Kompas żyroskopowy

Żyrokompas firmy Anschütz; skaleczenie

Żyroskop kompas jest kompas , który wyrównuje z tym południka , a zatem wskazuje kierunek północ-południe. Dzięki poziomemu zawieszeniu nie jest to wolny, ale zawiązany top . W związku z tym wygląda jak południk , ale potrzebuje od dwóch do czterech godzin na wyrównanie (czas ustalania). Ponieważ na wyświetlaczu kursu należy uwzględnić błąd podróży zależny od kursu i prędkości, żyrokompasy są używane głównie na statkach wolno poruszających się . Działają niezależnie od pola magnetycznego Ziemi i dlatego nie pokazują magnetycznego, ale prawdziwy (astronomiczny) kierunek północy.

Żyroskop kursu, który jest często używany w małych samolotach, jest żyroskopem swobodnym , ale często jest mylony z żyrokompasem. Nowoczesne systemy nawigacji bezwładnościowej lub inercyjnej współpracują również z żyroskopami swobodnymi . Jednak oprócz kierunku zapewniają również dokładne określenie pozycji poprzez całkowanie przyspieszeń samolotu w trzech wymiarach.

Zasada działania

Rys. 1: Struktura żyrokompasu, schemat

Żyrokompas składa się z szybko obracającego się żyroskopu , zwykle w zawieszeniu kardanowym . Ponadto jest tak rozmieszczone, że działa na niego moment obrotowy , o ile jego kierunek obrotu nie wskazuje północy. Jeżeli kierunek obrotu jest skierowany na północ, a tym samym oś obrotu w kierunku obrotu ziemi, moment obrotowy ( iloczyn poprzeczny promienia prostopadłego do kierunku obrotu i siły wynikającej z przyspieszenia w kierunku rotacja Ziemi) wynosi zero. W przedstawionym obok układzie eksperymentu jest zawieszony jako wahadło. Może jedynie swobodnie orientować się równolegle do powierzchni ziemi.

Rys. 2: Zasada działania żyrokompasu

Schematyczny rysunek na rys. 2 pokazuje, widziany z bieguna południowego, żyrokompas poruszający się wzdłuż równika. Początkowo jego oś obrotu sn jest równoległa do powierzchni ziemi. Zgodnie z zachowaniem momentu pędu oś zachowuje swój kierunek nawet podczas przemieszczania się do drugiego pokazanego położenia. Dzięki specjalnemu zawieszeniu żyroskop może ustawiać się bez użycia siły tylko w dwóch płaszczyznach. Grawitacja działa w trzecim kierunku. Próbuje przechylić oś wzdłuż strzałek oznaczonych D. Generowany przez nią moment obrotowy odchyla oś obrotu poza płaszczyznę rysunku i powoduje precesję góry . Tłumienie ruchu obrotowego wokół punktu A powoduje, że blat zatrzymuje się, gdy działająca siła zanika. Dzieje się tak, gdy oś żyroskopu jest skierowana w kierunku północ-południe („żyroskop poszukujący południka”).

Ruchy wierzchołka wzdłuż południka powodują spadki magnetyczne. Wtedy wierzchołek nie wskazuje już dokładnie na północ, ale w kierunku wynikającym z sumy prędkości zależnej od szerokości geograficznej (cos φ) na powierzchni ziemi i prędkości, z jaką porusza się wierzchołek. Prędkość wzdłuż południka 20 km / h powoduje rozproszenie uwagi tylko o 0,5 °, co jest określane jako błąd w nawigacji. Przy 150 km / h wzrasta do 5 °. Jeśli szczyt porusza się wzdłuż południka z prędkością obrotową równika 1600 km / h, to wynosi 45 °.

Żyrokompas ulega awarii w pobliżu biegunów, ponieważ oś obrotu Ziemi jest skierowana prawie pionowo poza powierzchnię, a moment obrotowy rzucany na płaszczyznę poziomą staje się bardzo mały. Te problemy doprowadziły do ​​opracowania trójżyrokompasów .

Żyrokompas jest wrażliwy na przyspieszenie (np. Gdy statek zaczyna się poruszać lub zmienia kurs). Wynikające z tego błędy wyświetlania można w dużej mierze wyeliminować za pomocą tak zwanego głosowania Schulera (więcej szczegółów można znaleźć w okresie Schulera ). Śledztwo wraca do Maximiliana Schulera . Inne ustawienia są przydatne w przypadku szybko zmieniających się przyspieszeń, na przykład tych, które występują, gdy statek się kołysze lub kołysze.

Nowoczesny żyrokompas osiąga dynamiczną dokładność wyrównania mniejszą niż 0,5 °, lepszą niż żyroskop światłowodowy .

historia

W 1851 r. Léon Foucault eksperymentował z żyroskopem opracowanym przez Johanna Gottlieba Friedricha von Bohnenbergera w 1810 r. I ponownie odkrytym przez Alfonsa Renza w 2004 r. I odkrył tendencję tego ostatniego do ustawiania się równolegle do południka, gdy oś została zepchnięta w poziom. W tym kontekście mówił o „wierzchołku południka”. Około 1900 roku August Föppl i inni poszukiwali technicznych rozwiązań dla szybko obracającego się blatu.

W 1876 roku William Thomson otrzymał patent na kompas. Jego uczeń John Perry otrzymał patent USA na żyrokompas w 1919 roku.

W 1904 roku Hermann Anschütz-Kaempfe otrzymał patent na zasadę techniczną żyrokompasu. Anschütz-Kaempfe studiował wówczas medycynę i historię sztuki. Dzięki znajomości z austriackim polarnikiem Juliusem von Payerem wpadł na pomysł przepłynięcia łodzią podwodną pod biegunem północnym . Anschütz-Kaempfe usilnie starał się znaleźć rozwiązania dla technicznych wymagań takiej wycieczki. Konwencjonalnych kompasów magnetycznych nie można używać w łodzi podwodnej, ponieważ żelazna osłona osłania pole magnetyczne Ziemi. Pierwsze testy prototypów nowego kompasu przeprowadził 11 marca 1904 roku na parowcu Schleswig na Morzu Bałtyckim . Od 1908 roku żyrokompas był używany przez niemiecką marynarkę wojenną.

W tym samym czasie wielu innych wynalazców wpadło na pomysł użycia żyroskopu w kompasie. Więc niech Elmer Ambrose Sperry w 1908 roku opatentował żyrokompas. Kiedy Sperry chciał sprzedać systemy żyrokompasów Cesarskiej Marynarce Wojennej w 1914 roku , wybuchł spór patentowy pomiędzy Anschütz-Kaempfe i Sperry przed Cesarskim Urzędem Patentowym w Berlinie, z którym Albert Einstein był konsultowany jako ekspert w 1914 roku. Początkowo wypowiadał się przeciwko walkom Anschütz. Powód: opis patentowy odnosi się tylko do wahadła Foucaulta, ale nie do „szczytu południka”. W opinii Einsteina, Anschütz-Kaempfe zajmował się zbyt mało badaniami Foucaulta nad żyroskopem, aby mógł być wynalazcą.

Po tym, jak Einstein poznał zgłaszającego patent Anschütz-Kaempfe i jego sposób pracy, zmienił zdanie. Między nimi zawiązała się osobista przyjaźń. W innym postępowaniu patentowym, w którym Anschütz-Kaempfe zwrócił się do Kreiselbau GmbH z powodu wynalezienia sztucznego horyzontu dla samolotów, Einstein w 1918 roku zwrócił się do sądu o odwołanie go jako biegłego. Od tego czasu Einstein wymieniał się pomysłami na temat żyrokompasu z Anschütz-Kaempfe, co doprowadziło do szeregu decydujących ulepszeń i zaowocowało szeroko rozpowszechnionym projektem z pływającą kulą zawierającą dwa żyroskopy, całkowicie uszczelnionym systemem żyroskopowym, który jest chroniony przed manipulacją iw dużej mierze niewrażliwy na zakłócenia. W 1922 roku Anschütz-Kaempfe uzyskał na to patent, który również wspomina o udziale Einsteina w wynalazku.

Założona przez Anschütza firma o tej samej nazwie istniała do 1994 roku, zanim została przejęta przez amerykańską firmę Raytheon . Jednak nadal działa jako Raytheon Anschütz GmbH.

linki internetowe

Commons : Żyroskopowe kompasy  - zbiór zdjęć, filmów i plików audio

Przypisy

  1. ^ Heinrich Meldau: Żyrokompas Anschütz, samosterowanie i pisarz kursów. Arthur Geist Verlag, Brema 1935.
  2. ↑ Zobacz Jörg F. Wagner; Helmut Sorg; Alfons Renz: Maszyna Bohnenbergera . W: GeoBit 10 (2005), 4 GIS, s. 19–24: Jörg F. Wagner; Helmut Sorg; Alfons Renz: Maszyna Bohnenbergera . W: European Journal of navigation. Wiodące czasopismo poświęcone systemom, usługom i aplikacjom, Vol. 3 (2005), 4, strony 69-77; Alfons Renz: żyroskop Bohnenbergera. Typowy wynalazek Tybingi . W: Tübinger Blätter 93 (2007), s. 27–34.
  3. ^ Jobst Broelmann : Opracowanie żyrokompasu jako pomocy nawigacyjnej do użytku wojskowego i cywilnego. W: Roland G. Foerster & Heinrich Walle (red.): Military and technology. Powiązania z państwem, społeczeństwem i przemysłem w XIX i XX wieku. Mittler, Herford 1992, ISBN 3-8132-0368-9 , s. 221.
  4. ↑ Dieter Lohmeier & Bernhardt Schell (red.): Einstein, Anschütz i wiatrakowiec Kiel. Korespondencja między Albertem Einsteinem a Hermannem Anschütz-Kaempfe i inne dokumenty. Poprawione wydanie drugie. Raytheon Marine, Kiel 2005, ISBN 3-00-016598-3 .
  5. ↑ Patent DE394667 : żyroskop do celów pomiarowych. Zarejestrowany 18 lutego 1922 r. , Opublikowany 8 maja 1924 r. , Zgłaszający: Anschütz & Co. GmbH. ‌
  6. ↑ Bernd Sorge: Einstein, Anschütz i żyrokompas Kilonii. W: Brandenburgia geodezyjna. Wydanie 2/2007, s. 114–116 ( PDF; 72 kB ).