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Kreiselvorrichtung zur Verlängerung der Schwingungszeit eines Körpers
(Lotes oder Horizontes). Die Erfindung bezieht sich auf eine Kreiselvorrichtung
zur Verlängerung der Schwingungszeit von Körpern (Pendeln), deren Aufhängepunkt
oberhalb des Schwerpunktes liegt, die also durch die Schwere in eine bestimmte Lage
gedreht werden. Es sind dies insbesondere Lote und künstliche Horizonte. Der Zweck
derartiger Pendel besteht darin, trotz Schwereschwankungen am Aufstellungsorte,
z. B. auf einem schlingernden Schiff oder einem kreisenden Flugzeug, möglichst ruhig
zu hängen und die Vertikale, wie sie auf der Erde herrscht, anzuzeigen. Es sind
bereits Vorrichtungen dieser Art mit mehreren, auch gegenläufigen Kreiseln bekannt,
welche jedoch den Nachteil aufweisen, daß sie eine Fehlweisung besitzen, die durch
eine Drehung der Schwererichtung im Raum verursacht wird. Solche Drehungen kommen
in erster Linie durch die Erddrehung und in geringem Maße durch die Geschwindigkeit
des Fahrzeuges, auf dem das Pendel aufgestellt ist.
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Zur Vermeidung dieses Nachteiles besteht die Erfindung gegenüber den
bekannten Mehrkreiselvorrichtungen, bei welchen die Kreisel miteinander gekoppelt
sind, darin, daß die Kreisel mit dem Körper durch Zwischenglieder so verbunden sind,
daß die Kreisel in der zu stabilisierenden Vertikalebene den Drehungen des Körpers
folgen müssen, dagegen in der dazu senkrechten, durch die Kreiselachse gelegten
Ebene frei ihre Präzessionsbewegungen ausführen können und in dieser Ebene durch
Kraftmomente in ihre normale Lage gedreht «-erden, die so gewählt ist, daß die Summe
der Impulse sämtlicher Kreisel zu Null wird.
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Verlaufen die Präzessionsbewegungen der Kreisel entgegengesetzt, so
wird die Ausbil, dung zweckmäßig so getroffen, daß durch die Zwischenglieder Reibungsmomente
erzeugt werden, welche die Schwingungen der Kreisel und damit auch die des Körpers
dämpfen. Der wesentliche Vorteil dieser Dämpfung besteht darin, daß das Pendel nach
einem Anstoß schnell zur Ruhe kommt, ohne daß die Genauigkeit seiner Einstellung
leidet, wie dies bei Reibung in den Aufhängungsgelenken des Pendels der Fall wäre.
Sollte die Reibung in den Kreiselgelenken nicht genügen, so kann sie durch eingebaute
Bremsen, z. B. durch einen Kolben, der sich in einem mit Flüssigkeit gefüllten Zylinder
verschiebt, in bekannter Weise erhöht werden.
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Der Erfindungsgegenstand ist auf den Zeichnungen in den Abb. z und
?, 3 und a und 5 und 6, je in wagerechtem und senkrechtem Schnitt in drei Ausführungsbeispielen
schematisch veranschaulicht.
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Die Ausführungsform nach Abb. r und betrifft ein Pendel, das in der
Ebene senkrecht zur Achse A-A' die Vertikale anzeigen soll. Zu diesem Zweck ist
in dem Gehäuse a der Rahmen b um die Achse A-A' pendelnd aufgehängt. An dem
auf der Achse befestigten Zeiger z läßt sich die Stellung des Pendels ablesen, es
kann aber auch ein Fernrohr, ein Spiegel oder eine andere Vorrichtung zur Ablesung
an dem Rahmen b befestigt sein. In dem Rahmen b sind zwei gleiche Kreisel k1 und
k. mit vertikaler Achse eingebaut, welche sich gleich schnell in entgegengesetztem
Sinne drehen. jeder Kreisel ist in dem Ring dl, d_, gelagert, der wieder um die
Achse Bl-Bi ,
B.-B.,' drehbar ist. Die Anordnung ist derart, daß die Impulse
(Trägheitsmoment mal Winkelgeschwindigkeit) der beiden gegenläufigen Kreisel sich
aufheben, und die Kreisel in der zu stabilisierenden Ebene die Bewegungen des Pendels
b mitmachen müssen, dagegen in der dazu senkrechten Vertikalebene ihre Präzessionsbewegungen
ungehindert voneinander ausführen können. Damit die Kreisel nach einer Störung stets
wieder in ihre richtige Lage mit vertikaler Rotationsachse zurückkehren,
wird
am einfachsten der Schwerpunkt der Rahmen d ein bestimmtes Maß unterhalb der AufhängungsachsenB
gelegt, wie dies in Abb. z dargestellt ist. Doch können auch andere Kräfte, z. B.
Federn, hierzu verwandt werden, welche die Rahmend in die vertikale Lage zurückführen.
Dadurch verhält sich das Pendel als Ganzes so, als wenn kein Kreisel vorhanden und
nur die Maße des Pendels vergrößert wäre. Wirkt ein Anstoß zur Bewegung um die Zapfen
B" B, auf die Kreisel, so schwingen sie, als ob sie nicht liefen, um diese Achsen,
da sie ihre gegenläufigen Präzessionsbewegungen nicht ausführen können. Ihre Stellung
mit Bezug auf die Achse A-A' wird nicht gestört. Kommt dagegen ein Anstoß zur Bewegung
um die Achse A-A', so kann jeder Kreisel für sich um die ZapfenBl und B., seine
Präzessionsbewegungen machen. Das Pendel b mit dem Zeiger z gibt dem Anstoß nicht
nach, sondern wird durch die Kreisel stabilisiert und seine Schwingungszeit entsprechend
verlängert.
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Stehen die Achsen A-A' in Richtung des Meridians, so erfolgt durch
die Erddrehung eine Rotation um die Achsen A-A'. Die Kreisel drehen sich um die
Achsen B,-B., um Cr e iche entgegengesetzte Winkel, bis die PräzessionsgeschNvindigkeit
um die Zapfen A, A'
der Erddrehung entspricht. Ein Fehler entsteht dadurch
nicht, da für die Drehung um die Zapfen Bi, B. keine Anzeige erfolgt. Steht dagegen
die Achse A-A' in der Ost-Westricbtung, so erfolgt die Erddrehung um die Achse Bi-B-
Dann können die Kreisel ihre entgegengesetzten Präzessionsbewegungen um die Achse
A-A' nicht ausführen, und die Weisung des Zeigers z wird nicht gestört. So sind
in jedem Falle Störungen durch die Erddrehung bei der Kreiselanordnung nach Abb.
i und 2 vermieden.
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Auf der Zeichnung sind die Kreisel und die Lager von Kreiseln und
Pendelaufhängung nur schematisch dargestellt. Der Kreisel muß natürlich einen Antrieb
erhalten, der am besten elektrisch gewählt wird. Alle Lagerungen sind möglichst
reibungsfrei, etwa durch Kugellager, auszuführen. Der elektrische Strom kann in
bekannter Weise, z. B. durch Flüssigkeitskontakte, zugeführt werden.
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Die Vorteile der neuen Anordnung sind also folgende: Die Weisung des
Zeigers z ist unabhängig von der Drehung der Erde und von der Geschwindigkeit des
Fahrzeuges.
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Ferner verursacht ein Anstoß um den Zapfen B bei nur einem Kreisel
einen Ausschlag des Zeigers z, während bei vorliegender Anordnung die Weisung ungestört
bleibt. Schließlich wird durch die Reibungen um die Zapfen B eine Dämpfung des Pendels
um die Zapfen ,4 .erreicht, ohne daß dadurch die Genauigkeit der Einstellung des
Zeigers z leidet.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 3 und .4 soll ein Spiegels in jeder
Richtung horizontal gehalten werden. Zu diesem Zweck ist der Spiegel auf einem System
b aufgesetzt, das mittels des Kardanringes c und der Kardanzapfen A, A' und
B, B' in dem Gefäß a aufgehängt ist. Der Schwerpunkt des Systems b liegt
unter dem kardanischen Aufhängepunkt und ist so justiert, daß der Spiegel bei nicht
laufenden Kreiseln horizontal steht. In das System b sind vier Kreisel k,-k, mit
vertikaler Achse zur Stabilisierung eingebaut. Jeder Kreisel ,ist in einem Ring
dl-d4 gelagert, der um Zapfen E, E' drehbar aufgehängt ist. Die Kreisel laufen paarweise
entgegengesetzt, und zwar stabilisieren die Kreisel k1, k.,
das System um die Achse A-A' und die Kreisel k3, k1 um die Achse B-B'. Je zwei zusammengehörige
Kreisel wirken ebenso wie bei der Ausführung nach Abb. i und z, und da ihr Impuls
sich aufhebt, und die Kreiselanordnung paarweise die gleiche ist, so ergeben sich
die gleichen Vorteile, wie dort besprochen.
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Damit die Kreiselachsen um die Zapfen E, E vertikal
bleiben, wird am einfachsten der Schwerpunkt jedes Rahmens d unter seinen Aufhängepunkt
gelegt, wie dies in Abb. 4. dargestellt ist. Es können aber auch andere Kräfte hierzu
verwandt, z. B. können Federn zwischen dem System b und dem Rahmend angebracht werden,
welche diese in die vertikale Stellung führen. Bei Präzessionsbewegungen um die
Achsen E-E' sind störende Einwirkungen auf das System b nicht zu fürchten, da zwei
Kreisel stets entgegengesetzte Präzessionsbewegungen machen und deshalb die Federspannungen
sich gegenseitig aufheben. Dasselbe gilt auch von den Reibungsmomenten in die Zapfen
E, E', die zum Zwecke der Dämpfung der Schwingungen ausgeübt werden. Auch sie sind
paarweise gleich und entgegengesetzt und heben sich deshalb auf.
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Die Ausführungsform nach Abb.5 und 6 löst dieselbe Aufgabe, einen
Spiegels horizontal zu halten, in anderer Weise. Der Körper b, an dem der Spiegel
s befestigt ist, ist in bekannter Weise schwimmend in dem Gefäß a aufgehängt und
wird durch die Pinne b' zentriert. Damit der Spiegel horizontal bleibt, ist der
Schwerpunkt des Systems unterhalb des Auftriebpunktes der Flüssigkeit gelegt. Durch
diese Flüssigkeitsaufhängung, die auch bei den Ausführungsformen nach Abb. i und
2 und 3 und q. angewandt werden kann, wird eine möglichst genaue und reibungsfreie
Einstellung des Spiegels
erreicht. Die Stabilisierung des Systems
b erfolgt durch drei gleiche Kreisel k:L-k. mit horizontalen Achsen, welche zueinander
im '@Vinkel von i2o° verlaufen. Die Kreisel rotieren, von der Mitte des Systems
gesehen, im selben Sinne. Ihre Bleichgroßen Impulsvektoren bilden demnach ein gleichseitiges
Dreieck. Die graphische Summe der Impulse wird zu Null, und demnach kann die Erddrehung
und die Fahrzeuggeschwindigkeit keine Fehlstellung des Systems hervorrufen.
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Jeder Kreisel ist in einem Ring dl-d3 gelagert, der um vertikale Zapfen
E, E' drehbar ist. Gehalten werden die Kreisel in ihren normalen Stellungen durch
Federn/, welche -zwischen. dem System b (vermittels Bänder g) und den Kreiselrahmend
gespannt sind. Auf diese Weise können die Kreisel ihre Präzessionsbewegungen, die
in der Horizontalebene verlangt wird, ausführen und wirken damit stabilisierend
auf das System b. Kommt z. B. ein störender Anstoß auf das System um die Achse A-A',
so bleibt der Kreisel k, ungestört, während die Kreiselk, und k3 entgegengesetzte
Präzessionsbewegungen in der Horizontalebene machen. Dabei spannen sie die Federn
f in gleicher Weise aber entgegengesetzter Richtung, so daß das System b nicht gestört
wird.
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Statt die Federn zwischen die Kreiselrahmen und das System b zu legen,
würde es auch genügen, die Kreiselrahmend untereinander durch Federn zu verbinden.
Es kommt nur darauf an, daß die Kreiselachsen elastisch in ihre normalen Lagen,
die einen Winkel von 120° gegenseitig einschließen, zurückgeführt werden.
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Die Schwingungen des Systems b, die stets mit Präzessionsbewegungen
der Kreisel um die Achsen E-E' verbunden sein müssen, werden gedämpft durch Reibung,
die bei Drehungen um die Achsen E-E' entsteht. Dabei kann keine Fehlweisung des
Spiegels s entstehen, da die Reibungen um die vertikale Achse wirken und zudem entgegengesetzt
gleich sind.
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Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber der von Abb. 3 und ¢ besteht
darin, daß man hier mit drei Kreisseln auskommt - mehr Kreisel können immer verwandt
werden -, während man bei Abb.3 und q. vier Kreisel benötigt. Im übrigen hat die
Ausführung nach Abb. 5 und 6 auch alle Vorzüge, die bei der Besprechung der Abb.
i und 2 dargelegt wurden.
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Bei der Ausführung nach Abb. i und 2 kann das Pendel nur zu Messungen
in einer
| Riclituxig, zxämEcI. sanl;raolzt z dar Aha |
A-A' verwandt werden. Es wird deshalb manchmal günstig sein, während der Messung
die Kursänderung des Fahrzeuges auszuschalten. Man kann zu diesem Zweck den Apparat
mit einem Kompaß oder einer Kompaßübertragung verbinden, die ihn stets in einer
festen Richtung hält. Auch bei Apparaten nach Abb.3 und ¢ wird dies bei, ge, hauen
Messungen manchmal günstig sein.