Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жердің айналымына негізделген магниттік емес компастың түрі. Кемелерде қолданылатын құрылғылар.
Type of non magnetic compass based on the rotation of the Earth
devices used on ships
Гирокомпас – жылдам айналатын диск және Жердің (немесе ғаламның басқа бөліктерінде басқа планеталық дененің) айналысына негізделген, географиялық бағытты автоматты түрде анықтайтын магниттік емес компастың түрі. Гирокомпас көлік құралының бағытын анықтаудың жеті негізгі тәсілдің бірін пайдаланады. Гироскоп – гирокомпастың маңызды бөлігі, бірақ бұл екі түрлі құрылғы; гирокомпас гироскопиялық прецессия әсерін пайдалану үшін жасалған, ол жалпы гироскопиялық эффектінің ерекше ерекшелігі. Гирокомпастар, мысалы, оптикалық талшықты гирокомпастар кемелерде навигацияға бағыт беру үшін кеңінен қолданылады. Бұған себебі олардың магниттік компастарға қарағанда екі маңызды артықшылығы бар: Гирокомпас түрі 1885 жылы Марин Герард ван ден Босқа патенттелген. Аншюц Каемпфе Киль қаласында Anschütz & Co. компаниясын гирокомпастарды жаппай өндіру үшін құрды; қазіргі кезде бұл компания Raytheon Anschütz GmbH деп аталады. Гирокомпас – кеме қозғалысына, ауа райына және кеме құрылысында қолданылған болат мөлшеріне қарамастан, кеменің орналасқан жерін әрқашан дәл анықтауға мүмкіндік берген теңіздік навигация үшін маңызды өнертабыс болды. Гирокомпас сәтті қолданысқа енгенге дейін, Еуропада гироскопты пайдалануға бірнеше әрекеттер жасалған. 1880 жылы Уильям Томсон (Лорд Кельвин) британдық теңіз флотына гиростат ұсынды. 1889 жылы Артур Кребс француз теңіз флоты үшін Dumoulin Froment теңіз гироскобына электр қозғалтқышын бейімдеді. Бұл Gymnote суасты кемесіне бірнеше сағат бойы су астында тура сызықпен жүруге мүмкіндік берді және 1890 жылы теңіздік блокаданы бұзуға көмектесті. 1923 жылы Макс Шулер өзінің мақаласында гирокомпастың Шулерлік реттелуіне ие болса, оның тербеліс периоды 84,4 минутқа (теңіз деңгейінде Жерді айналатын шартты спутниктің орбиталық периоды) тең болса, ол бүйірлік қозғалысқа сезімтал болмай, бағыттық тұрақтылықты сақтай алатынын жариялады.
A gyrocompass is a type of non magnetic compass which is based on a fast spinning disc and the rotation of the Earth (or another planetary body if used elsewhere in the universe) to find geographical direction automatically. A gyrocompass makes use of one of the seven fundamental ways to determine the heading of a vehicle. A gyroscope is an essential component of a gyrocompass, but they are different devices; a gyrocompass is built to use the effect of gyroscopic precession, which is a distinctive aspect of the general gyroscopic effect. Gyrocompasses, such as the fibre optic gyrocompass are widely used to provide a heading for navigation on ships. This is because they have two significant advantages over magnetic compasses: form of gyrocompass was patented in 1885 by Marinus Gerardus van den Bos. Anschütz Kaempfe founded the company Anschütz & Co. in Kiel, to mass produce gyrocompasses; the company is today Raytheon Anschütz GmbH. The gyrocompass was an important invention for nautical navigation because it allowed accurate determination of a vessel’s location at all times regardless of the vessel’s motion, the weather and the amount of steel used in the construction of the ship. Before the success of the gyrocompass, several attempts had been made in Europe to use a gyroscope instead. By 1880, William Thomson (Lord Kelvin) tried to propose a gyrostat to the British Navy. In 1889, Arthur Krebs adapted an electric motor to the Dumoulin Froment marine gyroscope, for the French Navy. That gave the Gymnote submarine the ability to keep a straight line while underwater for several hours, and it allowed her to force a naval block in 1890. In 1923 Max Schuler published his paper containing his observation that if a gyrocompass possessed Schuler tuning such that it had an oscillation period of 84.4 minutes (which is the orbital period of a notional satellite orbiting around the Earth at sea level), then it could be rendered insensitive to lateral motion and maintain directional stability.
Операция
Гироскопты гирокомпаспен шатастырмау керек, бұл оның осі кез келген бағытта еркін бағытталуы үшін гимбалдар жиынтығына орнатылған айналмалы дөңгелек. Мұндай айналмалы гироскоп кейбір жағдайларда, мысалы, ұшақтарда, бағыт көрсеткіш немесе бағыттаушы гироскоп ретінде белгілі, бірақ әдетте ұзақ мерзімді теңіз навигациясында қолданылмайды. Гироскопты гирокомпасқа айналдыру үшін қажетті маңызды қосымша элемент – ол автоматты түрде нақты солтүстікке бағытталуы. Гирокомпастағы гироскоп өзін-өзі қайта бағыттауға толыққанды еркін емес; мысалы, оське қосылған құрылғы тұтқыр сұйықтыққа батырылса, онда бұл сұйықтық осьтің қайта бағытталуына қарсы келеді. Сұйықтықтың тудырған осы үйкеліс күші осіне әсер ететін серпімді моментті жасайды, бұл осьтің серпімді моментке перпендикуляр бағытта (яғни, прецессияға) бойлық сызық бойымен айналуына себеп болады. Ось аспан полюсіне бағытталғанда, ол қозғалмайтын сияқты көрінеді және ешқандай үйкеліс күштерін сезінбейді. Өйткені нақты солтүстік (немесе нақты оңтүстік) – гироскоптың жер бетінде қала алатын және өзгеріске ұшырамауы тиіс жалғыз бағыт. Бұл осьтің бағыты ең төменгі потенциалдық энергияның нүктесі саналады. Тағы бір, практикалық әдіс – компастың осін көлденең (Жер орталығына перпендикуляр) ұстау үшін салмақтарды пайдалану, бірақ оған көлденең жазықтықта еркін айналуға мүмкіндік беру.
A gyroscope, not to be confused with a gyrocompass, is a spinning wheel mounted on a set of gimbals so that its axis is free to orient itself in any way. Such a rotating gyroscope is used for navigation in some cases, for example on aircraft, where it is known as heading indicator or directional gyro, but cannot ordinarily be used for long term marine navigation. The crucial additional ingredient needed to turn a gyroscope into a gyrocompass, so it would automatically position to true north, the gyroscope in a gyrocompass is not completely free to reorient itself; if for instance a device connected to the axis is immersed in a viscous fluid, then that fluid will resist reorientation of the axis. This friction force caused by the fluid results in a torque acting on the axis, causing the axis to turn in a direction orthogonal to the torque (that is, to precess) along a line of longitude. Once the axis points toward the celestial pole, it will appear to be stationary and won't experience any more frictional forces. This is because true north (or true south) is the only direction for which the gyroscope can remain on the surface of the earth and not be required to change. This axis orientation is considered to be a point of minimum potential energy. Another, more practical, method is to use weights to force the axis of the compass to remain horizontal (perpendicular to the direction of the center of the Earth), but otherwise allow it to rotate freely within the horizontal plane.
Қателер
Гирокомпастың белгілі бір қателіктері болады. Олардың қатарында кеме бағытын, жылдамдығын және ендігін күрт өзгерту гирокомпастың өзін-өзі реттеуіне дейін ауытқуға себеп болатын бағытталған қателік бар. Көптеген қазіргі заманғы кемелерде GPS немесе басқа навигациялық құралдар гирокомпасқа деректер жібереді, бұл шағын компьютерге түзету енгізуге мүмкіндік береді. Басқаша айтқанда, "бекітілген" архитектураға негіделген конструкция (оған талшықты-оптикалық гироскоптар, сақиналы лазерлік гироскоптар немесе жарты шар резонаторлық гироскоптар және акселерометрлердің үштігі кіреді) бұл қателіктерді жояды, себебі олар айналу жылдамдығын анықтау үшін механикалық бөліктерге тәуелді емес.
A gyrocompass is subject to certain errors. These include steaming error, where rapid changes in course, speed and latitude cause deviation before the gyro can adjust itself. On most modern ships the GPS or other navigational aids feed data to the gyrocompass allowing a small computer to apply a correction. Alternatively a design based on a strapdown architecture (including a triad of fibre optic gyroscopes, ring laser gyroscopes or hemispherical resonator gyroscopes and a triad of accelerometers) will eliminate these errors, as they do not depend upon mechanical parts to determinate rate of rotation.
Математикалық модель
Гирокомпасты симметрия осьтерінің бірінің шамасынан еркін айналатын гироскоп ретінде қарастырамыз, сонымен қатар, бүкіл айналатын гироскоптың жергілікті тік өсіне қатысты көлденең жазықтықта айналуға еркіндігі бар. Сондықтан екі тәуелсіз жергілікті айналым болады. Бұл айналымдарға қоса, Жердің солтүстік-оңтүстік (NS) осі маңындағы айналысын да қарастырамыз және планетаны толық сфера ретінде модельдейміз. Ұқсастық күштерін ескермейміз, сондай-ақ Жердің Күнді айналуын да қарастырмаймыз. Бұл жағдайда Жер ортасында орналасқан, айналмауы мүмкін бақылаушы инерциялық жүйе ретінде жуықтатылуы мүмкін. Мұндай бақылаушы үшін (біз оны 1 О деп атаймыз) картезиялық координаттарды белгілейміз, ал гироскоптың ауырлық ортасы Жер ортасынан бір қашықтықта орналасқан.
We consider a gyrocompass as a gyroscope which is free to rotate about one of its symmetry axes, also the whole rotating gyroscope is free to rotate on the horizontal plane about the local vertical. Therefore there are two independent local rotations. In addition to these rotations we consider the rotation of the Earth about its north south (NS) axis, and we model the planet as a perfect sphere. We neglect friction and also the rotation of the Earth about the Sun. In this case a non rotating observer located at the center of the Earth can be approximated as being an inertial frame. We establish cartesian coordinates for such an observer (whom we name as 1 O), and the barycenter of the gyroscope is located at a distance from the center of the Earth.
Тұрақты аударма
Енді біз гироскоптың барицентрінде орналасқан бастауы бар басқа координаттық негізді таңдаймыз. Бұл, зенит осі бойымен келесі аударма арқылы жүзеге асырылуы мүмкін,
We now choose another coordinate basis whose origin is located at the barycenter of the gyroscope. This can be performed by the following translation along the zenith axis
осылайша жаңа жүйенің бастауы нүктесінде орналасады және жердің радиусы болып табылады. Енді ось оңтүстік бағытына қарай бағытталған.
so that the origin of the new system, is located at the point and is the radius of the Earth. Now the axis points towards the south direction.
Төртінші уақытқа тәуелді айналыс
Енді біз зенит осі бойынша айналып, жаңа координаттар жүйесі гироскоптың құрылымымен байланыстырылады, сонда осы координаттар жүйесіндегі тыныш бақылаушы үшін гирокомпас тек өзінің симметрия осінің бойымен айналады. Осы жағдайда гирокомпастың симметрия осі енді ось бойымен бағытталған.
Now we rotate about the zenith axis so that the new coordinate system is attached to the structure of the gyroscope, so that for an observer at rest in this coordinate system, the gyrocompass is only rotating about its own axis of symmetry. In this case we find
The axis of symmetry of the gyrocompass is now along the axis.