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Richtungs- und Kurvenanzeiger für bewegte Körper, Luftfahrzeuge u.
dgl. Kreiselvorrichtungen, die den Zweck haben, auf Luft- und '\@'asserfahrzeugen
entgegen allen Bewegungen, die ihre Träger ausführen, andauernd die Lotrichtung
festzuhalten und anzuzeigen, sind bereits in den verschiedensten Ausführungen angegeben
und ' tunt Teil auch ausgeführt worden. -Man kann zwei Arten solcher Richtkörper
oder Kreisellöte unterscheiden: Einmal (las ganz freie Kreiseilot, das die Richtung
der eigentlichen Lotlinie angezeigt und zweitens das halbfreie Kreisellot, welches
mir befähigt ist, sich in bezog auf eine je nach der Stellung seines Trägers mehr
oder weniger wagerechte Aufhängungsachse einzustellen, d. h. das in Wirklichkeit
nicht wie eine künstliche Lot-Linie, sondern nur wie eine künstliche Lotebene wirkt.
Gegenstand der Erfindung ist I ein Lotweiser der letzten Art oder ein halbfreies
Kreisellot. Als ein besonderer Vorzug des im nachfolgenden Leschriebenen Richtkörpers
ist aber noch anzuführen, daß er itn Verein mit einem zweiten gleichartigen Kreiselgerät
auch als ein Anzeiger für die Winkelgeschwindigkeit von Kurvenfahrten ausgebildet
werden kann.
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Um auf einem Luft- oder Wasserfahrzeug zu erreichen, daß ein stabil
aufgehängtes und um eine wagerechte Achse bewegliches Kreisrlsvstem mit irgendeiner
der Aufhängungsachse gleichgerichteten Systemebene andauernd in der Lotrichtung
festgehalten wird, sind zwei verschiedene Bedingungen zu erfüllen. Einmal müssen
diejenigen Impulse unschädlich gemacht werden, die durch die ktrechten Schwingungen
des Fahrzeuges entstehen, und zweitens würde es auch darauf ankommen, die (Lurch
Kurvenfahrten bedingten Impulse der Schleuderkraft durch gleichwertige Kreiselkräfte
aufzuheben. Durch (sie j Erfindung wird erreicht, daß auch bei Anwendung nur eines
einzigen Kreisels beide Bedingungen zugleich erfüllt werden, während es bei den
bisher angegebenen künstlichen Lotebenen nur gelungen ist, entweder der einen oder
der anderen Forderung gerecht zu werden. Dies wird bei einem in bekannter Weise
mit in senkrechter Ebene sich drehenden Kreisel und einer auf den- Kreiselträger
wirkenden Zugvorrichtung versehenen Richtungs- und Kurvenanzeiger gemäß der Erfindung
dadurch erreicht, daß der Träger des Kreisels in einem tun eine wagerechte, mit
der Drehehene des Kreisels gleichgerichtete Achse drehbaren Rahmen, (leg in bekannter
Weise ein einstellbares Gewicht trägt und mit der Anzeigevorrichtung verbunden ist,
um eine senkrechte Achse drehbar ist und unter Einwirkung der Zugvorrichtung, Feder
o. dgl., steht.
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Die Zeichnung zeigt in Abb, r und Abb. 3 zwei verschiede^e Ausführungsformen
des Richtkörpers und in Abb. a eine schematische Skizze, welche den Zweck hat, die
Wirkung des Kreiselgeräts als Kurvenanziger zu erläutern.
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In dem Träger a (Abb. r) ist der den Richtkörper vorstellende Rahmen
b mit der wagerechten Achse c gelagert. Parallel der Rahmenehene ist die Schwingungsebene
des Kreisels d angeordnet, dessen Träger e in dem Rahmen b zwar Bewegungsfreiheit
um eine lotrechte Achse hat, aber durch einen elastischen Zug in der gegebenen Anordnung
festgehalten wird. Starr verbunden mit dem Rahmen b ist der Richtungsweiser f, welcher
die der Achse c entsprechende Lotebene anzeigt, und ebenso auch der Hebel g, an
welchem das Gewicht h. höher und niedriger gestellt werden kann, zu dem Zweck, dein
Richtkörper -immer eine solche Pendellänge, d. h. einen solchen Höhenabstand zwischen
seinem Schwerpunkt und der Achse c zu geben, wie es die nachfolgende Rechnung erfordert.
Der die Kreiselscheibe in der Rahmenebene fesselnde Zug wird bei dem Ausführungsbeispiel
_derAbb:
1, durebx'die-Feder k- ausgeübt: -- Es würde aber auch zulässig sein, den elastischen
Zug durch einen magnetischen Zug oder durch einen Gewichtszug zu ersetzen.
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Die - Wirkungs-,veise dieser Vorrichtung -ist folgende: Wenn O der
Kreiselschwung ist, cl. h. das- Produkt aus dem Gewicht der Schwungmassen, dem-
Quadrat des Trägheitsradius und. der Winkelgeschwindigkeit der Kreiseldrehung, und
M das Moment, -durch `welches der Richtkörper in seiner lotrechten Stellung gefesselt
wird oder das Produkt aus dem Gewicht des um die Achse c beweglichen Systems und
seiner Pendellänge, und wenn außerdem der Pfeilstrich i die Fahrtrichtung anzaigt,-'inwelcher
sich das dieKreiselvorrichtung führende Flugzeug vorwärts-- bewegt, dann müssen
bei einer mit der Geschwindigkeit v und dem Radius -r ausgeführten Kurvenfahrt -
zwei einander entgegengerichtete Impulse auf den Richtkörper einwirken, die bestrebt
sind, ihn aus seiner lotrechten, Stellung herauszudrängen, Es sind hier nämlich
zu unterscheiden erstens - der zentrifugal gerichtete Impuls - der Schleuderkraft,
der
ist, und zweitens der zentripetal gerichtete - Impuls .des Kreiselschwunges, der
ist... Die Folge wird.; deshalb sein"_daß der Zeiger f weder dem einen noch dem
anderen Impulse ungehindert folgen kann, sondern einen bestimmten -'Ablenkungswinkel
T aufsuchen' muß, der -die Gleichung hat: -
Solange nun die Größe'v,-welche die wirkliche Geschwindigkeit -im- Luftmedium ausdrückt,
= der- normalen' Geschwindigkeit v, ist, die man von vornherein bei dem in Frage
kommenden Flugzeug --voraussetzen kann, sind nach der gegebenen Gleichung Ablenkungen
der künstlichen-Lotlinie leicht zu vermeiden. Denn setzt man
indem man das Gewicht da am Hebel g entsprechend höher - oder niedriger stellt,
so-nimmt-die Gleichung die Form an
:Daß aber auch kleine Änderungen der-Fahrtgeschwindigkeit für :die Wirkung des Kfeiselgerätes
als künAtliche:LQtlinie ziemlich bedeutungslos sein würden, ergibt sich aus folgender
Betrachtung: Setzt man co - der Winkelgeschwindigkeit der Kurvenfahrt oder rung,
die sich während der"..Fahrt_ .aus
und c - der Geschwindigkeitsändeirgendeinem Grunde- eingestellt_-.hat"_,Kodex
c ` (v -v'), so muß sein:
Es folgt daraus, daß nennenswerte Ablenkungen des Kreisellots nur dann eintreten
können, wenn bei größeren Änderungen der Fahrtgeschwindigkeit scharfe Kurven beschrieben
werden.
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Man könnte zunächst im Zweifel sein, ob in der Größe c auch diejenigen
Änderungen der Fahrtgeschwindigkeit enthalten sind, die unter- dem Einfluß der Luftströmungen
.entstehen. Eine einfache Betrachtung aber läßt erkennen, daß eine gleichbleibende
Bewegung, die das das Flugzeug umgebende Luftmedium ausführt, keine Wirkung auf
die Stellung des Richtkcrpe-rs haben kann. Denn nach dem Beziehungsgesetz (Relativitätsprinzip)
der klassischen Mechanik müssen die rechnerischen Grundlagen für die Bestimmung
der Bewegungsvorgänge, die sich in irgendeinem System mit Bezug auf sein Medium
abspielen, unherührt durch den Bewegungszustand bleiben, in welchem sich. dieses
Medium selbst befindet. Wendet man. diesen Grundsatz auf ein Luftfahrzeug. -an,
das in einer bestimmten Luftzone-eine genaue Kreisfahrt ausführt, so würde-das.
bedeuten, daß hier der Impuls der Schleuderkraft auch dann gleich bleiben muß, wenn
das Flugzeug -während des . Kreisens durch eine gleichmäßige Luftströmung nach irgendeiner
Himmelsrichtung fortgetragen wird und somit bei. den verschiedenen Phasen der Rundfahrt
seine Geschwindigkeit mit Bezug auf den Erdboden wechselt. Wie hieraus zu- ersehen,
kann die Größe v nur diej enige .Geschwindigkeit ausdrücken, die das Flugzeug mit--
Bezug auf seinem Luftmedium hat. -- -Wenn .man zwei Kreiselvorrichtungen nach Art
der in Abb. z .dargestellten Ausführung gegenürerstellt, so daß man die jeweilige
Abweichung ihrer -Zeiger (Abb. a) voneinander deutlich ablesen kann, und wenn man
außerdem .die Momente M und M, der beiden Richtkörper aus den Gleichungen:
bestimmt; dann. lauten die Gleichungen für die -Ablenkungswihkel (cp - u) und cp
:'
| @ |
| tg (9 -a) (V -vi) |
| tg @P = w (v - vi -I- k) , |
woraus sich weiter ergibt:
und, da es unter den gegebenen Bedingungen zulässig ist, tg 9 - tg (,p - x) - tg
a = x zu setzen:
Wie hieraus zu ersehen, würde somit das angegebene Doppelgerät nicht nur die Eigenschaft
haben, nach Art der bisher verwendeten Steuerweiser jede Abweichung vom Kurse sofort
anzuzeigen, sondern er würde auch die Winkelgeschwindigkeit erkennen lassen, mit
welcher eine solche Kursänderung vonstatten geht, und würde damit zugleich den Flugzeugführer
in die Lage setzen, seinem Fahrzeug immer diejenige Schrägstellung zu geben, die
es bei Kurvenfahrten haben muß.
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Es bleibt noch übrig zu zeigen, warum der Kreisel d in dem
Rahmen b eine gewisse Bewegungsfreiheit um eine lotrechte Achse c haben muß.
Wenn nämlich der Kreiselträger e starr mit dem Richtkörper verbunden wäre, so müßte
sich dieser wie ein freies Pendel verhalten, welches gegenüber anderen Pendeln nur
den einen Vorteil bietet, daß es bei Kurvenfahrten mit seiner Gleichgewichtslage
nicht der Resultante der Schwerkraft und Schleuderkraft folgt, sondern als .Schwingungsmitte
annähernd die ' Lotebene zur Achse c beibehält. Schwingungen um seine Gleichgewichtslage
wären aber nicht nur nicht ausgeschlossen, sondern in Rücksicht auf die verschiedenartigen
Impulse, mit denen auf Luft- und Wasserfahrzeugen zu rechnen ist, sogar mit .Sicherheit
zu erwarten. Außerdem wären dann auch alle Möglichkeiten für das Entstehen sehr
störender Resonanzen gegeben. Es folgt daraus, daß bei einer starren Verbindung
des Kreiselträgers e mit dem Rahmen b ein Festhalten der Lotebene in Wirklichkeit
nicht zu erreichen ist. Anders dagegen liegen die Verhältnisse bei der Anordnung,
wie sie in Abb. i dargestellt ist. Denn hier kann der Richtkörper durch die in der
Richtung der Drehachse wirkenden Impulse nicht wie in dem soeben angenommenen Falle
in Schwingungen um die Achse c versetzt werden, sondern er würde in der Weise wirken,
daß er den Kreisel d ganz kleine wagerechte Drehungen ausführen läßt, durch welche
er den Impulsen, die ihn aus der Lot ebene zu drängen suchen, durch seine Kreiselkraft
entgegenwirkt. Die Bedeutung der getroffenen Anordnung würde somit darin liegen,
daß von den eingangs genannten zwei Forderungen, die an eine zuverlässig wirkende
künstliche Lotebene gestellt werden müssen, zwar die zweite Forderung schon durch
die Abmessungen des Kreisels an sich erreicht ist, dagegen die erste Forderung erst
durch die wagerechte Beweglichkeit des Kreiselträgers e im Rahmen b erfüllt werden
känn.
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Eine zweite Ausführungsform des als eine künstliche L otebene wirkenden
Richtkörpers ist in Abb.3 dargestellt. Sie unterscheidet sich insofern von der bereits
beschriebenen Kreiselvorrichtung, als hier dem zugleich als Stabilisator wirkenden
Kreisel dl ein zweiter parallel gerichteter Schwungkörper m gegenübergestellt ist,
dessen Kreiselträgern mit dem um die Achse cl beweglichen System starr verbunden
ist. Der Vorteil einer solchen Vorrichtung würde unter anderen darin liegen, daß
man hier für das Bremsen der Systemschwingungen einen verhältnismäßig kleinen Kreisel
verwenden und damit den Reibungswiderstand, der die wagerechten Präzessionen behindert,
erheblich verringern könnte.