Kompas żyroskopowy - Polski Serwis Naukowy

Kompas żyroskopowy

Kompas żyroskopowy morski lub żyrokompas (także girokompas, żyrobusola) – elektromechaniczne urządzenie służące do wskazywania kursu, wykorzystujące właściwości żyroskopu. Kompas żyroskopowy (morski) stanowi historycznie pierwszy, najprostszy, niepełny jeszcze system nawigacji bezwładnościowej.

Samolot – statek powietrzny cięższy od powietrza (aerodyna), utrzymujący się w powietrzu dzięki wytwarzanej sile nośnej za pomocą nieruchomych, w danych warunkach względem statku, skrzydeł. Ciąg potrzebny do utrzymania prędkości wytwarzany jest przez jeden lub więcej silników.

Precesja lub ruch precesyjny – zjawisko zmiany kierunku osi obrotu obracającego się ciała. Oś obrotu sama obraca się wówczas wokół pewnego kierunku w przestrzeni zakreślając powierzchnię stożkową.

Konstrukcja żyroskopu została opatentowana już w 1885 przez Martinusa van den Bosa, ale nie zdołał on nigdy wybudować prawidłowo działającego modelu. Natomiast pierwszy działający model żyroskopu (pokazujący północ) został skonstruowany przez Hermanna Kaempfego w 1903, jednak wcześniej bo w 1890 Arthur Krebs zbudował eksperymentalny żyroskop (który nie wskazywał geograficznej północy).

Nawigacja bezwładnościowa (inercjalna) polega na pomiarze (przy użyciu przyspieszeniomierzy) określonych co do kierunku przyspieszeń, obliczeniu prędkości drogą całkowania tych przyśpieszeń w funkcji czasu i obliczaniu przemieszczeń poprzez całkowanie tych prędkości. W ten sposób, znając prędkość początkową i położenie początkowe, określa się bieżącą pozycję.

Ruch obrotowy Ziemi – inaczej ruch wirowy Ziemi – obrót Ziemi wokół własnej osi. Czas jednego obrotu względem odległych gwiazd wynosi 23 godziny 56 minut i 4 sekundy i okres ten nazywa się dobą gwiazdową. Na równiku prędkość wywołana obrotem Ziemi wynosi około 1674,4 km/h,[1] bieguny natomiast pozostają w miejscu. Tam gdzie na powierzchnię Ziemi padają promienie słoneczne, panuje dzień, na pozostałym obszarze panuje noc, ruch obrotowy Ziemi jest przyczyną zmiany dnia i nocy. W jedną godzinę Ziemia obraca się w przybliżeniu o 15° a w cztery minuty o 1°.

Zasada działania

Środek ciężkości żyroskopu o trzech stopniach swobody przesunięty jest w dół w stosunku do środka zawieszenia, tworząc wahadło żyroskopowe z okresem Schulera (ok. 84 minut, co minimalizuje wpływ przyśpieszeń poziomych) oscylacji nietłumionych. Ruch tego wahadła tłumiony jest przez tłumik cieczowy lub inny. W efekcie oddziaływania krętu żyroskopu z ruchem obrotowym Ziemi i momentem od siły ciężkości oś wirowania żyroskopu ulega precesji a jej kierunek oscyluje wokół kierunku osi wirowania Ziemi. W wyniku tłumienia początkowe oscylacje kierunku osi wirowania żyroskopu po pewnym czasie (po kilku godzinach) zanikają i pokrywa się ona z osią obrotu Ziemi, bez względu na warunki początkowe. W ten sposób uzyskuje się element pomiarowy, wskazujący północ geograficzną. Element ten jest wbudowany w odpowiedni układ śledzący, poruszający wskaźniki i odbiorniki – takie jak powtarzacze żyrokompasu, człony wejściowe radaru czy autopilota.

Żyroskop (gr. gyros - obrót, scopeo - obserwować) - urządzenie do pomiaru lub utrzymywania położenia kątowego, działające w oparciu o zasadę zachowania momentu pędu. Został wynaleziony przez francuskiego fizyka Jeana Foucaulta w 1852 roku.

Pole magnetyczne — stan przestrzeni, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne, obok pola elektrycznego, jest przejawem pola elektromagnetycznego. W zależności od układu odniesienia w jakim znajduje się obserwator, to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego lub obu.

Obecnie są także żyrokompasy laserowe, wykorzystujące te same fundamentalne prawa i wskazujące północ geograficzną.

Żyroskopy nie są stosowane w lotnictwie (ze względu na prędkość samolotu i wynikające stąd konieczne korekcje, dyskwalifikujące pomiar) a wyłącznie, jak dotąd, na statkach. W lotnictwie stosowane są urządzenia zwane żyrokompasami, ale bez elementu szukającego "z zasady" północy geograficznej, lecz naprowadzane na kierunek północy magnetycznej, lub wcale nie korygowane, lecz pamiętające przez pewien ograniczony czas wprowadzony jako wielkość początkową kierunek. Nie są to jednak ściśle mówiąc kompasy, lecz żyroskopowe wskaźniki kursu.

Stopień swobody - w fizyce minimalna liczba niezależnych zmiennych opisujących jednoznacznie stan (modelu) układu fizycznego, w termodynamice liczba niezależnych zmiennych stanu, które można zmieniać nie powodując zmiany stanu (rodzaju i liczby faz).

Zalety żyrokompasu

niewrażliwość na wpływ mas magnetycznych i zakłóceń pola magnetycznego.

pokazywanie bieguna geograficznego a nie bieguna geomagnetycznego

szybkość reakcji, brak oscylacji wskazań przy zmianie kursu.

Mankamenty żyrokompasu

zależność od zasilania

stosunkowo długi (rzędu 3-6 godzin) czas ustawiania się we właściwym położeniu po włączeniu zasilania

duże wartości błędów zmiennych (oscylacje) wywoływanych gwałtownymi manewrami statku

skomplikowany mechanizm

Zobacz też

W Wikimedia Commons znajdują się multimedia związane z tematem:
Kompas żyroskopowy

Zobacz hasło żyroskop w Wikisłowniku

busola, kompas