DE317661C - - Google Patents
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/02—Rotary gyroscopes
- G01C19/44—Rotary gyroscopes for indicating the vertical
Landscapes
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
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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
• 3
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)
- 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.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE317661C true DE317661C (de) |
Family
ID=570301
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DENDAT317661D Active DE317661C (de) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE317661C (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE768096C (de) * | 1937-05-05 | 1955-06-23 | Siemens App | Modell zur Erfuellung einer Schwingungsgleichung |
DE102013001922A1 (de) * | 2013-02-05 | 2014-08-07 | Raytheon Anschütz Gmbh | Pendellagervorrichtung zur Lagerung von Kreiselsystemen eines Kreiselkompasses sowie Kreiselkompassvorrichtung mit einer derartigen Pendellagervorrichtung |
-
0
- DE DENDAT317661D patent/DE317661C/de active Active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE768096C (de) * | 1937-05-05 | 1955-06-23 | Siemens App | Modell zur Erfuellung einer Schwingungsgleichung |
DE102013001922A1 (de) * | 2013-02-05 | 2014-08-07 | Raytheon Anschütz Gmbh | Pendellagervorrichtung zur Lagerung von Kreiselsystemen eines Kreiselkompasses sowie Kreiselkompassvorrichtung mit einer derartigen Pendellagervorrichtung |
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