Gyroskop

Replique vum Foucault sengem Gyroskop

E Gyroskop, och Kreeselstabilisater oder Kreeselinstrument genannt, ass e symmetresche Kreesel, dee séier an engem beweegleche Lager rotéiert. D'Lager kann eng kardanesch Ophänkung sinn oder eng Rumm a Form vun engem Käfeg. Wéinst dem Erhale vum Dréiimpuls huet de Kreesel eng héich Inertie géigeniwwer vu Lagännerungen am Raum. Gyroskope ginn als Navigatiounsinstrumenter souwéi fir aktiv Lagereegelung agesat, besonnesch an der Loft- a Raumfaart. Bei der Lagereegelung vu Raumfluchkierper wéi Satellitte gëtt ausgenotzt, datt de ganze System vu Raumfluchkierper a Gyroskop säin Dréiimpuls bäibehält a sou duerch d'Iwwerdro vum Dréiimpuls tëscht béiden d'Lag gesteiert ka ginn.

Aktuell gëtt de Begrëff Gyro oder Kreesel am iwwerdroene Sënn fir vill Dréiquotesensore benotzt, déi keng Kreesel hunn, awer de selwechten Zweck erfëlle wéi en tatsächlecht Kreeselinstrument.

Geschicht

De Gyroskop – haut ginn d'Begrëffer Gyroskop a Kreeselkompass synonym gebraucht – gouf am Joer 1810 vum Professer fir Physik, Mathematik an Astronomie Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger un der Universitéit Tübingen erfonnt; een Exemplar gouf fir d'éischt 2004 vum Alfons Renz, Privatdozent un der Biologescher Fakultéit Eberhard Karl Universitéit Tübingen, am Kepler-Gymnasium Tübingen nees entdeckt. 1852 hat de Léon Foucault de Gyroskop bis zu der Konstruktioun a Fabrikatioun vum Kreeselkompass weiderentwéckelt, woubäi den éischte Gyroskop vun 1810 als Iddi net ënnerscheetbar ass a wiesentlech Grondlage fir d'Erfindung vum Kreeselkompass am Joer 1852 war.

Physikalesch Prinzipien

Kreeselsystemer loosse sech als zouene System ugesinn, deem säin Dréiimpuls konstant bleift. Wann eng baussenzeg Kraaft versicht fir d'Dréiachs vum Kreesel ze kippen, dann entsteet en Dréimoment. Fir de ganzen Impuls ze halen, kippt sech d'Kreeselachs vertikal zu der Kraaft déi ugräift. Den Effet ass ënner anerem vum Dillendapp bekannt.

Moossprinzipien

Gyroskop a Beweegung (rout: Kreeselachs, gréng: Achs baussenzeg Kraaft, blo: Achs Resultat)

Dofir sinn um Gyroskop follgend Moossprinzipie méiglech:

1. D'Stabilitéit vun der Gyroskopachs: E fräi lafenden, symmetresche gyroskop huet d'Bestriewen, d'Richtung vun senger Dréiachs am Inertialraum bäizehalen. – E Bezuch vun der Lag ass ginn
2. D'Prezessioun: Versicht eng baussenzeg Kraaft, d'Achserichtung vun engem lafenden Gyroskop z'änneren, sou follegt d'Kreeselachs net der Ugrëffsrichtung dëser Kraaft, mä wäicht rechtwénkleg zu hir am Sënne vun der Kreeseldréiung aus. – Baussenzeg Kraaft a Prezessioun stinn an direktem Zesummenhank, eng Lagännerung gëtt moossbar

Déi zwou Gesetzméissegkeeten sinn d'Grondlage vun alle Kreeselinstrumenter: Den 1. Saz ass eng Folleg vun der Masselässegkeet, den 2. Saz ass eng Folleg vum Drallsaz (Saz vum Dréiimpuls).

An engem ofgeschlossene System bleift nieft dem ganzen impuls och den Dréiimpuls erhalen. Stabilitéit a Prezessioun huele mat dem Dréiimpuls vum Gyroskop zou.

D'Wirkung gëtt och als richtungshalender Kreesel bezeechent; wichteg technesch Uwendunge sinn de kënschtlechen Horizont an de Kurskreesel vun der Loftfaart. An der Praxis bewierkt all klengst Onwucht e luest Auswandere vun der Kreeselachs (Kreeseldrift), wat duerch bestëmmt Moossname méi oder manner reduzéiert ka ginn.

D'Prezessioun gëtt an nach méi engem breeden Ausmooss ugewannt: ë. a. als Stellgréisst bei Aufgabe vun der mechanescher Stabiliséierung, beim Kreeselkompass bei der Nautik resp. beim Vermiessungskreesel oder beim Wendezeiger an engem Fliger.

Technesch Uwendungen

Wäit verbreet sinn d'Kreeselinstrumenter an der Verkéierstechnik, besonnesch fir d'Orientéierung a fir d'Navigatioun.

E Gyroskop aus engem Fliger

• An Autoe kënne mam Gyrometer Richtungsännerunge méi genee gemooss ginn, wéi iwwer d'Radstellung. Zesumme mat der Miessung vun der zeréckgeluechter Streck ass eng genee Positiounsbestëmmung méiglech (Koppelnavigatioun), déi schonn haut a munneche GPS-Navigatiounsanlagen, d'Ukënnegung fortféiert, wann d'Satellittesignaler (z. B. am Tunnel) ausfalen. An deen ass meeschtens e Vibratiounskreesel.
• A ville Smartphonen, awer och Tablette si Gyroskopsensoren. Si déngen och do fir weider Navigatioun wann de GPS-System ausgefall ass. Awer och fir Spillappen (z. B. fir d'Beweegung vu Figuren) gi se benotzt.

Bei jiddwer Kreeselsystem géif awer iwwer méi laang Zäitspan all kleng Onwucht zu enger uwuessender Kreeseldrift féieren, déi besonnesch am Fluchwiese stéiere géif. Dofir goufe magnéitgestëtzt Gyrosyn-Instrumenter entwéckelt, déi d'Richtungsmiessung och iwwer méi laang Zäit stabiliséieren.

• An all Fliger-Cockpit sinn an der Reegel en ettlech Kreeselinstrumenter:
  • De kënschtlechen Horizont weist dem Pilot eng Linn, déi virum Start horizontal ausgeriicht gëtt. Wärend dem Fluch hält den Horizontkreesel wéinst senger Achsestabilitéit dës Linn an der Horizontaler, och wa sech de Fliger no vir, hannen oder op d'Säit leet. Domat kann een am Cockpit déi raimlech Lag vum Fliger bestëmmen, och wann et däischter ass, Wolleken oder fluchbunnbedéngte Fléikraaften eng onmëttelbar visuell Orientéierung erschwéiert (kuckt Instrumentefluch)
  • De Kéieruweiser erméiglecht ee genee kontrolléierten Krëmmungsfluch.
  • Der Kurskreesel erméiglecht d'Anhalung vun der Fluchrichtung.
• Weider Kreeselsystemer befanne sech am Fligerrumpf a sinn do meeschtens zu engem INS (Lässegkeetsnavigatioun) zesummegefaasst. Si dengen der Steierung vum Autopilot an der Annonce vu Lag- a Richtungsofwäichungen op de Computermonitoren am Cockpit.
• Kreeselinstrumenter op Schluechtschëffer oder Panzeren erméiglechen déi prezis Ausriichtung vun de Geschëtzer op déi ugepeilt Ziler trotz Wellegank oder koppegem Terrain.

Lagereegelung ass och an anere Beräicher vu Bedeitung (woubäi Gyroskop hei och fir Dréiquotensensore stoe kann, déi net tatsächlech op Kreeselen baséieren):

• Bei Modellfliger an Modellhelikopter ginn Gyroskopen agesat, fir eng oder méi Achse géint de Wand oder géint Nieweneffete vun der Steierung ze stabiliséieren, well dës am anere Fall nëmme schwéier steierbar sinn. Dobäi koumen ufanks mechanesch Kreesel zur Uwendung, mëttlerweil ginn Piezo- oder SMM-Sensoren (Silicon Micro Machine) agesat; a béide Fäll ginn d'Steierkorrekturen iwwer integréiert Mikrocontroller direkt am Fluchmodell berechent.
• Bei Fligerdréier gëtt fir Stabilisatioun vum Ufluchleetstral och eng gyroskopesch gelagert Konstruktioun benotzt, fir d'Wellebeweegunge vum Schëff net op de Stral z'iwwerdroen.
• Torpedoe oder onbemannt Fluchinstrumenter wéi z. B. ballistesch Rakéiten brauche kee kënschtlechen Horizont. Amplaz gëtt e Kreeselinstrument direkt un d'Steierung ugeschloss, wat fir d'éischt bei der A4 (V2-Rakéit) am Zweete Weltkrich geschitt war. D'Kreeselsteierung déngt dozou, onerwënscht Aflëss wéi d'Ofdrift duerch Wand oder Onreegelméissegkeeten am Untdriff ze kompenséieren, fir déi programméiert Fluchbunn anzehalen. Si ass haut meeschten en Deel vun engem inertialen Navigatiounssystem (INS).
• An der Raumfaart dénge Kreesel fir d'Lagreegelung: Heibäi stabiliséiere sech am bal kraaftfräie Raum d'Lässegkeetsrad an d'Reaktiounsrad selwer. Moosstechnesch Aspekter spillen dobäi nëmmen eng sekundär Roll. Dat bis elo prezisest an technesch usprochsvollst Kreeselinstrument gouf fir den am Abrëll 2004 gestarte Gravity-Probe-Satellit konstruéiert, deem seng éischt Resultater am Abrëll 2007 bekannt goufen.
• Och zum Asaz komme Gyroskopen a kreeselstabiliséierte Spektiven, bei deenen d'Kreeselinstrument eng Observatioun och vu Schnellbooter oder aus Helikopteren resp. Kraaftgefierer erméiglecht gëtt.
• D'BMW S 1000 RR notzt och zwee Gyroskope fir den Asaz vun der Dynamic Traction Control (kuerz DTC).
• 2009 koume Gyroskope an der Nintendo-Erweiderung Wii Motion Plus fir d'éischt an der Ënnerhalungsindustrie an den Asaz.
• Och d'„Playstation 3 Move Controller“ benotzt e gyroskopesche Sensor.
• Schonn an den 1970er Joren hat de Kameramann Jost Vacano déi sougenannt ‚Joosticam‘ entwéckelt, eng Aart Steadicam, mat där hien och de Film Das Boot verfilmt hat. Dës Technik fënnt zanter neiestem Gebrauch an der On-board-Kamera an der FIM-Motorradweltmeeschterschaft a gouf fir d'éischt um Sachsenring um Motorrad vum Valentino Rossi agesat.

Literatur

• Nina Fjodorowna Babajewa: Kreiselgeräte (Originaltitel: Giroskopy, iwwersat vum Volker Christoph). Militärverlag Deutsche Demokratische Republik, Berlin 1975.
• Wolf von Fabeck: Kreiselgeräte, Die verschiedenen Gerätetypen und ihre technische Anwendungen, prinzipbedingte Fehler und gerätetechnische Lösungen, physikalische Grundlagen. Vogel, Würzburg 1980, ISBN 3-8023-0612-0 (Kap. 1, 3 und 8).
• Alfons Renz: Bohnenbergers Gyroskop. Eine typisch Tübinger Erfindung. In: Tübinger Blätter 93 (2007), S. 27–34.
• Harro Simon: Instrumentenflugkunde und Navigation, Teil I, Bücher der Luftfahrtpraxis, Band 8. Reich, München 1961.
• Jörg F. Wagner, Helmut Sorg, Alfons Renz: The machine of Bohnenberger. In: GeoBit, 10, 2005, 4 GIS, S. 19–24.
• Jörg F. Wagner, Helmut Sorg, Alfons Renz: The machine of Bohnenberger. In: European journal of navigation. The leading journal for systems, services and applications, Bd. 3, 2005, 4, S. 69–77.

Kuckt och

• Gyroskopeschen Effet
• fir sog. optesch Gyroskope: Laserkreesel
• An der Loftfaart: Kurskreesel, Wendeweiser, kënschtlechen Horizont

Um Spaweck

• Kreeselgesetzer. (PDF, 287 kB) Physikalisches Grundpraktikum, Univ.Jena
• Kreiselgesetze am stehenden und hängenden Kreisel (mat Biller)
• Bericht der Stanford University iwwer d'Instrument fir Gravity Probe
• Video über gyroskopisch stabilisierte CD-Player in der Schwerelosigkeit
• (en) Ausféierlech Säit iwwer Gyroskope