Bússola giratória

O giroscópio , ou giroscópio bússola , é um instrumento de navegação indicando verdadeiro norte independentemente do campo magnético da Terra . Consiste em um giroscópio cujo eixo de rotação é mantido horizontal. A precessão induzida pela rotação da Terra, então, alinha o eixo de rotação do giroscópio com o eixo dos pólos . Demora de duas a quatro horas para o alinhamento (tempo de acomodação).

Sua implantação como datas de instrumentos de navegação do início do XX ° século , com a substituição de navios de madeira com vasos de metal feita problemática do uso da bússola . Eles exibem um desvio sistemático dependendo da direção e velocidade do movimento. Por causa disso, os giroscópios são usados principalmente em embarcações de baixa velocidade.

Histórico

Ernest Lamarle (1806-1875), professor da Universidade de Ghent , afirmou o princípio do giroscópio pouco antes de Foucault . Foi Léon Foucault quem primeiro usou um giroscópio em 1852 para demonstrar a rotação da Terra , o giroscópio mantendo uma orientação fixa em relação ao quadro de referência estelar. É a partir dessa experiência que o giroscópio leva seu nome: o instrumento permite ver (-scope) a rotação (giroscópio-) da Terra.

“A experiência [de Foucault] tem uma forma talvez mais decisiva. Em vez de deixar o eixo do toro esta liberdade completa de orientação, fixemos os anéis A e B um ao outro, de modo que ele não possa mais se mover exceto em um plano horizontal: a tendência dos eixos de rotação em paralelismo produzirá seu efeito. O eixo do toro irá em direção ao plano do meridiano, irá oscilar dos dois lados por um certo tempo, e acabará parando ali, sendo o ponto voltado para o norte aquele a partir do qual seria vista a rotação do toro 'atuando a partir de direita para esquerda. Pelo contrário, deixemos as facas livres, e mantenhamos o anel B perpendicular ao plano do meridiano: o eixo do toro só pode oscilar neste plano, após algumas oscilações, se fixará na direção paralela ao eixo do meridiano, mundo, e o equilíbrio ocorrerá, desta vez novamente, somente quando as rotações da Terra e do toro forem feitas na mesma direção. Assim, este admirável instrumento, ao fornecer sinais sensíveis da rotação terrestre, pode até servir, na ausência da vista do céu, para determinar a direção do meridiano e a latitude do local onde se realiza a operação. "

Esse experimento, extremamente delicado porque o giroscópio deve ser cuidadosamente balanceado, dá origem a muitas pesquisas. Várias tentativas foram feitas para usar um giroscópio no lugar de uma bússola magnética, antes de chegar à forma moderna de giroscópio. Em 1880, William Thomson (Lord Kelvin) tentou oferecer um "girostato" à Marinha Britânica. Em 1889, Arthur Krebs adaptou um motor elétrico a um giroscópio marinho Dumoulin-Froment, destinado à marinha francesa. Isso permitiu que o submarino Gymnote navegasse em linha reta por várias horas debaixo d'água, o que lhe permitiu forçar um bloqueio naval em 1890.

Na sequência deste trabalho, Louis-Philippe Gilbert inventou o barogroscópio em 1882, um instrumento de demonstração da rotação da Terra, mais simples e controlável que o pêndulo e o giroscópio de Foucault. Nesta montagem, o eixo do giroscópio tende a ser trazido de volta à vertical por um contrapeso, que permite oscilações quando o giroscópio está parado. Quando o giroscópio é lançado, o fenômeno do pêndulo giroscópico provoca um desvio positivo ou negativo deste eixo, que é cancelado somente quando o plano de oscilação é perpendicular ao meridiano. A ideia de um recall de contrapeso é a base das bússolas giratórias.

Uma primeira forma de bússola giratória, ainda inconveniente, foi patenteada em 1885 por Marinus G. van den Bos (1885). O primeiro modelo adequado para navegação foi desenvolvido em 1906 na Alemanha por Hermann Anschütz-Kaempfe (patente DRP n ° 182855 de27 de março de 1904) que queriam chegar ao Pólo Norte de submarino . Anschütz-Kaempfe então fundou a Anschütz & Co. em Kiel para a produção em série de giroscópios; a empresa agora se chama Raytheon Anschütz GmbH.

O mesmo tipo de instrumento também foi patenteado nos Estados Unidos em 1908 por Elmer Ambrose Sperry (patente n ° 1.242.065 de 1908) que fundou a Sperry Gyroscope Company em 1910. Este tipo de giroscópio foi adotado pela Marinha dos Estados Unidos (1911) e tocado um papel importante na Primeira Guerra Mundial. Sperry contestou a patente de Anschütz. Albert Einstein foi designado para o tribunal de patentes para esse fim para realizar uma perícia. Anschütz ganhou o caso.

A bússola giratória foi uma invenção importante para a navegação marítima, pois possibilitou determinar com precisão a posição de um navio em todos os momentos, independentemente do seu movimento, das condições meteorológicas e da quantidade de aço utilizada na sua construção. A maioria das marinhas do mundo equipou seus navios com bússolas do tipo Anschütz, exceto a marinha britânica que continuou por muito tempo a usar as bússolas inventadas 40 anos antes por William Thomson e que devia suas ordens mais ao seu intenso lobby do que à qualidade de seu produto . Após um primeiro teste bem-sucedido no USS Delaware , os navios da Marinha dos Estados Unidos foram equipados com ele.

Princípio da Operação

Um giroscópio livre é montado de forma que seu eixo possa apontar em qualquer direção. Devido à lei de conservação do momento angular, uma roda nesta situação manterá sua orientação original. Como a Terra gira, se o eixo de rotação da roda não for o eixo de rotação da Terra , parecerá que o eixo do giroscópio gira uma vez a cada 24 horas para um observador estacionário na Terra. No entanto, um giroscópio girando dessa forma não pode ser usado na navegação. O ingrediente adicional crucial necessário é um mecanismo que aplica torque quando o eixo do giroscópio não está apontando para o norte.

Um método possível é usar o atrito para aplicar o torque necessário: o giroscópio, portanto, não está completamente livre para se reorientar. Se, por exemplo, um dispositivo conectado à haste estiver imerso em um fluido viscoso, então esse fluido resistirá à reorientação da haste. Este momento gerado pelo atrito causado pelo fluido é paralelo ao eixo de rotação da Terra. Terá efeito zero no sentido de rotação do giroscópio, apenas o componente ortogonal a esta rotação (e no plano comum das duas rotações) provoca um torque atuando no eixo, fazendo-o girar no plano comum em direção ao norte geográfico (a estrela polar). Assim que o eixo apontar para o norte, ele parecerá imóvel e não sofrerá nenhuma força de atrito. Isso ocorre porque o norte verdadeiro é a única direção em que o giroscópio pode permanecer na superfície da Terra sem ser forçado a mudar. Este é considerado um ponto de energia potencial mínima.

No diagrama ao lado, o princípio de operação é mais ou menos o mesmo: enquanto o giroscópio tenderia a permanecer fixo em relação às estrelas, o deslocamento de seu suporte terrestre desequilibra a tensão dos dois fios e faz com que ele gire em direção ao centro por um momento, plano meridiano. Outro método mais conveniente é usar pesos para forçar o eixo do giroscópio a permanecer horizontal em relação à superfície da Terra, enquanto ainda permite que ele gire livremente nesse plano. Nesse caso, a gravidade aplicará o torque, forçando o eixo do giroscópio a ficar voltado para o norte. Como os pesos limitarão o eixo à horizontal em relação à superfície da Terra, ele nunca será capaz de se alinhar com o eixo do planeta (exceto no equador) e deve ser realinhado quando a Terra girar. Mas quando se trata da superfície da Terra, o giroscópio parecerá estar estacionário e apontando próximo à superfície da Terra na direção do Pólo Norte geográfico.

O diagrama da Figura 2, visto do pólo sul, mostra um giroscópio movendo-se ao longo do equador. Inicialmente, seu eixo de rotação sn é paralelo à superfície da Terra. De acordo com a conservação do momento angular, o eixo mantém sua direção mesmo quando se move para a segunda posição indicada. Mas, devido à suspensão especial, o giroscópio pode girar livremente apenas na vertical. A força da gravidade tende a inclinar o eixo ao longo das setas marcadas com D. O torque gerado por ela faz com que o eixo de rotação se incline para fora do plano de desenho e anteceda o giroscópio. Ao amortecer o movimento rotacional em torno do ponto A, o giroscópio acaba parando quando o torque torna-se zero, ou seja, quando o eixo do giroscópio aponta na direção norte-sul.

Este efeito é maior no equador e varia com a latitude. Perto dos pólos, a bússola giratória não pode mais funcionar porque o eixo de rotação da Terra é quase vertical ali, e o torque projetado no plano horizontal torna-se muito fraco. Esses problemas levaram ao desenvolvimento de bússolas de três rotores. ${\ displaystyle \ cos (\ lambda)}$

Desvios da bússola giratória

A precessão da bússola giratória decorre do fato de o eixo de rotação do giroscópio, inicialmente horizontal quando o dispositivo foi lançado, afastar-se da horizontal acompanhando a rotação da Terra, induzindo um torque de retorno (aceleração angular) proporcional ao desvio . Mas o giroscópio tende a manter seu desvio horizontal nesta precessão e, na primeira ordem, esse desvio horizontal aumenta em proporção ao tempo (com a rotação da Terra) e ao seno do ângulo entre o eixo e o plano meridiano. Quando a bússola giratória acaba se alinhando com o meridiano, essa diferença passa então por um máximo; o torque de retorno é, portanto, também máximo neste ponto, e continua a girar a bússola giratória além de seu ponto de equilíbrio, o desvio horizontal então reduzindo gradualmente. Qualitativamente, a representação desse movimento no espaço de fase mostra que ele é periódico se não for amortecido. As oscilações lentas assim geradas dependem da construção do aparelho e são tipicamente da ordem da hora (84,4 minutos, ver abaixo). Portanto, é essencial amortecer esse regime de oscilação. Se a taxa de amortecimento é definida para dar às oscilações uma velocidade crítica , o tempo de amortecimento é aproximadamente da ordem do período para pequenos desvios.

Além dessas oscilações, o alinhamento da bússola do giroscópio deve ser submetido a duas correções, uma em função da latitude da embarcação e outra puramente geométrica em função de sua velocidade.

A primeira correção, dependendo da latitude , vem do fato de que no plano meridiano seguindo a rotação da Terra ainda é necessário girar o eixo do giroscópio para mantê-lo neste plano (exceto nas proximidades do equador). Em seu plano de rotação, o giroscópio vê um componente proporcional ao qual ele deve seguir mantendo um desvio horizontal proporcional, que portanto corresponde a um desvio compensatório (in ) em relação ao plano meridiano. No geral, essa diferença é, portanto, proporcional a ; a relação de proporcionalidade depende da força de retorno do contrapeso e, portanto, da construção do dispositivo. É possível superar esse desvio deslocando o contrapeso para equilibrar o momento necessário para uma dada latitude, mas essa configuração então depende da latitude. $\ lambda$ ${\ displaystyle {\ vec {\ Omega}}}$ ${\ displaystyle \ Omega. \ sin (\ lambda)}$ ${\ displaystyle 1 / cos (\ lambda)}$ ${\ displaystyle \ tan (\ lambda)}$

Por outro lado, como o funcionamento de um giroscópio depende principalmente de sua rotação na Terra, ele não funcionará corretamente se a nave em que está montado estiver se movendo rapidamente. Os movimentos do giroscópio ao longo de um meridiano (projetado em ) causam um desvio geométrico, pois a combinação desse movimento e aquele induzido pela rotação da Terra (em ) é uma nova rotação cujo eixo não necessariamente se funde com o eixo de rotação do Terra. O giroscópio não aponta mais exatamente para o norte, mas na direção que resulta da combinação das duas rotações, dependendo da latitude (cos) da superfície da Terra e da velocidade com que o giroscópio está sendo movido. Daí uma segunda correção da forma . Uma velocidade ao longo do meridiano de 20 km / h causa um desvio de apenas 0,5 °. A 150 km / h, esse desvio sobe para 5 °. ${\ displaystyle V. \ sin (\ alpha)}$ ${\ displaystyle R \ omega. \ cos (\ lambda)}$ ${\ displaystyle V. \ sin (\ alpha) / (R \ omega. \ cos (\ lambda))}$

Uma terceira fonte teórica de desvio balístico vem de mudanças na velocidade ou direção do navio. Essas mudanças correspondem a uma aceleração, que induz um desvio da horizontal do giroscópio, e a força restauradora tende então a desviá-lo do plano meridiano. Este efeito é compensado dando à bússola giratória um período de oscilação significativo. Em 1923, Max Schuler publicou um artigo mostrando que se um giroscópio verificasse o "acordo de Schuler" por ter um período de oscilação de 84,4 minutos (que é o período orbital de um satélite teórico orbitando a Terra ao nível do mar), ele poderia se tornar insensível para movimentos laterais e manter a estabilidade direcional. Nesta construção, o desvio angular induzido por uma aceleração balística corresponde à diferença no desvio geométrico entre os dois regimes de operação, e a correção geométrica aplicável ao novo regime de operação pode, portanto, ser aplicada imediatamente.

Notas e referências

Jean Mawhin , “ Os fundamentos da mecânica a montante e a jusante de Poincaré. : Reações belgas ao experimento do pêndulo de Foucault ”, Philosophiques , vol. 31, n o 1,2004, p. 11–38 ( ler online , consultado em 15 de fevereiro de 2019 )
Louis-Philippe Gilbert , As provas mecânicas da rotação da Terra . No Boletim de ciências matemáticas e astronômicas 2ª série, volume 6, no 1 (1882), p. 189-223.
Philippe Gilbert, Sobre as experiências específicas para manifestar a rotação da Terra ,1883( leia online ) , P 109-112
Dag Pike, The History of Navigation , Pen and Sword Books,2018( ISBN 9781526731692 ) , "4. Indo na direção certa".
Isso só foi percebido em3 de agosto de 1958por USS Nautilus (SSN-571) . Uma tentativa anterior, a Arctic Nautilus Expedition (1931) falhou a 800 km do Pólo.
As bússolas giroscópicas - continuação e fim . Bogaert, EW Ciel et Terre, Volume 36. Bulletin of the Belgian Astronomical Society, Bruxelas, 1920, p.157
Características de afinação Schuler em instrumentos de navegação . Walter Wrigley, dezembro de 1950
A engenharia da bússola e do giroscópio de Anschutz . Anschutz, Relojoeiro Publishing, 2003.

Veja também

Bibliografia

Steady as she goes ", por AE Fanning, Nationa Maritime Museum, 1986. The History of the British Admiralty Compass Department.

links externos

O centenário da Anschütz & Co. (em alemão, no site da cidade de Kiel: http://www.kiel.de/kultur/stadtarchiv/erinnerungstage/index.php?id=42 )
" A invenção da bússola giroscópica " , em transpolair.free.fr (consultado em 7 de novembro de 2010 )
A operação de uma bússola giratória .