DE317661C - - Google Patents

Description

Es ist für viele Zwecke von Wichtigkeit, die »wahre Vertikale« auf einem bewegten Körper, ζ. B. einem Schiff, bestimmen zu können. Unter »wahre Vertikale« ist die Lotlinie verstanden, die für den Ort der Erde gilt, an dem der Körper sich befindet. Hierfür sind häufig Pendel- oder Libelleneinrichtungen und auch Kreiselapparate in Vorschlag gebracht worden. Es ist selbstverständlich, daß alle Pendeleinrichtungen sich nur in die jeweilige Resultante von. Erd-• schwere und Beschleunigungskräften, die von Bewegungen des Körpers herrühren, einstellen können. Das gleiche gilt auch für alle Libellenapparate oder Flüssigkeitshorizonte. Auch der Kreisel bildet keine Ausnahme von, diesem allgemeinen Gesetz. Es ist aber möglich, mittels einer richtigen Kreiselanordnung ein Pendel mit langer Schwingungszeit

ao herzustellen und dadurch die Beschleunigungsdrücke über einen bestimmten Zeitraum zu integrieren. Das Integral aller Beschleunigungsdrücke über die Zeit kann niemals größer werden als die maximale Geschwindigkeitsänderung des Aufstellungsortes, z. B. kann bei einem Schiff von 20 Knoten die Geschwindigkeitsänderung nie größer als 40 Knoten werden (von Kurs auf Gegenkurs). Demnach muß die mittlere Beschleunigung für eine bestimmte Zeit um so kleiner ausfallen, je länger die Zeit ist, über die man das Integral bildet. Daraus wird verständlich, daß ein Pendel um so genauer in Richtung der »wahren. Vertikalen« verharrt, je länger seine eigene Schwingungszeit ist. Sieht man von der Erddrehung und der T= 2:

Mga'

Kugelgestalt der Erde ab — sieht man also die Erdoberfläche als Ebene an —, so würde . ein Pendel, dessen Schwingungszeit so lang ist, daß es alle Beschleunigungsdrücke von der Abfahrt des Schiffes bis zur Ankunft des Schiffes integriert, stets vertikal bleiben. Ein derartiges Pendel herzustellen, ist freilich praktisch auch mittels Kreiselvorrichtungen ausgeschlossen. '

Die Erde ist in Wirklichkeit aber eine Kugel, und hierauf baut sich der Grundgedanke der nachfolgenden Erfindung auf:

Ein Kreisel mit vertikaler Achse sei kardanisch oder in Flüssigkeit so aufgehängt, daß er mit möglichst geringer Reibung seine Achse in jede Richtung im Räume einstellen kann. Durch eine Schwerpunktstief erläge a unter dem Aufhängepunkt wird erreicht, daß die Kreiselachse bei nicht laufendem Kreisel sich stets vertikal stellt. Durch ein. Drehmoment

D = M g a - sin α

wird demnach die Kreiselachse in der Vertikalen gefesselt, wobei M die Masse des Kreisels, g die Erdbeschleunigung und! α den Ausschlag des Kreisels' gegen die Lotlinie bedeutet. Läuft der Kreisel mit hoher Umfangsgeschwindigkeit, so besitzt er einen Impuls = J und beschreibt einen Präzessionskegel in der Zeit

wenn man die Erddrehung vernachlässigt. Man muß also den Präzessionskegel auf den Fixsternhimmel beziehen.

Befindet sich der Kreisel auf einem bewegten Körper, z. B. einem Schiff, so wird die Gleichgewichtslage des Kreisels in der Ebene senkrecht zum Schiffskurs um einen kleinen Winkel <5 gegen die »wahre Vertikale« geneigt sein, der sich berechnet:

ίο Hierbei¹ bedeutet ν die Geschwindigkeit des Schiffes und R den Erdradius. Diese Schiefstellung der Kreiselachse beruht auf der Kugelgestalt der Erde. Denn die Erdschwere dreht sich im Räume bei jeder Ortsveränderung des Schiffes. Deshalb muß senkrecht zu dieser Drehungsachse auf den Kreisel ein Momentenvektor wirken, durch den der Impulsvektor des Kreisels die entsprechende Drehung erfährt.

Bei einer Geschwindigkeitsänderung des Schiffes erfolgt durch die Beschleunigung ein Drehmoment auf die Kreiselachse, und hierdurch erfährt sie in der Ebene senkrecht zum Beschleunigungsdruck einen Ausschlag

27Γ

Offenbar wird

wenn T

-Vr

Und daraus erhalten wir T = 84,4 Minuten. Dies ist aber die Schwmgungszeit eines Pendels von der Länge des Erdradius.

Wählt man also Größe, Tourenzahl und Schwerpunktstieferlage (oder Schwerpunktshöherlage) bei einem Kreisel mit vertikaler Achse derart, daß er 84 Minuten zum Durchlaufen eines vollen Präzessionskegels benötigt, so wird er auch bei beliebigen Bewegungen desi Aufstellungsortes stets im Gleichgewicht bleiben. Denn die auftretenden Beschleunigungsdrücke bringen den Kreisel sofort in die neue Gleichgewichtslage, die der augenblicklichen Geschwindigkeit des Aufstellungsortes auf der Erdoberfläche entspricht. Die jeweilige Differenz, die der Kreiselhorizont gegenüber dem Erdhorizont besitzt, läßt sich aus der Geschwindigkeit des Aufstellungsortes gegen die Erde leicht berechnen und als Korrektur in eine Messung einfügen. Es ist dies der Winkel δ, für den oben die Berechnungsformel gegeben ist.

Da bei den heutigen Fahrgeschwindigkeiten die Differenz zwischen den Winkeln δ und μ genügend klein bleibt, auch wenn die Schwingungszeit des Kreisels nicht genau 84,4 Minuten beträgt, so ist es möglich, je nach der geforderten Genauigkeit die Schwingungszeit etwas kürzer zu wählen. Bei einer Schwingungszeit von 60 Minuten ist z. B. die größte Differenz, die zwischen δ und μ auftreten kann, neun Bogenminuten für eine Schiffsgeschwindigkeit von 15 m/sek. (ungefähr 30 Knoten). Bei dem derzeitigen Stand· der Technik ist es demnach genügend, wenn der Kreisel in etwa 60 Minuten einen Präzessionskegel beschreibt.

Bei den bisherigen Betrachtungen wurde die Erddrehung noch nicht berücksichtigt. Offenbar ist es aber für die Wirkungsweise des Kreisels vollkommen gleichgültig, ob er infolge der Umfangsgeschwindigkeit der Erde sich von einem Punkt zum andern bewegt oder infolge der Schiffsgeschwindigkeit. Die Korrekturen können demnach ebenfalls nach der oben gegebenen Formel für den Winkel δ berechnet werden. Sie sind um ein Vielfaches größer als die Korrekturen, die durch die Schiffsbewegungen entstehen. Da die Bewegungen der Erde aber bekannt sind, so lassen sich diese Korrekturen leicht in Tabellen zusammenstellen.

Die Dauer des Präzessionskegels des bisher verwendeten Kreisels von Fleuriais beträgt weniger als eine. Minute. In den Annalen der Hydrographie vom Jahre1916, Heft 2, wird noch die Ansicht vertreten, daß derartige Kreisel die »wahre Vertikale« auf See liefern können. Aus obigen Betrachtungen erkennt man, daß dies nur richtig ist, wenn das Schiff nicht fährt. Denn schon bei geringen Kurs- ' und Geschwindigkeitsänderungen treten Beschleunigungsdrücke auf, welche die Angaben des Kreisels fälschen. Auch werden Korrekturen für die Erddrehung bei dem Kreisel von Fleuriais nicht angebracht.

Nach der Erfindung kann also das wichtige Ergebnis erzielt werden, tatsächlich die »wahre Vertikale« auf einem Schiff mit einem Kreisel zu bestimmen. Hierzu muß, wie gezeigt worden, die Dauer eines Präzessionskegels fast ioomal so lang gewählt werden, als bisher angenommen wurde. Während Fleuriais die Rotation der Erde vernachlässigen kann und Schiffsbewegungen große Fehler ergeben, ist bei vorliegend beschriebenem Instrument die Korrektur für die Erdrotation um ein Mehrfaches größer als die Korrektur für die Schiffsbewegungen. Gleichzeitig wird in vorstehenden Darlegungen zum erstenmal gezeigt, wie diese Korrekturen einzuführen sind.

Bei einem kardanisch gehängten Kreiselhorizont ist es nicht notwendig, daß die Schwerpunktstieferlage um die beiden senkrecht zueinander stehenden Kardanachsen gleich groß ist, sondern es kann hier auch z. B. von der Einrichtung nach Patent 281952 Gebrauch gemacht werden. Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist vorhanden, solange

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der ganze Präzessionskegel von der Kreiselachse in 60 bis 80 Minuten durchlaufen wird. In der Zeichnung ist die Konstruktionsausführung eines Kreiselhorizontes als Beispiel dargestellt.

Ein Gefäß g ist mit Flüssigkeit, z. B. Wasser oder öl, gefüllt und hängt in dem kardänischen Ring b. In der Flüssigkeit schwimmt der Kessel c, in dem, ein Kreisel d gelagert ist. Die Achse des Kreisels ist vertikal und in den Lagern e und / gefaßt. Der Antrieb des Kreisels erfolgt am besten elektrisch und ist auf der Zeichnung nicht mitdargestellt. Senkrecht zur Kreiselachse ist auf dem Schwimmkörper c der Spiegel j aufgesetzt. Der Spiegel bleibt demnach horizontal, wenn die Kreiselachse senkrecht steht. Der Schwerpunkt des schwimmenden Systems liegt im Punkte 6", während der Auftriebspunkt der Flüssigkeit im Punkte A sei. Zwischen beiden ist ein Abstand α. Dieser Abstand ist nach der Erfindung so bemessen, daß bei normaler Tourenzahl des Kreisels der Präzessionskegel in annähernd 84 Minuten, je nach der zu erreichenden Genauigkeit, durchlaufen wird. Zur entsprechenden Einstellung der Lage des Schwerpunktes oder des Auftriebspunktes können selbstverständlich in bekannter Weise Regelungsgewichte benutzt werden. Zum Zentrieren des Schwimmkörpers in dem Kessel g dient die Pinne p, die in bekannter Weise gleichzeitig zur Stromführung benutzt werden kann, wenn der Kreisel elektrisch angetrieben wird.

Die Flüssigkeit im Kessel g wird sich bei Beschleunigungsdrücken in die Resultante zwischen Schwere und Beschleunigung einstellen, während der Spiegel J als »wahrer Horizont« verwendet werden kann. Es können also durch Spiegelablesungen Ortsbestimmungen an Bord von Schiffen gemacht werden.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Kreiselapparat zum Festlegen einer von den Beschleunigungen des Aufstellungsortes unabhängigen wahren Vertikalen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Fesselung der Kreiselachse in der Vertikalen durch Erdschwere, beispielsweise durch Tieferlagerung des Schwerpunktes, so gewählt ist, daß der ganze Präzessionskegel von der Kreiselachse angenähert in der Schwingungszeit eines Pendels von der Länge des Erdradius, also ungefähr in 84 Minuten, durchlaufen wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.