Gyroscoop

gyroscoop

Gyroscoop of gyrostaat, meestal kortweg gyro genoemd is een sneldraaiend rotatiesymmetrisch lichaam (rotor) dat cardanisch is opgehangen en draaibaar is om drie assen die door het zwaartepunt van het lichaam gaan, waardoor dit een nagenoeg vaste stand in de ruimte zal willen behouden.
Men onderscheidt gyroscopen met één en twee graden van vrijheid; het is gebruikelijk de bewegingsvrijheid van de tol om zijn eigen as niet mee te tellen. De aandrijving geschiedt meestal elektrisch; bij kleine eenvoudige gyroscopische instrumenten nog wel pneumatisch. Het toerental varieert van ca. 6000 omw/min voor grote gyroscopen tot 24!000 omw/min voor de kleine instrumenten in de lucht- en ruimtevaart. Voor de lagering van de tol worden naast de conventionele kogellagers ook gaslagers toegepast, waarbij de tolas wordt gedragen door gasdruk. Bij de nieuwste ontwikkelingen wordt voor de lagering gebruik gemaakt van elektrostatische en magnetische krachtvelden.

1. Toepassingen
De toepassingen van de gyroscoop zijn gebaseerd op de volgende fundamentele eigenschappen:
a. De gyroscopische traagheid. De tolas behoudt een vaste stand in de ruimte zolang er geen koppel om een as loodrecht op de tolas wordt uitgeoefend. Storende koppels, bijv. door wrijving in de lagers of door onbalans (klein bij een geavanceerde gyro), zijn echter niet geheel te vermijden. Door nu de gyro snel te laten draaien en als vliegwiel (groot traagheidsmoment) uit te voeren, blijkt de gyro een vaste stand in de ruimte, althans voor een niet té lange gebruiksperiode, zeer redelijk te kunnen handhaven. Wanneer een gyroscoop met twee graden van vrijheid in een ruimtevaartuig wordt opgesteld, zal de tolas zijn stand in de ruimte behouden, onafhankelijk van standveranderingen van het voertuig. Een dergelijke vrije gyroscoop kan dus dienen om de stand van het voertuig in de ruimte te bepalen.
b. De precessie. Wanneer een koppel om een as loodrecht op de tolas wordt uitgeoefend, zal deze een draaibeweging (precessie) gaan uitvoeren om een as die loodrecht staat op deze beide assen (bij stilstaande rotor zou de draaibeweging om de as van het koppel plaatsvinden).

In de luchtvaart wordt hiervan bij gyroscopen met twee vrijheidsgraden als volgt gebruik gemaakt. Door de reeds genoemde mechanische onvolkomenheden loopt de gyro uit zijn referentierichting (werkelijke uitloop). Bovendien draait de aarde onder de ruimtelijk standvastige gyro en beweegt het vliegtuig over de aarde (schijnbare uitloopbewegingen). Een apart richtsysteem, dat zijn referentierichting aan de zwaartekracht ontleent, houdt de gyro door een bewust ingevoerde precessiebeweging zo goed mogelijk verticaal (kunstmatige horizon) dan wel horizontaal (koerstol). Hierdoor wordt kennis verkregen van de stand van het vliegtuig en de koers. Slechts de uitloop van de koerstol in het horizontale vlak moet daarbij nog nader worden gecontroleerd. De bemanning doet dit door de koerstol regelmatig bij te stellen. Meestal geschiedt dit echter automatisch, hetzij door gebruik te maken van de richting van het aardmagnetisch veld, hetzij door sturing met signalen uit een navigatierekeneenheid die bekend is met vrijwel alle oorzaken die tot een uitloop van de gyro kunnen leiden.
De precessiewet is omkeerbaar, dwz. dat een gyroscoop een reactiekoppel ontwikkelt, indien deze gedwongen wordt een draaibeweging te ondergaan om een as loodrecht op de tolas en de as waarom zich het gyroscopisch reactiekoppel ontwikkelt. Dit reactiekoppel is evenredig met de hoeksnelheid van de ingevoerde draaibeweging en kan dus dienen voor de meting ervan. Dit wordt gedaan door het koppel evenwicht te laten maken met dat van een veer. Dergelijke hoeksnelheidsmeters hebben één graad van vrijheid (wanneer as C geblokkeerd wordt, kan een draaibeweging om as C aan de gyroscoop worden meegedeeld, waarbij deze dan door een koppel om de as B ten gevolge van een veer in evenwicht kan worden gehouden). Een voorbeeld van deze toepassing is de bochtsnelheidsaanwijzing in een vliegtuig.
Naast de gyroscoop met twee graden van vrijheid kan ook de gyroscoop met één graad van vrijheid dienen als standmeter. Wanneer nl. geen koppel ten gevolge van de spanning van een veer als bovenbedoeld wordt uitgeoefend om de tolas bij een opgedrongen draaibeweging in evenwicht te houden, ondergaat deze een hoekverdraaiing die evenredig is met de opgedrongen hoekverdraaiing. Essentieel hierbij is dat de beweging van het instrument goed gedempt is. Men spreekt in dit geval van een hoeksnelheid-integrerende gyroscoop. Zowel dit type gyroscoop als de gyroscoop met twee graden van vrijheid vindt toepassing in het gestabiliseerde platform, dat een vaste stand in de ruimte of een vaste stand ten opzichte van de plaatselijke verticaal behoudt, ongeacht de stand van het voertuig waarin het is geplaatst. Gyroscopen dienen hierbij als detector van eventuele afwijkingen ten opzichte van deze vaste stand en leveren met de afwijking samenhangende elektrische signalen, die servomotoren activeren om het platform naar de gewenste stand terug te draaien. Het gestabiliseerde platform dient als basis voor de traagheidsnavigatie en vindt tevens toepassing voor de standbepaling van voertuigen.

gyroscopische kunstmatige horizon