Kreiselkompass – Wikipedia

Posted on January 27, 2021 by lordneo

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Art des nichtmagnetischen Kompasses basierend auf der Erdrotation

Ausschnitt eines Anschütz-Kreiselkompasses

EIN Kreiselkompass ist eine Art nichtmagnetischer Kompass, der auf einer sich schnell drehenden Scheibe und der Rotation der Erde (oder eines anderen Planetenkörpers, wenn er anderswo im Universum verwendet wird) basiert, um die geografische Richtung automatisch zu ermitteln. Die Verwendung eines Kreiselkompasses ist eine der sieben grundlegenden Methoden zur Bestimmung der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs.^[1] Obwohl eine wichtige Komponente eines Kreiselkompasses ein Gyroskop ist, handelt es sich nicht um dieselben Geräte. Ein Kreiselkompass wurde gebaut, um den Effekt der Kreiselpräzession zu nutzen, der ein charakteristischer Aspekt des allgemeinen Kreiseleffekts ist.^[2]^[3] Kreiselkompasse werden häufig für die Navigation auf Schiffen verwendet, da sie gegenüber Magnetkompassen zwei wesentliche Vorteile haben:^[3]

Flugzeuge verwenden üblicherweise gyroskopische Instrumente (jedoch keinen Kreiselkompass) zur Navigation und Lageüberwachung. Einzelheiten finden Sie unter Fluginstrumente und gyroskopischer Autopilot.

Table of Contents

Betrieb[edit]

Ein Gyroskop, nicht zu verwechseln mit Kreiselkompass, ist ein sich drehendes Rad, das auf einem Satz Kardanrahmen montiert ist, so dass sich seine Achse frei in irgendeiner Weise orientieren kann.^[3] Wenn ein solches Rad aufgrund des Gesetzes zur Erhaltung des Drehimpulses auf Geschwindigkeit gedreht wird und seine Achse in eine Richtung zeigt, behält es normalerweise seine ursprüngliche Ausrichtung zu einem festen Punkt im Weltraum bei (nicht zu einem festen Punkt auf der Erde). . Da sich unser Planet dreht, scheint es einem stationären Beobachter auf der Erde, dass die Achse eines Gyroskops alle 24 Stunden eine vollständige Rotation durchführt.^{[note 1]} Ein solches rotierendes Gyroskop wird in einigen Fällen zur Navigation verwendet, beispielsweise in Flugzeugen, wo es als Richtungsanzeiger oder Richtungskreisel bekannt ist, kann jedoch normalerweise nicht für die langfristige Seefahrt verwendet werden. Die entscheidende zusätzliche Zutat, die benötigt wird, um ein Gyroskop in einen Kreiselkompass zu verwandeln, damit es sich automatisch im wahren Norden positioniert.^[2]^[3] ist ein Mechanismus, der zu einer Drehmomentanwendung führt, wenn die Kompassachse nicht nach Norden zeigt.

Eine Methode verwendet Reibung, um das erforderliche Drehmoment aufzubringen:^[4] Das Gyroskop in einem Kreiselkompass ist nicht völlig frei, sich neu zu orientieren. Wenn beispielsweise eine mit der Achse verbundene Vorrichtung in eine viskose Flüssigkeit eingetaucht ist, widersteht diese Flüssigkeit einer Neuorientierung der Achse. Diese durch das Fluid verursachte Reibungskraft führt zu einem auf die Achse wirkenden Drehmoment, wodurch sich die Achse in einer Richtung dreht, die orthogonal zum Drehmoment (dh zum Vorrücken) entlang einer Längenlinie ist. Sobald die Achse auf den Himmelspol zeigt, scheint sie stationär zu sein und erfährt keine Reibungskräfte mehr. Dies liegt daran, dass der wahre Norden (oder der wahre Süden) die einzige Richtung ist, für die das Gyroskop auf der Erdoberfläche verbleiben kann und sich nicht ändern muss. Diese Achsenausrichtung wird als Punkt minimaler potentieller Energie betrachtet.

Eine andere, praktischere Methode besteht darin, Gewichte zu verwenden, um die Achse des Kompasses zu zwingen, horizontal zu bleiben (senkrecht zur Richtung des Erdmittelpunkts), aber ansonsten zuzulassen, dass sie sich frei innerhalb der horizontalen Ebene dreht.^[2]^[3] In diesem Fall übt die Schwerkraft ein Drehmoment aus, das die Kompassachse in Richtung Norden treibt. Da die Gewichte die Kompassachse so einschränken, dass sie in Bezug auf die Erdoberfläche horizontal ist, kann sich die Achse niemals mit der Erdachse ausrichten (außer am Äquator) und muss sich neu ausrichten, wenn sich die Erde dreht. In Bezug auf die Erdoberfläche scheint der Kompass jedoch stationär zu sein und entlang der Erdoberfläche zum wahren Nordpol zu zeigen.

Da die Nordsuchfunktion des Kreiselkompasses von der Rotation um die Erdachse abhängt, die eine drehmomentinduzierte Kreiselpräzession verursacht, orientiert er sich nicht richtig im wahren Norden, wenn er sich sehr schnell in Ost-West-Richtung bewegt, wodurch die Erdrotation. Flugzeuge verwenden jedoch üblicherweise Richtungsanzeiger oder Richtungskreisel, die keine Kreiselkompasse sind und sich nicht über Präzession nach Norden ausrichten, sondern periodisch manuell manuell nach magnetischem Norden ausgerichtet werden.^[5]^[6]

Mathematisches Modell[edit]

Wir betrachten einen Kreiselkompass als ein Gyroskop, das sich frei um eine seiner Symmetrieachsen drehen kann. Außerdem kann sich das gesamte rotierende Gyroskop frei in der horizontalen Ebene um die lokale Vertikale drehen. Daher gibt es zwei unabhängige lokale Rotationen. Zusätzlich zu diesen Rotationen betrachten wir die Rotation der Erde um ihre Nord-Süd-Achse (NS) und modellieren den Planeten als perfekte Kugel. Wir vernachlässigen die Reibung und auch die Rotation der Erde um die Sonne.

In diesem Fall kann ein nicht rotierender Beobachter, der sich im Erdmittelpunkt befindet, als Trägheitsrahmen angenähert werden. Wir legen kartesische Koordinaten fest

{ displaystyle (X_ {1}, Y_ {1}, Z_ {1})}

${ displaystyle (X_ {1}, Y_ {1}, Z_ {1})}$ für einen solchen Beobachter (den wir als 1-O bezeichnen) und der Schwerpunkt des Gyroskops befindet sich in einiger Entfernung

{ displaystyle R}

$R.$ vom Erdmittelpunkt.

Erste zeitabhängige Rotation[edit]

Stellen Sie sich einen anderen (nicht trägen) Beobachter (den 2-O) vor, der sich im Erdmittelpunkt befindet, sich aber um die NS-Achse dreht

{ displaystyle Omega.}

$Omega.$ Wir legen Koordinaten fest, die diesem Beobachter als zugeordnet sind

{ displaystyle { begin {pmatrix} X_ {2} \ Y_ {2} \ Z_ {2} end {pmatrix}} = { begin {pmatrix} cos Omega t & sin Omega t & 0 \ – sin Omega t & cos Omega t & 0 \ 0 & 0 & 1 end {pmatrix}} { begin {pmatrix} X_ {1} \ Y_ {1} \ Z_ {1} end {pmatrix}}}

so dass die Einheit

{ displaystyle { hat {X}} _ {1}}

${ hat {X}} _ {{1}}$ Versor

{ displaystyle (X_ {1} = 1, Y_ {1} = 0, Z_ {1} = 0) ^ {T}}

$(X _ {{1}} = 1, Y _ {{1}} = 0, Z _ {{1}} = 0) ^ {{T}}$ wird auf den Punkt abgebildet

{ displaystyle (X_ {2} = cos Omega t, Y_ {2} = – sin Omega t, Z_ {2} = 0) ^ {T}}

$(X _ {{2}} = cos Omega t, Y _ {{2}} = - sin Omega t, Z _ {{2}} = 0) ^ {{T}}$ . Beim 2-O bewegt sich weder die Erde noch der Schwerpunkt des Gyroskops. Die Drehung von 2-O relativ zu 1-O wird mit Winkelgeschwindigkeit durchgeführt

{ displaystyle { vec { Omega}} = (0,0, Omega) ^ {T}}

${ vec { Omega}} = (0,0, Omega) ^ {{T}}$ . Wir nehmen an, dass die

{ displaystyle X_ {2}}

$X _ {{2}}$ Achse bezeichnet Punkte mit einer Länge von Null (der Primzahl- oder Greenwich-Meridian).

Zweite und dritte feste Umdrehung[edit]

Wir drehen uns jetzt um die

{ displaystyle textstyle Z_ {2}}

$textstyle Z _ {{2}}$ Achse, so dass die

{ displaystyle textstyle X_ {3}}

$textstyle X _ {{3}}$ -Achse hat die Länge des Schwerpunkts. In diesem Fall haben wir

{ displaystyle { begin {pmatrix} X_ {3} \ Y_ {3} \ Z_ {3} end {pmatrix}} = { begin {pmatrix} cos Phi & sin Phi & 0 \ – sin Phi & cos Phi & 0 \ 0 & 0 & 1 end {pmatrix}} { begin {pmatrix} X_ {2} \ Y_ {2} \ Z_ {2} end {pmatrix}}.}

Bei der nächsten Umdrehung (um die Achse

{ displaystyle textstyle Y_ {3}}

$textstyle Y _ {{3}}$ eines Winkels

{ displaystyle textstyle delta}

$textstyle delta$ , die Ko-Breite) bringen wir die

{ displaystyle textstyle Z_ {3}}

$textstyle Z _ {{3}}$ Achse entlang des lokalen Zenits (

{ displaystyle textstyle Z_ {4}}

$textstyle Z _ {{4}}$ -Achse) des Schwerpunkts. Dies kann durch die folgende orthogonale Matrix (mit Einheitsdeterminante) erreicht werden.

{ displaystyle { begin {pmatrix} X_ {4} \ Y_ {4} \ Z_ {4} end {pmatrix}} = { begin {pmatrix} cos delta & 0 & – sin delta \ 0 & 1 & 0 \ sin delta & 0 & cos delta end {pmatrix}} { begin {pmatrix} X_ {3} \ Y_ {3} \ Z_ {3} end {pmatrix}},}

so, dass die

{ displaystyle textstyle { hat {Z}} _ {3}}

$textstyle { hat {Z}} _ {{3}}$ Versor

{ displaystyle textstyle (X_ {3} = 0, Y_ {3} = 0, Z_ {3} = 1) ^ {T}}

${ displaystyle textstyle (X_ {3} = 0, Y_ {3} = 0, Z_ {3} = 1) ^ {T}}$ wird auf den Punkt abgebildet

{ displaystyle textstyle (X_ {4} = – sin delta, Y_ {4} = 0, Z_ {4} = cos delta) ^ {T}.}

${ displaystyle textstyle (X_ {4} = - sin delta, Y_ {4} = 0, Z_ {4} = cos delta) ^ {T}.}$

Ständige Übersetzung[edit]

Wir wählen nun eine andere Koordinatenbasis, deren Ursprung im Schwerpunkt des Gyroskops liegt. Dies kann durch die folgende Übersetzung entlang der Zenitachse erfolgen

{ displaystyle { begin {pmatrix} X_ {5} \ Y_ {5} \ Z_ {5} end {pmatrix}} = { begin {pmatrix} X_ {4} \ Y_ {4} \ Z_ {4} end {pmatrix}} – { begin {pmatrix} 0 \ 0 \ R end {pmatrix}},}

so dass der Ursprung des neuen Systems,

{ displaystyle (X_ {5} = 0, Y_ {5} = 0, Z_ {5} = 0) ^ {T}}

$(X _ {{5}} = 0, Y _ {{5}} = 0, Z _ {{5}} = 0) ^ {{T}}$ befindet sich am Punkt

{ displaystyle (X_ {4} = 0, Y_ {4} = 0, Z_ {4} = R) ^ {T},}

${ displaystyle (X_ {4} = 0, Y_ {4} = 0, Z_ {4} = R) ^ {T},}$ und

{ displaystyle R}

$R.$ ist der Radius der Erde. Jetzt die

{ displaystyle X_ {5}}

$X _ {{5}}$ -Achse zeigt nach Süden.

Vierte zeitabhängige Rotation[edit]

Jetzt drehen wir uns um den Zenit

{ displaystyle Z_ {5}}

$Z _ {{5}}$ -Achse, so dass das neue Koordinatensystem an die Struktur des Gyroskops angehängt wird, so dass sich der Kreiselkompass für einen in diesem Koordinatensystem ruhenden Beobachter nur um seine eigene Symmetrieachse dreht. In diesem Fall finden wir

{ displaystyle { begin {pmatrix} X_ {6} \ Y_ {6} \ Z_ {6} end {pmatrix}} = { begin {pmatrix} cos alpha & sin alpha & 0 \ – sin alpha & cos alpha & 0 \ 0 & 0 & 1 end {pmatrix}} { begin {pmatrix} X_ {5} \ Y_ {5} \ Z_ {5} end {pmatrix}}.}

Die Symmetrieachse des Kreiselkompasses liegt nun entlang der

{ displaystyle X_ {6}}

$X _ {{6}}$ -Achse.

Letzte zeitabhängige Drehung[edit]

Die letzte Drehung ist eine Drehung um die Symmetrieachse des Gyroskops wie in

{ displaystyle { begin {pmatrix} X_ {7} \ Y_ {7} \ Z_ {7} end {pmatrix}} = { begin {pmatrix} 1 & 0 & 0 \ 0 & cos psi & sin psi \ 0 & – sin psi & cos psi end {pmatrix}} { begin {pmatrix} X_ {6} \ Y_ {6} \ Z_ {6} end {pmatrix}}.}

Dynamik des Systems[edit]

Da sich die Höhe des Schwerpunkts des Gyroskops nicht ändert (und der Ursprung des Koordinatensystems an demselben Punkt liegt), ist seine Energie des Gravitationspotentials konstant. Daher ist es Lagrange

{ displaystyle { mathcal {L}}}

${ mathcal {L}}$ entspricht seiner kinetischen Energie

{ displaystyle K}

$K.$ nur. Wir haben

{ displaystyle { mathcal {L}} = K = { frac {1} {2}} { vec { omega}} ^ {T} I { vec { omega}} + { frac {1 } {2}} M { vec {v}} _ { rm {CM}} ^ {2},}

{ displaystyle M}

$M.$ ist die Masse des Gyroskops und

{ displaystyle { vec {v}} _ { rm {CM}} ^ {2} = Omega ^ {2} R ^ {2} sin ^ {2} delta = { rm {Konstante}} }}

ist die quadratische Trägheitsgeschwindigkeit des Ursprungs der Koordinaten des endgültigen Koordinatensystems (dh des Massenschwerpunkts). Dieser konstante Term beeinflusst die Dynamik des Gyroskops nicht und kann vernachlässigt werden. Andererseits ist der Trägheitstensor gegeben durch

{ displaystyle I = { begin {pmatrix} I_ {1} & 0 & 0 \ 0 & I_ {2} & 0 \ 0 & 0 & I_ {2} end {pmatrix}}}

und

{ displaystyle { begin {align} { vec { omega}} & = { begin {pmatrix} 1 & 0 & 0 \ 0 & cos psi & sin psi \ 0 & – sin psi & cos psi end {pmatrix}} { begin {pmatrix} { dot { psi}} \ 0 \ 0 end {pmatrix}} + { begin {pmatrix} 1 & 0 & 0 \ 0 & cos psi & sin psi \ 0 & – sin psi & cos psi end {pmatrix}} { begin {pmatrix} cos alpha & sin alpha & 0 \ – sin alpha & cos alpha & 0 \ 0 & 0 & 1 end {pmatrix}} { begin {pmatrix} 0 \ 0 \ { dot { alpha}} end {pmatrix}} \ & qquad + { begin {pmatrix} 1 & 0 & 0 0 & cos psi & sin psi \ 0 & – sin psi & cos psi end {pmatrix}} { begin {pmatrix} cos alpha & sin alpha & 0 \ – sin alpha & cos alpha & 0 \ 0 & 0 & 1 end {pmatrix}} { begin {pmatrix} cos delta & 0 & – sin delta \ 0 & 1 & 0 \ sin delta & 0 & cos delta end {pmatrix}} { begin {pmatrix} cos Phi & sin Phi & 0 \ – sin Phi & cos Phi & 0 \ 0 & 0 & 1 end {pmatrix}} { begin {pmatrix} cos Omega t & sin Omega t & 0 \ – sin Omega t & cos Omega t & 0 \ 0 & 0 & 1 end {pmatrix}} { begin {pmatrix} 0 \ 0 \ Omega end {pmatrix}} \ & = { begin {pmatrix} { dot { psi}} \ 0 \ 0 \ end {pmatrix}} + { begin {pmatr ix} 0 \ { dot { alpha}} sin psi \ { dot { alpha}} cos psi end {pmatrix}} + { begin {pmatrix} – Omega sin Delta cos alpha \ Omega ( sin delta sin alpha cos psi + cos delta sin psi) \ Omega (- sin delta sin alpha sin psi + cos delta cos psi) end {pmatrix}} end {align}}}

Deshalb finden wir

{ displaystyle { begin {align} { mathcal {L}} & = { frac {1} {2}} left[I_{1}omega _{1}^{2}+I_{2}left(omega _{2}^{2}+omega _{3}^{2}right)right]\ & = { frac {1} {2}} I_ {1} left ({ dot { psi}} – Omega sin delta cos alpha right) ^ {2} + { frac {1} {2}} I_ {2} left { left[{dot {alpha }}sin psi +Omega (sin delta sin alpha cos psi +cos delta sin psi )right]^ {2} + left[{dot {alpha }}cos psi +Omega (-sin delta sin alpha sin psi +cos delta cos psi )right]^ {2} right } \ & = { frac {1} {2}} I_ {1} left ({ dot { psi}} – Omega sin delta cos alpha right ) ^ {2} + { frac {1} {2}} I_ {2} left {{ dot { alpha}} ^ {2} + Omega ^ {2} left ( cos ^ { 2} delta + sin ^ {2} alpha sin ^ {2} delta right) +2 { dot { alpha}} Omega cos delta right } end {align}} }}

Der Lagrange kann umgeschrieben werden als

{ displaystyle { mathcal {L}} = { mathcal {L}} _ {1} + { frac {1} {2}} I_ {2} Omega ^ {2} cos ^ {2} Delta + { frac {d} {dt}} (I_ {2} alpha Omega cos delta),}

{ displaystyle { mathcal {L}} _ {1} = { frac {1} {2}} I_ {1} left ({ dot { psi}} – Omega sin delta cos alpha right) ^ {2} + { frac {1} {2}} I_ {2} left ({ dot { alpha}} ^ {2} + Omega ^ {2} sin ^ {2 } alpha sin ^ {2} delta right)}

ist der Teil des Lagrange, der für die Dynamik des Systems verantwortlich ist. Dann seit

{ displaystyle teilweise { mathcal {L}} _ {1} / teilweise psi = 0}

$partielle { mathcal {L}} _ {1} / partielle psi = 0$ , wir finden

{ displaystyle L_ {x} equiv { frac { partiell { mathcal {L}} _ {1}} { partiell { dot { psi}}} = I_ {1} left ({ Punkt { psi}} – Omega sin delta cos alpha right) = mathrm {Konstante}.}

Da der Drehimpuls

{ displaystyle { vec {L}}}

$vec L.$ des Kreiselkompasses ist gegeben durch

{ displaystyle { vec {L}} = I { vec { omega}},}

${ displaystyle { vec {L}} = I { vec { omega}},}$ wir sehen, dass die Konstante

{ displaystyle L_ {x}}

$L_ {x}$ ist die Komponente des Drehimpulses um die Symmetrieachse. Weiterhin finden wir die Bewegungsgleichung für die Variable

{ displaystyle alpha}

$Alpha$ wie

{ displaystyle { frac {d} {dt}} left ({ frac { partielle { mathcal {L}} _ {1}} { partielle { dot { alpha}}} rechts) = { frac { teilweise { mathcal {L}} _ {1}} { teilweise alpha}},}

oder

{ displaystyle { begin {align} I_ {2} { ddot { alpha}} & = I_ {1} Omega left ({ dot { psi}} – Omega sin delta cos alpha right) sin delta sin alpha + { frac {1} {2}} I_ {2} Omega ^ {2} sin ^ {2} delta sin 2 alpha \ & = L_ {x} Omega sin delta sin alpha + { frac {1} {2}} I_ {2} Omega ^ {2} sin ^ {2} delta sin 2 alpha end {ausgerichtet}}}

Sonderfall: die Pole[edit]

An den Polen finden wir

{ displaystyle sin delta = 0,}

${ displaystyle sin delta = 0,}$ und die Bewegungsgleichungen werden

{ displaystyle { begin {align} L_ {x} & = I_ {1} { dot { psi}} = mathrm {Konstante} \ I_ {2} { ddot { alpha}} & = 0 end {align}}}

Diese einfache Lösung impliziert, dass sich das Gyroskop sowohl in der vertikalen als auch in der symmetrischen Achse gleichmäßig mit konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht.

Der allgemeine und physikalisch relevante Fall[edit]

Nehmen wir jetzt das an

{ displaystyle sin delta neq 0}

$sin delta neq 0$ und das

{ displaystyle alpha ca. 0}

$alpha ca. 0$ Das heißt, die Achse des Gyroskops liegt ungefähr entlang der Nord-Süd-Linie. Lassen Sie uns den Parameterraum (falls vorhanden) finden, für den das System stabile kleine Schwingungen um dieselbe Linie zulässt. In diesem Fall ist das Gyroskop immer ungefähr entlang der Nord-Süd-Linie ausgerichtet und gibt die Richtung vor. In diesem Fall finden wir

{ displaystyle { begin {align} L_ {x} & approx I_ {1} left ({ dot { psi}} – Omega sin delta right) \ I_ {2} { ddot { alpha}} & approx left (L_ {x} Omega sin delta + I_ {2} Omega ^ {2} sin ^ {2} delta right) alpha end {align} }}

Betrachten Sie den Fall, dass

{ displaystyle L_ {x} <0,}

und außerdem erlauben wir schnelle Kreiselrotationen, das heißt

{ displaystyle left | { dot { psi}} right | gg Omega.}

Daher für schnelle Drehrotationen,

{ displaystyle L_ {x} <0}

$L_{x}<0$ impliziert

{ displaystyle { dot { psi}} <0.}

${displaystyle {dot {psi }}<0.}$ In diesem Fall vereinfachen sich die Bewegungsgleichungen weiter zu

{ displaystyle { begin {align} L_ {x} & approx -I_ {1} left | { dot { psi}} right | approx mathrm {Konstante} \ I_ {2} { ddot { alpha}} & approx -I_ {1} left | { dot { psi}} right | Omega sin delta alpha end {align}}}

Daher finden wir kleine Schwingungen um die Nord-Süd-Linie, wie

{ displaystyle alpha approx A sin ({ tilde { omega}} t + B)}

$alpha approx A sin ({ tilde omega} t + B)$ wobei die Winkelgeschwindigkeit dieser harmonischen Bewegung der Symmetrieachse des Kreiselkompasses um die Nord-Süd-Linie gegeben ist durch

{ displaystyle { tilde { omega}} = { sqrt { frac {I_ {1} sin delta} {I_ {2}}} { sqrt { left | { dot { psi} } right | Omega}},}

das entspricht einer Periode für die Schwingungen gegeben durch

{ displaystyle T = { frac {2 pi} { sqrt { left | { dot { psi}} right | Omega}} { sqrt { frac {I_ {2}} {I_ {1} sin delta}}}.}

Deshalb

{ displaystyle { tilde { omega}}}

${ tilde omega}$ ist proportional zum geometrischen Mittel der Erde und den Drehwinkelgeschwindigkeiten. Um kleine Schwingungen zu haben, haben wir benötigt

{ displaystyle { dot { psi}} <0}

${dot {psi }}<0$ , so dass der Norden entlang der Rechtsrichtung der Drehachse liegt, also entlang der negativen Richtung der Drehachse

{ displaystyle X_ {7}}

$X_7$ -Achse, die Symmetrieachse. Als Nebenergebnis beim Messen

{ displaystyle T}

$T.$ (und wissen

{ displaystyle { dot { psi}}}

${ dot { psi}}$ ) kann man den lokalen Breitengrad ableiten

{ displaystyle delta.}

${ displaystyle delta.}$

Geschichte[edit]

Der erste, noch nicht praktikable,^[7] Die Form des Kreiselkompasses wurde 1885 von Marinus Gerardus van den Bos patentiert.^[7] Ein verwendbarer Kreiselkompass wurde 1906 in Deutschland von Hermann Anschütz-Kaempfe erfunden und nach erfolgreichen Tests im Jahr 1908 in der deutschen kaiserlichen Marine weit verbreitet.^[2]^[7]^[8] Anschütz-Kaempfe gründete die Firma Anschütz & Co. in Kiel, um Kreiselkompasse in Massenproduktion herzustellen. Das Unternehmen heißt heute Raytheon Anschütz GmbH.^[9] Der Kreiselkompass war eine wichtige Erfindung für die nautische Navigation, da er jederzeit eine genaue Bestimmung des Schiffsstandorts ermöglichte, unabhängig von der Schiffsbewegung, dem Wetter und der beim Bau des Schiffes verwendeten Stahlmenge.^[4]

In den USA stellte Elmer Ambrose Sperry ein funktionsfähiges Kreiselkompasssystem her (1908: Patent Nr. 1.242.065) und gründete die Sperry Gyroscope Company. Die Einheit wurde von der US Navy (1911) adoptiert^[3]) und spielte eine wichtige Rolle im Ersten Weltkrieg. Die Marine begann auch mit Sperrys “Metal Mike”: dem ersten gyroskopgeführten Autopilot-Lenksystem. In den folgenden Jahrzehnten wurden diese und andere Sperry-Geräte von Dampfschiffen wie der RMS Queen Mary, Flugzeugen und Kriegsschiffen des Zweiten Weltkriegs übernommen. Nach seinem Tod 1930 benannte die Marine die USS Sperry nach ihm.

In der Zwischenzeit entwickelte C. Plath (ein in Hamburg ansässiger Hersteller von Navigationsgeräten einschließlich Sextanten und Magnetkompassen) 1913 den ersten Kreiselkompass, der auf einem Handelsschiff installiert wurde. C. Plath verkaufte viele Kreiselkompasse an die Weems ‘School for Navigation in Annapolis, MD, und bald bildeten die Gründer jeder Organisation eine Allianz und wurden Weems & Plath.^[10]

Das Dumoulin-Krebs-Gyroskop von 1889

Vor dem Erfolg des Kreiselkompasses wurden in Europa mehrere Versuche unternommen, stattdessen ein Gyroskop zu verwenden. Bis 1880 versuchte William Thomson (Lord Kelvin), der britischen Marine einen Gyrostat (Tope) vorzuschlagen. 1889 passte Arthur Krebs einen Elektromotor für die französische Marine an das Meeresgyroskop Dumoulin-Froment an. Das gab die Gymnote U-Boot die Fähigkeit, mehrere Stunden unter Wasser eine gerade Linie zu halten, und es erlaubte ihr einen Marineblock erzwingen im Jahr 1890.

1923 veröffentlichte Max Schuler seine Arbeit mit seiner Beobachtung, dass ein Kreiselkompass, der über eine Schuler-Abstimmung verfügt, die eine Schwingungsdauer von 84,4 Minuten aufweist (dies ist die Umlaufzeit eines fiktiven Satelliten, der auf Meereshöhe um die Erde kreist) unempfindlich gegen seitliche Bewegung gemacht und Richtungsstabilität beibehalten.^[11]

Ein Kreiselkompass unterliegt bestimmten Fehlern. Dazu gehören Dampffehler, bei denen schnelle Änderungen von Kurs, Geschwindigkeit und Breitengrad Abweichungen verursachen, bevor sich der Kreisel selbst einstellen kann.^[12] Auf den meisten modernen Schiffen geben das GPS oder andere Navigationshilfen Daten an den Kreiselkompass weiter, sodass ein kleiner Computer eine Korrektur vornehmen kann. Alternativ werden diese Fehler durch ein auf einer Strapdown-Architektur basierendes Design (einschließlich einer Triade von Glasfaserkreiseln, Ringlasergyroskopen oder halbkugelförmigen Resonatorgyroskopen und einer Triade von Beschleunigungsmessern) beseitigt, da sie nicht von mechanischen Teilen abhängen, um die Rotationsgeschwindigkeit zu bestimmen.^[13]

Patente[edit]

Siehe auch[edit]

^ Obwohl der Effekt im speziellen Fall nicht sichtbar ist, wenn die Achse des Gyroskops genau parallel zur Erdrotationsachse ist.

Verweise[edit]

^ Gade, Kenneth (2016). “Die sieben Wege, um die Überschrift zu finden” (PDF). Das Journal of Navigation. Cambridge University Press. 69 (5): 955–970. doi:10.1017 / S0373463316000096.
^ ^ein ^b ^c ^d Elliott-Laboratories (2003). Die Anschutz Gyro-Compass und Gyroscope Engineering. S. 7–24. ISBN 978-1-929148-12-7. Archiviert vom Original am 04.03.2017.
^ ^ein ^b ^c ^d ^e ^f Time Inc. (15. März 1943). “Die Gyroskoppiloten Schiffe & Flugzeuge”. Leben: 80–83. Archiviert vom Original am 27.02.2017.
^ ^ein ^b Gyrocompass, Auxiliary Gyrocompass und Dead Reckoning Analyzing Indikator- und Tracersysteme Archiviert 2013-06-01 bei der Wayback Machine, San Francisco Maritime National Park Association.
^ NASA NASA-Rückruf: Auf dem Weg zum Ärger Archiviert 2011-07-16 auf der Wayback Machine, Website des NASA Callback Safety Bulletin, Dezember 2005, Nr. 305. Abgerufen am 29. August 2010.
^ Bowditch, Nathaniel. Amerikanischer praktischer Navigator Archiviert 2017-03-07 bei der Wayback Machine, Paradise Cay Publications, 2002, S. 93-94, ISBN 978-0-939837-54-0.
^ ^ein ^b ^c Galison, Peter (1987). Wie Experimente enden. S. 34–37. ISBN 978-0-226-27915-2. Archiviert vom Original am 2012-03-02.
^ “Archivierte Kopie” (PDF). Archiviert (PDF) vom Original am 29.06.2015. Abgerufen 2012-02-19.CS1-Wartung: Archivierte Kopie als Titel (Link) Standard 22 Anschütz Kreiselkompass [sic] System: Kreiselkompass [sic] Technologie [sic] für über als [sic] 100 Jahre
^ Industrie- und Handelskammern in Schleswig-Holstein Archiviert 2017-02-22 at the Wayback Machine Abgerufen am 22. Februar 2017.
^ Die Erfindung präziser Navigationsinstrumente für die Luft- und Seefahrt Archiviert 2011-07-18 bei der Wayback Machine, Weems & Plath.
^ Collinson, RPG (2003), Einführung in Avioniksysteme, Springer, p. 293, ISBN 978-1-4020-7278-9, archiviert vom Original am 07.07.2014
^ Kreiselkompass: Dampffehler Archiviert 2008-12-22 bei der Wayback Machine, Navis. Zugriff am 15. Dezember 2008.
^ Seemannschaftstechniken: Schiffs- und Marineoperationen, DJ House, Butterworth-Heinemann, 2004, p. 341

Literaturverzeichnis[edit]

Trainer Matthew (2008). “Albert Einsteins Expertenmeinungen zum Patentstreit um Sperry vs. Anschütz Kreiselkompass”. Weltpatentinformation. 30 (4): 320–325. doi:10.1016 / j.wpi.2008.05.003.

Externe Links[edit]

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