Gyrocompass

Principi operativi

Una forma di giroscopio è una ruota girevole montata in modo che la direzione del suo asse di rotazione abbia libertà di rotazione universale. Lo spin consente di utilizzare continuamente le proprietà di massa o inerziali del materiale nella ruota e quindi dà origine a un momento giroscopico o inerzia relativamente grande in una ruota di dimensioni moderate. La proprietà importante di un giroscopio pratico è il suo momento angolare-il prodotto del suo spin e la sua inerzia sull’asse di spin. Questa quantità è un vettore, poiché ha sia direzione che magnitudine. Il vettore del momento angolare può essere convenientemente rappresentato arricciando le dita della mano destra nel senso di rotazione dello spin, il pollice esteso della mano che punta quindi nella direzione del vettore del momento angolare. Il momento angolare è quasi parallelo all’asse di spin in una girobussola pratica.

Allo stesso modo, il momento di una forza (coppia, o effetto di rotazione) è diretto lungo il pollice esteso della mano destra quando le dita della mano si arricciano nel senso della rotazione che la forza sta cercando di produrre. La seguente è la legge fondamentale dei giroscopi: quando una coppia viene applicata a un giroscopio, ruoterà (o precesserà) in modo da tentare di allineare il suo momento angolare con la coppia. La precessione è rispetto allo spazio inerziale – cioè, uno spazio di riferimento che non è rotante rispetto alle ” stelle fisse.”Si noti che la Terra non fa parte dello spazio inerziale a causa della sua rotazione giornaliera. La grandezza della precessione è direttamente proporzionale alla grandezza della coppia e inversamente proporzionale alla grandezza del momento angolare. Quando non viene applicata alcuna coppia, l’asse di spin rimane immobile rispetto allo spazio inerziale; se puntato verso una stella rimane puntato verso la stella, e di conseguenza un’estremità dell’asse appare ad un osservatore terrestre, nel corso di una giornata, a salire a est e impostare a ovest. Quando una coppia applicata tenta di ruotare un giroscopio attorno all’asse verticale, l’asse di spin si alza o si abbassa mentre tenta di allineare il suo momento angolare con la coppia. Allo stesso modo, una coppia applicata su un asse orizzontale causerà la precessione dell’asse di rotazione sull’asse verticale.

Una girobussola è un giroscopio avente un telaio con uno squilibrio di massa dandogli una pendolosità ad angolo retto rispetto all’asse di spin. Nel funzionamento normale l’asse di rotazione sarà quasi orizzontale e puntato verso nord, mentre la pendolosità è verso il basso. Si consideri una girobussola iniziato con il suo asse di rotazione orizzontale e che punta a pochi gradi a est del nord. La rotazione terrestre provoca quindi l’aumento dell’asse di spin sopra l’orizzonte come visto da un osservatore terrestre (più precisamente, l’orizzonte scende sotto l’asse di spin, che inizialmente rimane immobile nello spazio inerziale). Questa azione produce una coppia orizzontale diretta verso ovest a causa dell’effetto della gravità sulla pendolosità. L’asse di spin, obbedendo alla legge fondamentale della giroscopica, precede la verticale verso il meridiano, continuando a salire a causa della rotazione terrestre fino al raggiungimento del meridiano. A questo punto la coppia pendula è massima e l’asse di spin continua a precessione attraverso il meridiano. Quando l’asse di spin è ad ovest della rotazione del meridiano Terrestre, l’asse di spin si imposta, riducendo così la coppia pendula. Alla stessa distanza ovest del nord come la direzione di partenza era est del nord, l’asse di spin è di nuovo orizzontale, ma a causa della rotazione della Terra continua a impostare. Questo fa sì che l’asse di spin dip sotto l’orizzonte e produce una coppia pendula verso est, che fa sì che l’asse di spin precessione verso il meridiano di nuovo e alla fine precessione oltre il meridiano e di nuovo alla sua direzione di partenza, dove l’intero processo viene ripetuto. L’asse di spin traccia quindi un’ellisse attorno al meridiano e all’orizzontale. La planarità dell’ellisse e il periodo dell’oscillazione dipendono dalla forza della pendolosità.

Affinché una girobussola punti a nord, è necessario smorzare l’oscillazione in modo che l’unità possa depositarsi sul meridiano e non continuare a attraversarlo. Smorzamento un oscillatore comporta cambiare il suo stato di energia opponendosi alla velocità del corpo. Sono stati utilizzati due metodi principali per lo smorzamento. Il primo, utilizzato in tutte le girobussole tranne la Sperry, è stato sviluppato da Schuler. Consiste nell’applicare una coppia antipendula causata dal flusso limitato di un fluido viscoso che risponde all’inclinazione dell’elemento giroscopico. La viscosità e la direzione del flusso attraverso la costrizione sono combinate in modo che la coppia venga applicata nella fase corretta per lo smorzamento. La coppia è orizzontale e idealmente è diretta in modo da precedere il giroscopio verso il meridiano in ogni momento: punta ad ovest quando l’asse di spin è ad est del meridiano e ad est quando l’asse di spin è ad ovest del meridiano. L’azione combinata di coppie pendule e smorzanti cambia il moto ellittico precedentemente menzionato del regime non smorzato in un movimento a spirale verso il meridiano. L’attrito viscoso assorbe l’energia prelevata per effettuare lo smorzamento.

Il secondo metodo di smorzamento viene utilizzato nella girobussola Sperry. La bussola Sperry è supportata da una sospensione a filo con un sistema di follow-up motorizzato, noto come anello fantasma, che è un tipo di servomeccanismo. Lo smorzamento comporta l’applicazione della coppia pendula in modo tale che la sua interazione con l’anello fantasma e il motore di follow-up produca una coppia lungo l’asse verticale. Questo tenta di ridurre l’inclinazione dell’elemento giroscopico. Poiché inclinazione e movimento nel piano orizzontale sono accoppiati insieme in una girobussola, questo metodo serve anche per smorzare l’asse di rotazione verso il meridiano. L’energia per lo smorzamento è fornita dal motore che aziona l’anello fantasma. Questo sistema ha un’azione antipendula e lo smorzamento si ottiene aggiungendo energia al sistema.

Nel suo stato stazionario una girobussola ha una leggera inclinazione verso l’alto sul lato nord del suo asse di rotazione nell’emisfero settentrionale e un’inclinazione verso il basso nell’emisfero meridionale. Questo produce la coppia necessaria per precedere la girobussola rispetto allo spazio inerziale attorno all’asse verticale alla stessa velocità che il meridiano sta ruotando attorno a quell’asse a causa della rotazione terrestre. Questo tasso è zero all’equatore e aumenta al tasso di Terra piena ai poli. A causa di questa inclinazione di equilibrio, il metodo di smorzamento utilizzato nella girobussola Sperry fa sì che l’asse di spin si stabilizzi leggermente ad est del meridiano nell’emisfero settentrionale e ad ovest nel sud. Questo è un piccolo angolo noto che viene prontamente compensato nell’indicazione dell’intestazione.

Le bussole Anschütz e Arma sono supportate da flottazione. La coppia pendula si ottiene semplicemente montando l’unità con il baricentro sotto il perno. Lo smorzamento è ottenuto dal flusso limitato di un fluido viscoso in un tubo. La bussola marrone è sostenuta da una colonna di olio pulsante. La coppia pendula è ottenuta dal flusso di olio tra due serbatoi. La pressione dell’aria generata dalla rotazione della ruota giroscopica costringe l’olio in salita a dargli pendolosità, poiché è naturalmente antipendulous, o top-heavy. È smorzato dal flusso limitato di un fluido viscoso in un tubo. La bussola Sperry è supportata da una sospensione a filo con un anello phantom motorizzato per rimuovere la torsione (torsione) dai fili. Intorno all’anello fantasma c’è una cornice chiamata balistica. La coppia pendula è ottenuta dal flusso di mercurio tra due serbatoi (il mercury ballistic). Poiché questa azione è antipendula, la direzione di equilibrio del momento angolare giroscopico è sud. Questa combinazione di due componenti potenzialmente instabili produce un sistema stabile. Viene smorzato dal motore di follow-up, che riceve un segnale proporzionale allo spostamento dell’anello fantasma dal giunto cardanico che supporta la ruota.