Гіроскопічний спосіб визначення азимута

Лекція № 31. Гіроскопічний спосіб визначення азимута.

               План лекції:

1. Відомості із загальної теорії гіроскопів.
2. Маятниковий гіроскоп.
3. Будова гіротеодоліта ГІ-Б2.
4. Визначення азимута гіротеодоліта ГІ-Б2.

1. Відомості із загальної теорії гіроскопів

Визначення азимутів напрямів на земній поверхні за допомогою спеціальних геодезичних гіроскопічних приладів – гіротеодолітів і гірокомпасів одержало назву гіроскопічного орієнтування.

Гіроскопом називається пристрій, який складається зі збалансованого ротора, який швидко обертається і системи його підвісу, яка позволяє осі ротора змінювати напрям. Прикладом гіроскопа може бути всім відома дзига (Рис. 1) з віссю обертання ОК і точки підвісу (опори) "О".

Рис. 1

Найбільш простим пристроєм є гіроскоп в карданному підвісі (Рис. 2).

Рис. 2

Ротор обертається навколо своєї осі симетрії ХХ в підшипниках установлених у внутрішньому кільці. Ця вісь називається головною віссю гіроскопа. В свою чергу внутрішнє кільце може вільно обертатися навколо осі YY в підшипниках, установлених в зовнішньому кільці. Вісь YY називається віссю чутливості. Накінець, зовнішнє кільце також може вільно обертатися навколо осі ZZ в підшипниках, установлених в нерухомій основі. Вісь ZZ називається віссю прецесії. В такому карданному підвісі ротор може виконувати три незалежні обертальні рухи навколо осей, які перетинаються в одній точці, яка при русі ротора залишається нерухомою, тобто кінематично є точкою підвісу ротора так само, як точка О є точкою підвісу дзиги. В таких випадках кажуть, що ротор має три ступені свободи, а гіроскоп такого типу називають триступеневим. Дзига також має три ступені свободи тому що його головна вісь ОК може нахилятися в будь-яку сторону, а цей рух завжди можна розкласти на два обертаючі рухи в взаємноперпендикулярних вертикальних площинах.

Якщо у гіроскопа в карданному підвісі закріпити зовнішнє кільце наглухо на нерухомій основі, то ми одержимо приклад двоступеневого гіроскопа. Гіроскоп, у якого центр мас збігається з точкою підвісу називається астатичним або урівноваженим. Триступеневий урівноважений г7іроскоп прийнято називати свобідним, якщо центр ваги гіроскопа зміщений відносно точки підвісу, то гіроскоп називають навантаженим або важким. Так, наприклад, дзига є важким гіроскопом, а гіроскоп зображений на рис. 2 – свобідний.

Гіроскоп володіють наступними специфічними властивостями, завдяки яким вони знайшли широке застосування в техніці.

1.  Властивість стабілізації, тобто головна вісь свобідного гіроскопа прагне зберегти своє орієнтування в світовому просторі, тобто в інерціальній системі координат.

Ця властивість буде виражатися сильніше, якщо буде збільшуватись кінетичний момент ротора при постійній кутовій швидкості його обертання. Якщо осі ХХ обертання надати певний напрям, який збігається з напрямом на зірку, то вона буде якби слідкувати за цією зіркою, поступово повертатися за азимутом і зенітною віддаллю. Такий рух називається видимим рухом осі свобідного гіроскопа.

2.  Властивість прецесії, тобто головна вісь гіроскопа противиться миттєвим ударним навантаженням, тобто під дією короткочасної сили майже не змінює свого напряму.

В цьому легко переконатися, якщо вдарити по дзизі, яка швидко крутиться. Але якщо до осі свобідного гіроскопа прикласти постійну силу (Рис. 2), то ця вісь буде повертатися в площині перпендикулярній до прикладеної сили. Такий поворот осі гіроскопа називається прецесією. Прецесія продовжується доти, доки діє зовнішня сила.

2. Маятниковий гіроскоп

Важкий гіроскоп, у якого центр маси розташований на осі нижче точки підвісу, називається маятниковим.

Можна перетворити триступеневий свобідний гіроскоп на карданному підвісі в маятниковий, якщо до його головної осі укріпити, як зображено на Рис.3, додатковий (маятниковий) вантаж, під дією якого головна вісь XX набуває прагнення займати весь час горизонтальне положення – властивість виборності. Тепер центр ваги "С" зміщений вниз і утворює фізичний маятник вагою "G" з приведеною довжиною ОС = l. Очевидно, що маятниковий гіроскоп на відміну від свобідного, здатний сприймати напрям сили ваги, тому що маятник служить датчиком цього напряму. В усіх точках Землі, крім її полюсів, напрям сили ваги міняється в інерціальній системі координат. Проекція вектора сили ваги на площину екватора обертається навколо осі світу з швидкістю одного оберту на добу.

В теорії гіроскопів існує поняття вимушеної прецесії. Якщо під дією постійної сили "G" вісь гіроскопа виконує деякий прецесійний рух, то і навпаки, змусивши її виконувати цей рух примусово, ми одержимо в підшипниках осі силу реакції, рівну "G". При надані осі гіроскопа вимушеної прецесії вісь гіроскопа старається найкоротшим шляхом установитись паралельно осі вимушеної прецесії. Тому зміна напряму сили ваги внаслідок обертання Землі можна розглядати, як надання маятниковому гіроскопу вимушеної прецесії з віссю обертання паралельною осі світу.