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Pendelvorrichtung zum Anzeigen der wahren Lotrechten oder Wagerechten
auf schwingenden Körpern, Schiffen, Flugzeugen o. dgl. Die harmonischen Schwingungen
eines Schiffes, eines Flugzeuges oder eines ähnlichen bewegten Körpers erzeugen
bekanntlich Beschleunigungen, und zwar zentripetale und tangentiale. Dazu kommt
die translatorische Fahrtbeschleunigung. Die den Beschleunigungen entsprechenden
Kräfte setzen sich mit den Schwerkräften des (nicht kräftefreien) künstlichen Horizontes,
beispielsweise eines Pendels, zusammen, so daß die als scheinbare Schwerkraft erscheinende
Resultante nicht lotrecht gerichtet ist, also Mißweisungen des Pendels hervorruft.
Die Mißweisungen werden auch nicht durch Dämpfung des Pendels oder der Libelle verhindert;
durch die Dämpfung erfolgt lediglich eine schnellere Einstellung des Pendels oder
der Libelle in eine (falsche) Ruhelage.
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Die Erfindung bezweckt eine Einrichtung zu schaffen, welche die durch
harmonische Schwingungen des Pendelträgers veranlaßte falsche Einstellung eines
Pendels, dessen Drehachse parallel einer Hauptachse des Schiffes oder eines ähnlichen
bewegten Körpers verläuft, selbsttätig berichtigt.
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Eine nähere Untersuchung ergibt, daß außer dem Einfluß der etwaigen
Fahrtbeschleunigung des bewegten Körpers, Schiffes o. dgl. auch die Zentripetalbeschleunigung
bei nicht allzu starkem Schlingern vernachlässigt werden kann und die Tangentialbeschleunigung
des Pendelaufhängepunktes nur mit ihrer wagerechten Komponente berücksichtigt zu
werden braucht.
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Die Zeichnung zeigt in Abb. r und a schematische Darstellungen zur
Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung und in Abb. 3 bis 5 zwei Ausführungsbeispiele
des Gegenstandes der Erfindung, und zwar Abb. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel in
Seitenansicht, Abb. q. ein zweites Ausführungsbeispiel in Seitenansicht und Abb.
5 eine Draufsicht zu Abb. .I.
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In Abb. r sei a die Spur der Schlingerachse auf der durch die Schwingungsebene
des Pendels gelegten Ouerebene. Es ist hierbei angenommen, daß die Schlingerachse
ihre Lage immer beibehält. b sei der Aufhängepunkt des Pendels in der Mittellage
des Schiffes und b, die augenblickliche Lage des Aufhängepunktes. Die Verbindungslinie
des Drehpunktes a mit dem Pendelaufhängepunkt schwingt die zwischen den Winkeln
a und - a. Sie ist für den Punkt b1 um den Winkel a" von der Mittellage entfernt.
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Faßt man das Schiff ebenfalls als ein Pendel auf, so ist in dem gezeichneten
Augenblick die Tangentialbeschleunig<tng p" des Aufhängepunktes b,
worin r der Schwingungsradius des Pendelaufhängepunktes und T die Zeitdauer einer
einfachen Schwingung des Schiffes ist.
Die wagerechte Komponente
dieser Beschleunigung px t,o, ist, wenn der Winkel, den die Linie b-a mit der Lotrechten
bildet, mit j bezeichnet wird:
oder indem man cos a, - i setzt und sin y . sin a.x gegenüber cos y vernachlässigt.
Dieser Wert p" t," wird an der Pendelmasse c ebenfalls wagerecht, aber entgegengesetzt
aufgetragen: mit der Erdbeschleunigung g ergibt sich dann die Richtung der Resultierenden
und damit der Ruhelage des Pendels durch die Gleichung:
Setzt man zur Vereinfachung tg ß, = ,6x sin a, - ctx, was bei den kleinen
Winkeln zulässig ist, so ist:
Diese Formel ist wegen der verschiedenen Vernachlässigungen nicht genau richtig.
Der größte Fehler gegenüber der genauen Ermittlung ergibt sich für die Nullage des
Schiffes, also für a, = o. Für diesen Fall ist nach der vereinfachten Formel (ohne
Rücksicht auf die Größen h und T):
ßx - 0, während sich beispielsweise
für 1a - 8 m (ia ist die Höhe des Punktes b über a),
Y=35°,
T - 6,67 Sekunden (1a = 4,5 Doppelschwingungen in der Minute, a =5a nach
genauer Berechnung, die hier übergangen werden soll, ergibt: ßx = - 3 Minuten.
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Praktisch reicht also die abgeleitete vereinfachte Formel vollständig
aus.
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Der Wert
ist für einen bestimmten Pendelaufhängepunkt auf einem bestimmten Schiffe eine konstante
Größe; die Abweichung ß" des Pendels von der Senkrechten ist also der augenblicklichen
Schräglage des Schiffes proportional.
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Befindet sich das Schiff bei einer Schlingerbewegung in einer äußersten
Schieflage, also gerade vor der Umkehr der Bewegung, so ist die Abweichung des Pendels
am größten; beispielsweise ist für h_-_Sm, T = 6,67 Sekunden
(n - 4,5 Doppelschwingungen in der Minute), ax=a-5°:
ßx = o, 90 ° = 54 Muten.
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Um diesen Betrag zeigt also das nicht berichtigte-Pendel falsch an.
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Aus Abb. a ist zu entnehmen, daß bei einem Ausschlag ax des Schiffes
der Ausschlag des Pendels in bezug auf das Schiff, der bei richtiger Anzeige des
Pendels ebenfalls a" sein müßte, tatsächlich aber um den Betrag ßx zu groß ist,
insgesamt also (ax -f- ßx) beträgt. Um von diesem Winkel (a" -E- ß,) auf den wahren
Ausschlag ax zu kommen, müßte man eine Übersetzung
anwenden. Es zeigt sich nun, daß diese übersetzung sowohl von dem augenblicklichen
Ausschlag a, als auch von dem zugehörigen größten Ausschlag a unabhängig ist und
nur aus konstanten Größen sich zusammensetzt, also selbst konstant ist. Es ist nämlich:
Diese Übersetzung läßt sich in einfacher Weise dadurch verwirklichen, daß' gemäß
Abb. 3 das eigentliche Pendel d mit seinem Einheitshebelarm einen Hebelarm e von
der Länge
bewegt, so daß der Arm e mit dem Zeiger m die Lage der wahren Lotrechten oder Wagerechten
angibt.
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An der mit dem schwingenden Körper, Schiff o. dgl., verbundenen Lagerplatte
f ist iin Punkte i das Pendel d gelagert, das über seinen Drehpunkt
hinaus nach oben um das
Maß »i« verlängert ist und dort, als Gabel
ausgebildet, einen Zapfen umfaßt, der an einem Hebel e von der Länge
sitzt. Dieser Hebel e gibt beim Schwingen des Körpers, Schiffes o. dgl. in seiner
mittleren Lage die wahre Lotrechte, die mit dem Hebel verbundenen Pfeile in geben
die wahre Wagerechte an.
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Hat das Schiff Schlagseite, so ist die beschriebene Einrichtung auch
brauchbar. Es muß dann die Lagerplatte f um den Punkt r mittels des Handrades s
so verstellt werden, daß in der (schiefen) Mittellage des Schiffes die beiden Lager
i. und k sich senkrecht übereinander befinden. Die richtige Einstellung der
Lagerplatte f wird durch das an dem Zeigerarm e angebrachte Kimmfernrohr
l festgestellt oder überprüft.
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Bei der zweiten Ausführungsform, Abb.4 und 5, ist das Kimmfernrohr
l nicht am Zeigerarm e angebracht, sondern es ist auf dein Zapfen k unabhängig vom
Zeigerarm e schwingbar gelagert, wo es durch ein Schnekkengetriebe il und ein Handrad
o auf die Kimm gerichtet werden kann. Die Mittellage des Pendels ist dann richtig
eingestellt, wenn der am Zeiger na angebrachte wagerechte Faden q, Abb. 5, mit dem
wagerechten Faden des auf der Kimm gehaltenen Fernrohres l in Deckung ist. Einfacher
wird im letzteren Fall die Handhabung der überprüfungseinrichtung, wenn man im oder
am Fernrohr keine Marke anbringt,. weil der zweite Punkt zum Feststellen einer Ziellinie
durch den wagerechten Faden q des Zeigers gegeben ist. Auch kann an die Stelle des
Fernrohres ein einfacher Zielpunkt treten.
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An Stelle der Hebelübersetzung zwischen dem Pendel d und dem
Zeigerarm e kann auch eine Zahnradübersetzung oder irgendeine andere zweckmäßige
übertragung angeordnet werden.
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Zu bemerken ist noch, daß das berichtigte Pendel andere Drehachsen
haben kann als parallel zu den Hauptachsen des bewegten Körpers, Schiffes o. dgl.,
dann ist die Berichtigung zwar nicht vollständig, aber das Pendel zeigt auch dann
immer noch genauer als ein nichtberichtigtes.