Gyrocompass

principii de funcționare

o formă de giroscop este o roată de rotire montată astfel încât direcția axei sale de rotire să aibă libertate de rotație universală. Spinul permite utilizarea continuă a proprietăților de masă sau inerțiale ale materialului din roată și, prin urmare, dă naștere unui impuls giroscopic relativ mare sau inerție într-o roată de dimensiuni moderate. Proprietatea importantă a unui giroscop practic este impulsul său unghiular—produsul spinului său și inerția sa în jurul axei de spin. Această cantitate este un vector, deoarece are atât direcție, cât și magnitudine. Vectorul momentului unghiular poate fi reprezentat în mod convenabil prin ondularea degetelor mâinii drepte în sensul de rotație al spinului, degetul mare extins al mâinii îndreptându-se apoi în direcția vectorului momentului unghiular. Momentul unghiular este aproape paralel cu axa de spin într-un girocompas practic.

în același mod, momentul unei forțe (cuplu sau efect de rotire) este direcționat de-a lungul degetului mare extins al mâinii drepte atunci când degetele mâinii se ondulează în sensul rotației pe care forța încearcă să o producă. Următoarea este legea fundamentală a giroscopiei: atunci când un cuplu este aplicat unui giroscop, acesta se va roti (sau precess) astfel încât să încerce să-și alinieze impulsul unghiular cu cuplul. Precesiunea este în raport cu spațiul inerțial-adică un spațiu de referință care nu este rotant în raport cu „stelele fixe”.”Rețineți că Pământul nu face parte din spațiul inerțial din cauza rotației sale zilnice. Mărimea precesiei este direct proporțională cu magnitudinea cuplului și invers proporțională cu magnitudinea momentului unghiular. Când nu se aplică niciun cuplu, axa de centrifugare rămâne nemișcată în raport cu spațiul inerțial; dacă este îndreptată spre o stea, ea rămâne îndreptată spre stea și, prin urmare, un capăt al axei apare unui observator al Pământului, în cursul unei zile, să se ridice în est și să se așeze în vest. Când un cuplu aplicat încearcă să rotească un giroscop în jurul axei verticale, axa de centrifugare se va ridica sau se va scufunda în timp ce încearcă să-și alinieze impulsul unghiular cu cuplul. În mod similar, un cuplu aplicat în jurul unei axe orizontale va determina axa de centrifugare să preceseze în jurul axei verticale.

un girocompas este un giroscop având un cadru cu un dezechilibru de masă care îi conferă o pendulozitate în unghi drept față de axa de centrifugare. În funcționare normală axa de centrifugare va fi aproape orizontală și îndreptată spre nord, în timp ce pendulozitatea este în jos. Luați în considerare un girocompas început cu axa sa de spin orizontală și îndreptată la câteva grade est de Nord. Rotația Pământului face ca axa de spin să se ridice deasupra orizontului, așa cum este văzută de un observator al Pământului (mai precis, orizontul se scufundă sub axa de spin, care inițial rămâne nemișcată în spațiul inerțial). Această acțiune produce un cuplu orizontal îndreptat spre vest datorită efectului gravitației asupra pendulozității. Axa de spin, respectând legea de bază a giroscopice, precesează despre verticală spre meridian, continuând să crească din cauza rotației Pământului până la atingerea meridianului. În acest moment, cuplul pendular este maxim și axa de centrifugare continuă să preceseze prin meridian. Când axa de centrifugare este la vest de rotația meridianului pământului determină setarea axei de centrifugare, reducând astfel cuplul pendular. La aceeași distanță la vest de Nord cu direcția de pornire la est de Nord, axa de rotație este din nou orizontală, dar din cauza rotației Pământului continuă să se stabilească. Acest lucru face ca axa de spin să se scufunde sub orizont și produce un cuplu pendular spre est, ceea ce face ca axa de spin să preceseze din nou spre meridian și, în cele din urmă, să preceseze dincolo de meridian și înapoi la direcția sa de pornire, unde se repetă întregul proces. Axa de spin trasează astfel o elipsă despre meridian și orizontală. Planeitatea elipsei și perioada oscilației depind de puterea pendulozității.

pentru ca un girocompas să indice spre nord, este necesar ca oscilația să fie amortizată, astfel încât unitatea să se poată așeza pe meridian și să nu continue să treacă prin ea. Amortizarea unui oscilator implică schimbarea stării sale de energie prin opunerea vitezei corpului. Au fost utilizate două metode principale de amortizare. Primul, utilizat în toate girocompasele, cu excepția Sperry, a fost dezvoltat de Schuler. Constă în aplicarea unui cuplu antipendulos cauzat de fluxul restricționat al unui fluid vâscos care răspunde la înclinarea elementului giroscopic. Vâscozitatea și direcția de curgere prin constricție sunt combinate astfel încât cuplul să fie aplicat în faza adecvată pentru amortizare. Cuplul este orizontal și în mod ideal este direcționat astfel încât să preceseze giroscopul către meridian în orice moment: indică spre vest când axa de rotație este la est de meridian și spre est când axa de rotație este la vest de meridian. Acțiunea combinată a cuplurilor penduloase și de amortizare schimbă mișcarea eliptică menționată anterior a regimului nedampat într-o mișcare în spirală spre meridian. Frecarea vâscoasă absoarbe energia retrasă pentru a efectua amortizarea.

a doua metodă de amortizare este utilizată în Girocompasul Sperry. Busola Sperry este susținută de o suspensie de sârmă cu un sistem de urmărire acționat de putere, cunoscut sub numele de inel fantomă, care este un tip de servomecanism. Amortizarea implică aplicarea cuplului pendular în așa fel încât interacțiunea sa cu inelul fantomă și motorul de urmărire să producă un cuplu de-a lungul axei verticale. Aceasta încearcă să reducă înclinarea elementului giroscopic. Deoarece înclinarea și mișcarea în plan orizontal sunt cuplate împreună într-o girocompasă, această metodă servește și la umezirea axei de rotire spre meridian. Energia pentru amortizare este furnizată de motorul care operează inelul fantomă. Acest sistem are acțiune antipenduloasă, iar amortizarea se obține prin adăugarea de energie în sistem.

în starea sa de echilibru, o girocompasă are o ușoară înclinare ascendentă pe partea de nord a axei sale de spin în emisfera nordică și o înclinare descendentă în emisfera sudică. Acest lucru produce cuplul necesar pentru precesarea girocompasului în raport cu spațiul inerțial în jurul axei verticale la aceeași rată cu care meridianul se rotește în jurul acelei axe din cauza rotației Pământului. Această rată este zero la Ecuator și crește până la rata completă a Pământului la poli. Datorită acestei înclinări de echilibru, metoda de amortizare utilizată în girocompasa Sperry face ca axa de spin să se așeze ușor la est de meridian în emisfera nordică și la vest în sud. Acesta este un mic unghi cunoscut, care este ușor compensat în indicația de titlu.

busolele Ansch si arma sunt sustinute de flotatie. Cuplul pendular este obținut prin simpla montare a unității cu Centrul de greutate sub pivot. Amortizarea se obține prin curgerea limitată a unui fluid vâscos într-un tub. Busola maro este susținută de o coloană de ulei pulsantă. Cuplul pendular este obținut prin curgerea uleiului între două rezervoare. Presiunea aerului generată de rotirea roții giroscopice forțează uleiul în sus pentru a-i da pendulozitate, deoarece este în mod natural antipendulos sau greu. Este amortizat de fluxul restricționat al unui fluid vâscos într-un tub. Busola Sperry este susținută de o suspensie de sârmă cu un inel fantomă acționat de putere pentru a îndepărta torsiunea (răsucirea) din fire. În jurul inelului fantomă se află un cadru numit balistic. Cuplul pendulos este obținut prin curgerea mercurului între două rezervoare (mercurul balistic). Deoarece această acțiune este antipenduloasă, direcția de echilibru a momentului unghiular giroscopic este sud. Această combinație de două componente potențial instabile produce un sistem stabil. Este amortizat de motorul de urmărire, care primește un semnal proporțional cu deplasarea inelului fantomă de la gimbalul care susține roata.