Gyrocompass

driftsprinciper

en form av gyroskop är ett snurrande hjul monterat så att riktningen på dess rotationsaxel har universell rotationsfrihet. Spinn tillåter massa, eller tröghet, egenskaperna hos materialet i hjulet för att användas kontinuerligt och därmed ger upphov till en relativt stor gyroskopisk momentum eller tröghet i en måttlig storlek hjul. Den viktiga egenskapen hos ett praktiskt gyroskop är dess vinkelmoment-produkten av dess snurr och dess tröghet kring rotationsaxeln. Denna kvantitet är en vektor, eftersom den har både riktning och storlek. Vinkelmomentvektorn kan bekvämt representeras genom att krulla fingrarna på höger hand i rotationsavkänningen av snurret, den förlängda tummen på handen pekar sedan i riktning mot vinkelmomentvektorn. Vinkelmomentet är nästan parallellt med spinaxeln i en praktisk gyrokompass.

på samma sätt riktas ögonblicket för en kraft (vridmoment eller vridningseffekt) längs den utsträckta tummen på höger hand när fingrarna på handen krullar i betydelsen av den rotation som kraften försöker producera. Följande är grundlagen för gyroskopi: när ett vridmoment appliceras på ett gyroskop kommer det att rotera (eller precess) för att försöka anpassa sin vinkelmoment med vridmomentet. Precessionen är med avseende på tröghetsutrymme—det vill säga ett referensutrymme som är icke-roterande i förhållande till ”fasta stjärnor.”Observera att jorden inte är en del av tröghetsutrymmet på grund av dess dagliga rotation. Storleken på precessionen är direkt proportionell mot vridmomentets storlek och omvänt proportionell mot vinkelmomentets storlek. När inget vridmoment appliceras förblir rotationsaxeln rörlig i förhållande till tröghetsutrymmet; om den riktas mot en stjärna förblir den riktad mot stjärnan, och följaktligen verkar den ena änden av axeln för en jordobservatör, under en dag, stiga i öster och sätta i väster. När ett applicerat vridmoment försöker rotera ett gyroskop runt den vertikala axeln, kommer rotationsaxeln att stiga eller doppa när den försöker anpassa sin vinkelmoment med vridmomentet. På samma sätt kommer ett applicerat vridmoment runt en horisontell axel att få rotationsaxeln att föregå om den vertikala axeln.

en gyrokompass är ett gyroskop som har en ram med en massobalans som ger den en pendulositet i rät vinkel mot rotationsaxeln. Vid normal drift kommer rotationsaxeln att vara nästan horisontell och spetsig norrut, medan pendulositeten är nedåt. Tänk dig en gyrokompass började med sin rotationsaxel horisontell och pekar några grader öster om norr. Jordens rotation får sedan snurraxeln att stiga över horisonten, vilket ses av en Jordobservatör (mer exakt sjunker horisonten under snurraxeln, som initialt förblir rörlig i tröghetsutrymmet). Denna åtgärd ger ett horisontellt vridmoment riktat västerut på grund av tyngdkraftseffekten på pendulositeten. Spin-axeln, som följer gyroskopikens grundläggande lag, föregår vertikalen mot meridianen och fortsätter att stiga på grund av jordens rotation tills meridianen nås. Vid denna tidpunkt är det hängande vridmomentet maximalt och snurraxeln fortsätter att precessa genom meridianen. När spin-axeln är väster om meridianen jordens rotation orsakar spin-axeln för att ställa in, vilket minskar hängande vridmoment. På samma avstånd väster om norr som startriktningen var öster om norr är snurraxeln horisontell igen men på grund av jordens rotation fortsätter att ställa in. Detta får snurraxeln att doppa under horisonten och producerar ett hängande vridmoment österut, vilket får snurraxeln att precessa mot meridianen igen och så småningom precessa förbi meridianen och tillbaka till dess startriktning, där hela processen upprepas. Spinaxeln spårar således en ellips om meridianen och horisontalen. Ellipsens planhet och oscillationsperioden beror på pendulositetens styrka.

för att en gyrokompass ska peka norrut är det nödvändigt att svängningen dämpas så att enheten kan sätta sig på meridianen och inte fortsätta passera genom den. Dämpning av en oscillator innebär att man ändrar sitt energitillstånd genom att motsätta sig kroppens hastighet. Två principiella metoder för dämpning har använts. Den första, som används i alla gyrokompasser utom Sperry, utvecklades av Schuler. Den består av att applicera ett antipendulöst vridmoment orsakat av det begränsade flödet av en viskös vätska som svarar på lutningen av det gyroskopiska elementet. Viskositet och flödesriktning genom förträngningen kombineras så att vridmomentet appliceras i rätt fas för dämpning. Vridmomentet är horisontellt och idealiskt riktas så att föregå gyro mot meridianen hela tiden: den pekar västerut när spinaxeln är öster om meridianen och öster när spinaxeln är väster om meridianen. Den kombinerade verkan av hängande och dämpningsmoment ändrar den tidigare nämnda elliptiska rörelsen hos den odampade regimen till en spiralrörelse mot meridianen. Viskös friktion absorberar den energi som dras tillbaka för att påverka dämpningen.

den andra dämpningsmetoden används i Sperry gyrocompass. Sperry compass stöds av en trådupphängning med ett motordrivet uppföljningssystem, känt som en fantomring, som är en typ av servomekanism. Dämpning innebär att man applicerar det hängande vridmomentet på ett sådant sätt att dess interaktion med fantomringen och uppföljningsmotorn ger ett vridmoment längs den vertikala axeln. Detta försöker minska lutningen på det gyroskopiska elementet. Eftersom lutning och rörelse i horisontalplanet är kopplade ihop i en gyrokompass, tjänar denna metod också till att dämpa rotationsaxeln mot meridianen. Energin för dämpning tillhandahålls av motorn som driver fantomringen. Detta system har antipendulous action, och dämpning erhålls genom att lägga till energi i systemet.

i sitt stabila tillstånd har en gyrokompass en lätt uppåtgående lutning på norra sidan av sin snurraxel på norra halvklotet och en nedåtgående lutning på södra halvklotet. Detta ger det vridmoment som krävs för att föregå gyrokompasset i förhållande till tröghetsutrymmet runt den vertikala axeln i samma takt som meridianen roterar runt den axeln på grund av jordens rotation. Denna hastighet är noll vid ekvatorn och ökar till full Jordhastighet vid polerna. På grund av denna jämviktslutning orsakar dämpningsmetoden som används i Sperry gyrokompass spinaxeln att bosätta sig något öster om meridianen på norra halvklotet och väster i södra. Detta är en liten känd vinkel som lätt kompenseras för i rubrikindikationen.

Ansch-och Arma-kompasserna stöds av flotation. Det hängande vridmomentet uppnås genom att helt enkelt montera enheten med tyngdpunkten under pivoten. Dämpning erhålls genom begränsat flöde av en viskös vätska i ett rör. Den bruna kompassen stöds av en pulserande oljekolonn. Det hängande vridmomentet erhålls genom flödet av olja mellan två tankar. Lufttryck som genereras av gyrohjulets snurr tvingar oljan uppåt för att ge den pendulositet, eftersom den är naturligt antipendulös eller topptung. Det dämpas av begränsat flöde av en viskös vätska i ett rör. Sperry compass stöds av en trådupphängning med en motordriven fantomring för att ta bort vridning (vridning) från ledningarna. Runt fantomringen finns en ram som kallas ballistisk. Det hängande vridmomentet erhålls genom kvicksilverflödet mellan två tankar (kvicksilverballistiken). Eftersom denna åtgärd är antipendulös är jämviktsriktningen för det gyroskopiska vinkelmomentet söderut. Denna kombination av två potentiellt instabila komponenter ger ett stabilt system. Den dämpas av uppföljningsmotorn, som mottar en signal som är proportionell mot förskjutningen av fantomringen från den hjulbärande gimbalen.