Gyrocompass

zasady działania

jedną z form żyroskopu jest wirujące koło zamontowane tak, że kierunek jego osi wirowania ma uniwersalną swobodę obrotu. Wirowanie pozwala na ciągłe wykorzystanie masy lub bezwładności materiału w kole, a tym samym daje początek stosunkowo dużemu pędowi żyroskopowemu lub bezwładności w kole o średniej wielkości. Ważną właściwością praktycznego żyroskopu jest jego moment pędu-iloczyn jego spinu i bezwładności wokół osi spinu. Wielkość ta jest wektorem, ponieważ ma zarówno kierunek, jak i wielkość. Wektor momentu pędu może być dogodnie reprezentowany przez zakręcenie palcami prawej ręki w obrotowym sensie spinu, wysunięty kciuk dłoni następnie skierowany w kierunku wektora momentu pędu. Moment pędu jest prawie równoległy do osi wirowania w praktycznym żyrokompasie.

w ten sam sposób moment siły (moment obrotowy lub efekt obracania) jest kierowany wzdłuż przedłużonego kciuka prawej ręki, gdy palce ręki zwijają się w sensie obrotu, który Siła stara się wytworzyć. Poniżej znajduje się podstawowe prawo żyroskopu: gdy moment obrotowy jest stosowany do żyroskopu, będzie obracać (lub precess) tak, aby spróbować wyrównać jego moment pędu z momentem obrotowym. Precesja jest w odniesieniu do przestrzeni inercyjnej – czyli przestrzeni odniesienia, która nie jest w stosunku do ” gwiazd stałych.”Zauważ, że Ziemia nie jest częścią przestrzeni inercyjnej z powodu jej dziennego obrotu. Wielkość precesji jest wprost proporcjonalna do wielkości momentu obrotowego i odwrotnie proporcjonalna do wielkości momentu pędu. Przy braku przyłożonego momentu obrotowego oś wirowania pozostaje nieruchoma względem przestrzeni bezwładnościowej; jeśli skierowany jest w gwiazdę, pozostaje skierowany w gwiazdę, w związku z czym jeden koniec osi wydaje się ziemskiemu obserwatorowi, w ciągu dnia, wznieść się na wschodzie i ustawić na zachodzie. Gdy przyłożony moment obrotowy próbuje obrócić żyroskop wokół osi pionowej, oś wirowania wzrośnie lub zanurzy się, gdy próbuje wyrównać swój moment pędu z momentem obrotowym. Podobnie przyłożony moment obrotowy wokół osi poziomej spowoduje, że oś wirowania będzie wyprzedzać oś pionową.

żyrokompas to żyroskop mający ramę o niewyważeniu masy, nadającą mu wahadło pod kątem prostym do osi wirowania. W normalnej pracy oś wirowania będzie prawie pozioma i skierowana na północ, podczas gdy wahadło będzie skierowane w dół. Rozważmy żyrokompas zaczynający się od osi obrotu poziomej i skierowanej kilka stopni na wschód od północy. Obrót Ziemi powoduje wówczas, że oś spinu wznosi się ponad horyzont, co widzi ziemski obserwator (dokładniej, horyzont zanurza się poniżej osi spinu, która początkowo pozostaje nieruchoma w przestrzeni inercyjnej). Działanie to wytwarza poziomy moment obrotowy skierowany na zachód ze względu na wpływ grawitacji na wahadło. Oś wirowania, zgodnie z podstawowym prawem żyroskopii, precesses o pionie w kierunku południka, nadal rośnie z powodu obrotu Ziemi, aż południk zostanie osiągnięty. W tym momencie wahadłowy moment obrotowy jest maksymalny, a oś wirowania nadal przebiega przez południk. Gdy oś spinu znajduje się na zachód od południka obrót Ziemi powoduje ustawienie osi spinu, zmniejszając w ten sposób wahadłowy moment obrotowy. W tej samej odległości na zachód od północy, jak kierunek początkowy był na wschód od północy, oś wirowania jest pozioma ponownie, ale z powodu obrotu Ziemi nadal się ustawia. Powoduje to, że oś spinu zanurza się poniżej horyzontu i wytwarza wahadłowy moment obrotowy w kierunku wschodnim, co powoduje, że oś spinu ponownie przesuwa się w kierunku południka, a ostatecznie poprzedza południk i z powrotem do jego początkowego kierunku, gdzie cały ten proces jest powtarzany. W ten sposób oś spinu wyznacza elipsę wokół południka i poziomą. Płaskość elipsy i okres oscylacji zależą od siły wahadła.

aby żyrokompas skierował na północ, konieczne jest tłumienie oscylacji, aby jednostka mogła osiąść na południku i nie przechodzić przez niego. Tłumienie oscylatora polega na zmianie jego stanu energetycznego poprzez przeciwstawienie prędkości ciała. Zastosowano dwie podstawowe metody tłumienia. Pierwszy, używany we wszystkich żyrokompasach z wyjątkiem Sperry, został opracowany przez firmę Schuler. Polega na zastosowaniu antypoślizgowego momentu obrotowego spowodowanego ograniczonym przepływem lepkiego płynu reagującego na przechylenie elementu żyroskopowego. Lepkość i kierunek przepływu przez zwężenie są połączone tak, że moment obrotowy jest przyłożony w odpowiedniej fazie tłumienia. Moment obrotowy jest poziomy i idealnie jest skierowany tak, aby poprzedzić żyroskop w kierunku południka przez cały czas: wskazuje na zachód, gdy oś spinu jest na wschód od południka i na wschód, gdy oś spinu jest na zachód od południka. Połączone działanie wahadłowych i tłumiennych momentów obrotowych zmienia wspomniany wcześniej eliptyczny ruch nieuszkodzonego reżimu w ruch spiralny w kierunku południka. Lepkie tarcie pochłania energię pobraną w celu tłumienia.

druga metoda tłumienia stosowana jest w żyrokompasie Sperry ’ ego. Kompas Sperry ’ ego jest wspierany przez drutowe zawieszenie z napędzanym układem podtrzymującym, znanym jako pierścień fantomowy, który jest rodzajem serwomechanizmu. Tłumienie polega na zastosowaniu wahadłowego momentu obrotowego w taki sposób, aby jego interakcja z pierścieniem fantomowym i silnikiem następczym wytwarzała moment obrotowy wzdłuż osi pionowej. Jest to próba zmniejszenia pochylenia elementu żyroskopowego. Ponieważ pochylenie i ruch w płaszczyźnie poziomej są sprzężone w żyrokompasie, metoda ta służy również do tłumienia osi wirowania w kierunku południka. Energia tłumienia jest dostarczana przez silnik, który obsługuje pierścień fantomowy. System ten ma działanie antypoślizgowe, a tłumienie uzyskuje się poprzez dodanie energii do systemu.

w stanie stacjonarnym żyrokompas ma niewielkie nachylenie w górę po północnej stronie swojej osi wirowania na półkuli północnej i nachylenie w dół na półkuli południowej. W ten sposób powstaje moment obrotowy wymagany do precesji żyrokompasu względem przestrzeni inercyjnej wokół osi pionowej z taką samą szybkością, jak południk obraca się wokół tej osi z powodu obrotu Ziemi. Stopa ta jest zerowa na równiku i wzrasta do pełnej szybkości Ziemi na biegunach. Ze względu na takie nachylenie równowagi, metoda tłumienia zastosowana w żyrokompasie Sperry ’ ego powoduje, że oś spinu osadza się nieco na wschód od południka na półkuli północnej i na zachód na południu. Jest to mały znany kąt, który jest łatwo kompensowany w wskazaniu kursu.

kompasy Anschütz i Arma są obsługiwane przez flotację. Moment obrotowy wahadłowy uzyskuje się po prostu montując urządzenie środkiem ciężkości poniżej sworznia. Tłumienie uzyskuje się przez ograniczony przepływ lepkiego płynu w rurze. Brązowy kompas jest podparty pulsującą kolumną oleju. Moment obrotowy wahadłowy uzyskuje się przez przepływ oleju między dwoma zbiornikami. Ciśnienie powietrza generowane przez wirowanie koła żyroskopowego zmusza olej pod górę, aby nadać mu wahadłowość, ponieważ jest naturalnie antypoślizgowy lub ciężki. Jest tłumiony przez ograniczony przepływ lepkiego płynu w rurze. Kompas Sperry jest wspierany przez zawieszenie drutu z napędzanym pierścieniem fantomowym do usuwania skrętu (skręcania) z przewodów. Wokół pierścienia fantomu znajduje się Rama zwana balistyczną. Moment obrotowy wahadłowy uzyskuje się przez przepływ rtęci między dwoma zbiornikami (rtęć balistyczna). Ponieważ działanie to jest antypoślizgowe, kierunek równowagi żyroskopowego momentu pędu jest Południowy. Ta kombinacja dwóch potencjalnie niestabilnych komponentów tworzy stabilny system. Jest on tłumiony przez silnik kontynuacyjny, który odbiera sygnał proporcjonalny do przemieszczenia pierścienia fantomowego z przegubu podtrzymującego koło.