilíbrio de massa dando-lhe uma pendulosidade em ângulos retos ao eixo de rotação. Em operação normal, o eixo de rotação será quase horizontal e pontiaguda para norte, enquanto a pendulosidade é para baixo. Considere um girocompass iniciado com seu eixo de rotação horizontal e apontando alguns graus a leste do Norte. A rotação da terra, então, faz com que o eixo do spin suba acima do horizonte como visto por um observador da terra (mais precisamente, o horizonte mergulha abaixo do eixo do spin, que inicialmente permanece imóvel no espaço inercial). Esta ação produz um torque horizontal dirigido para Oeste devido ao efeito da gravidade na pendulosidade. O eixo de rotação, obedecendo à Lei Básica dos giroscópicos, preces sobre a vertical em direção ao meridiano, continuando a subir por causa da rotação da terra até que o meridiano seja alcançado. Neste ponto, o torque pendular é máximo e o eixo de rotação continua a precessar através do Meridiano. Quando o eixo de rotação está a oeste da rotação da terra do Meridiano faz com que o eixo de rotação se ajuste, reduzindo assim o torque pendular. Na mesma distância a oeste do Norte como a direção de partida foi a leste do Norte, o eixo de rotação é horizontal novamente, mas por causa da rotação da Terra continua a definir. Isto faz com que o eixo de rotação mergulhe abaixo do horizonte e produz um torque pendular para leste, o que faz com que o eixo de rotação para precess em direção ao meridiano novamente e eventualmente precess após o meridiano e de volta para sua direção inicial, onde todo este processo é repetido. O eixo de rotação traça assim uma elipse em torno do meridiano e horizontal. A planalidade da elipse e o período da oscilação dependem da força da pendulosidade.

para uma girocompassa apontar para norte, é necessário que a oscilação seja amortecida para que a unidade possa se estabelecer no meridiano e não continuar passando por ele. Amortecer um oscilador envolve mudar o seu estado de energia, opondo-se à velocidade do corpo. Foram utilizados dois métodos principais de amortecimento. O primeiro, usado em todos os girocompassos, exceto o Esperry, foi desenvolvido por Schuler. Consiste em aplicar um torque antipendoso causado pelo fluxo restrito de um fluido viscoso respondendo à inclinação do elemento giroscópico. A viscosidade e a direção do fluxo através da constrição são combinadas de modo que o torque é aplicado na fase adequada para amortecimento. O torque é horizontal e idealmente é direcionado para precessar o giroscópio em direção ao meridiano em todos os momentos: ele aponta para oeste quando o eixo de spin é a leste do meridiano e para leste quando o eixo de spin é a oeste do Meridiano. A ação combinada de torques pendulares e amortecedores muda o anteriormente mencionado movimento elíptico do regime não-amortecido para um movimento em espiral em direção ao meridiano. O atrito viscoso absorve a energia retirada para efetuar o amortecimento.

o segundo método de amortecimento é usado no gyrocompass Sperry. A bússola Sperry é suportada por uma suspensão de fio com um sistema de seguimento a motor, conhecido como um anel fantasma, que é um tipo de servomecanismo. Amortecimento envolve a aplicação do torque pendular de tal forma que sua interação com o anel fantasma e motor de acompanhamento produz um torque ao longo do eixo vertical. Isto tenta reduzir a inclinação do elemento giroscópico. Uma vez que a inclinação e o movimento no plano horizontal estão acoplados em um girocompass, este método também serve para molhar o eixo de rotação em direção ao meridiano. A energia para amortecimento é fornecida pelo motor que opera o anel fantasma. Este sistema tem ação antipendente, e amortecimento é obtido adicionando energia ao sistema.

no seu estado estacionário, um girocompass tem uma ligeira inclinação para cima no lado norte do seu eixo de rotação no hemisfério norte e uma inclinação para baixo no Hemisfério Sul. Isto produz o torque necessário para precessar a girocompassa em relação ao espaço inercial em torno do eixo vertical na mesma taxa que o meridiano está girando em torno desse eixo por causa da rotação da Terra. Esta taxa é zero no Equador e aumenta para a taxa de terra completa nos polos. Devido a esta inclinação de equilíbrio, o método de amortecimento usado no girocompass Sperry faz com que o eixo do spin se estabeleça um pouco a leste do Meridiano no hemisfério norte e oeste no sul. Trata-se de um pequeno ângulo conhecido que é facilmente compensado na indicação de cabeçalho.

as bússolas de Anschütz e de Arma são suportadas pela flutuação. O torque pendular é obtido simplesmente montando a unidade com o centro de gravidade abaixo do pivô. A atenuação é obtida por um fluxo restrito de um fluido viscoso num tubo. A bússola castanha é suportada por uma coluna de óleo pulsante. O torque pendular é obtido pelo fluxo de óleo entre dois tanques. A pressão do ar gerada pela rotação da roda giroscópica força a subida do óleo a dar-lhe pendulosidade, uma vez que é naturalmente antipendosa, ou top-heavy. É amortecido por um fluxo restrito de um fluido viscoso em um tubo. A bússola Sperry é suportada por uma suspensão de fio com um anel fantasma a motor para remover torção (torção) dos fios. Em torno do anel fantasma está uma moldura chamada balística. O torque pendular é obtido pelo fluxo de mercúrio entre dois tanques (a balística de mercúrio). Como esta ação é antipendosa, a direção de equilíbrio do momento angular giroscópico é o sul. Esta combinação de dois componentes potencialmente instáveis produz um sistema estável. É amortecido pelo motor de acompanhamento, que recebe um sinal proporcional ao deslocamento do anel fantasma do gimbal de apoio à roda.