14.Гіроскопічне орієнтування

14.1. Гіроскопи. Визначення напрямку істинного меридіана

14.1.1. Загальні поняття про гіроскопи

Симетричні тіла при швидкому обертанні набувають особливих властивостей, які виявляються в наступному:

- вісь обертання тіла прагне зберегти незмінним своє положення в просторі до тих пір, поки на це тіло не діють зовнішні сили;

- при дії на тіло зовнішньої сили, що обертається, його вісь зміщується в напрямі, перпендикулярному до напрямку діючої сили.

Найпростішим пристроєм, що дозволяє наочно бачити прояв вказаних властивостей, є звичайна дзига (рис. 14.1). Приведена в швидке обертання, вона зберігає незмінним напрямок своєї осі. Якщо верхній кінець осі дзиги відхилювати в площині рисунка вліво (на рисунку сила F), дзига почне переміщатися перпендикулярно до площини малюнка у напрямі N. Якщо вісь відхилювати праворуч, напрямок руху дзиги буде протилежним.

Використання цих властивостей вперше було здійснене в середині XIX століття французьким фізиком Леоном Фуко. Закріпивши дзигу в кардановому підвісі, він створив прилад, за допомогою якого спостерігав добове обертання Землі. Прилад був названий гіроскопом, що означає той, що знаходить або спостерігаючий обертання.

Основні елементи гіроскопа Фуко показані на рис. 14.2. Маховик (дзига) 1 з великою швидкістю обертається навкруги осі X в опорах, розташованих у внутрішній рамці 2. Вісь У внутрішньої рамки обертається в опорах, пов'язаних із зовнішньою рамкою 3, яка у свою чергу обертається навкруги осі Z в опорах, встановлених на нерухомій основі. Рамки 2 і 3 утворюють універсальний шарнір, який називається кардановим підвісом.

Обертання навкруги осі X називається власним обертанням гіроскопа. Обертання навкруги кожної з двох інших осей називається прецесією.

Вісь X називається головною віссю гіроскопа, вісь У - віссю чутливості, вісь Z - віссю прецесії гіроскопа. Північним, або позитивним, напрямом головної осі гіроскопа прийнято вважають той напрямок, звідки власне обертання маховика спостерігається проти ходу годинникової стрілки. За позитивні напрямки осей чутливості і прецесії приймаються напрямки, відповідні правій системі прямокутних координат (вісь У - праворуч, вісь Z - вгору). Точка перетину осей (точка О) називається точкою підвісу гіроскопа.

Рис. 14.1. Дзига

Гіроскоп, зображений на рис. 14.2, називається трьохстепеневим, оскільки маховик має власне обертання, а також може одночасно обертатися навкруги осей У і Z, тобто має три степені свободи. Якщо маховик позбавити можливості обертання навкруги осі У (рамку 2 жорстко скріпити з рамкою 3), такий гіроскоп називатиметься двохстепеневим.

Гіроскоп, у якого центр тяжіння співпадає з точкою підвісу, називається урівноваженим.

Гіроскоп, у якого центр тяжіння не співпадає з точкою підвісу, називається важким. При цьому важкий гіроскоп, у якого центр тяжіння знаходиться на осі прецесії (осі Z) і розташовується вище або нижче за точку підвісу (точ:ку О), називається маятниковим (рис. 14.3). В таких гіроскопах непоєднання центру тяжіння з точкою підвісу досягається за рахунок додаткового вантажу Р.

В геодезичних гіроскопічних приладах в основному застосовуються маятникові важкі гіроскопи з торсіонним підвісом, в яких в якості тіла, що швидко обертається, використовується ротор спеціального електричного двигуна, під назвою гіромотор. В цих гіроскопах (рис. 14.4, а) гіромотор 1, жорстко укріплений всередині гірокамери 2, підвішується в приладі на тонкій металевій стрічці 3 (торсіоні), яка забезпечує ротору гіроскопа три степені свободи обертання.

Рис. 14.2. Схема трьохстепеневого гіроскопа в кардановому підвісі:

1 – маховик; 2 – внутрішня рамка; 3 – зовнішня рамка.

Рис. 14.3. Схема маятникового трьохстепеневого гіроскопа в карданному підвісі

Точкою підвісу (точка О) в таких гіроскопах є точка кріплення нижнього кінця торсіона з гірокамерою. Будь-яке переміщення центру тяжіння (точки прикладання сили тяжіння) супроводитиметься поворотом гірокамери навкруги нерухомої точки, співпадаючої з точкою кріплення торсіона в тілі гірокамери (рис. 14.4, б).

а) в спокійному стані б) при переміщенні центру тяжіння

Рис. 14.4. Схема маятникового гіроскопа з торсіонним підвісом;

1 - гіромотор; 2 - гірокамера; З – торсіон

Гіроскопи з торсіонним підвісом більш точні, оскільки у них менше точок, де виникають шкідливі сили тертя.