Гирокомпас, его устройство и принцип работы

Гирокомпас — это навигационное устройство, указывающее строго на северный географический полюс и работающий по принципу гироскопа. То есть это устройство имеет некоторые общие черты с магнитным компасом, но устройство его, размеры и правила применения отличаются от таковых у компаса магнитного.

На фото — стандартный судовой гирокомпас:

У гирокомпаса имеются как определенные достоинства перед магнитным компасом, за счет которых его применяют в том числе в областях, в которых требуется более высокая точность, так и недостатки, из-за которых, например, в туризме он не нашел применения. И о таких плюсах и минусах, и о принципе его действия мы далее и поговорим.

Принцип работы гирокомпаса

В основу работы гирокомпаса положен принцип работы гироскопа, что вполне понятно из названия этого средства навигации. Будучи раскрученным, гироскоп сохраняет свое положение благодаря кардановому подвесу, всегда указывая в одном направлении.

Однако сам по себе гироскоп не может служить гирокомпасом по двум основным причинам. Во-первых, будучи отклоненным от плоскости меридиана, гироскоп не возвращается к ней, а во-вторых, ось гироскопа совершает колебания около плоскости меридиана, что также мешает точности определения курса при навигации.

Для того, чтобы гироскоп стал гирокомпасом, нужно каким-либо образом сделать так, чтобы ось его вращения постоянно находилась в плоскости меридиана. Это становится возможным благодаря смещению центра тяжести гироскопа ниже уровня его подвеса. Такой гирокомпас со смещенным вниз центром тяжести называется маятниковым.

В современных гироскопах вместо карданового подвеса используют камеры с разными способами снижения сопротивления при вращении гироскопа. Например, в судовых гирокомпасах используется герметичная сферическая камера, заполненная водородом и имеющая в придонной части небольшое количество смазывающего масла. Чтобы исключить соприкосновение камеры с дном сосуда и крышкой, в самых современных вариантах гироскопа ее удерживают в подвешенном состоянии с помощью водной струи, что получается дешевле старых вариантов, использующих различные жидкие смеси и ртуть.

В гирокомпасе во время его работы может возникать прецессия (колебания), которая пытается выровнять ось гирокомпаса параллельно оси вращения Земли. Девиации (отклонения в показаниях) гирокомпаса возникают во время движения транспорта, на котором установлено это навигационное устройство. Они возникают также при смене широты и курса и требуют поправок.

Современные сложные модели гирокомпасов самостоятельно устраняют девиации с помощью специальных схем с микропроцессором, но на случай сбоя электроники прилагаются таблицы, позволяющие сделать поправки самостоятельно.

Устройство прибора

Строение гирокомпаса достаточно сложно, поэтому здесь рассмотрим лишь его основные компоненты. Например, армейский гирокомпас состоит из:

• Гироскопической системы маятникового типа. Собственно, это и есть гироскоп со смещенным центром тяжести.
• Угломерной части. Она предназначена для отсчетов, снятия показаний и измерения горизонтальных углов.
• Штатива. Он служит ля установки компаса на местности.
• Блока управления. Этот блок служит для переключения между режимами гирокомпаса.
• Блока питания. Электропитание позволяет разогнать гироскоп и служит для функционального контроля во время работы.

Строение других гирокомпасов может частично отличаться от строения армейского варианта, но неотъемлемой частью абсолютно любого из вариантов является гироскопическая система. Из-за массивности и больших размеров её вся конструкция компаса оказывается очень большой, и потому применять его в качестве «карманного» средства навигации не получается.

Где используется гирокомпас?

Гирокомпасы получили широкое применение в морском и военном деле, а также в ракетной технике. Так, например, на сегодняшний день в Интернете можно найти и купить множество разных моделей гирокомпасов — от простых до сложных, от бюджетных до дорогих — для морских судов и других транспортных средств.

Многие слышали, что в современных средствах связи — телефонах, смартфонах и планшетах — также используются гироскопы. Здесь гироскопы применяют для упрощения эксплуатации устройства, а также для различных видеоигр.

Возникает вполне нормальный вопрос «Как же такое большое и массивное устройство, как гироскоп, может вместиться в такой маленький телефон?».

Ответ прост. Дело в том, что в этих гаджетах наряду с другими датчиками используется не обычный гироскоп, а микросхема, которая улавливает любые изменения в положении устройства, а также скорость этих изменений. Тем не менее, из-за ограничений в подаче сигналов от датчика к схеме, обрабатывающей этот сигнал, со временем показания гироскопа могут значительно отклоняться от истинных. Для того же, чтобы подкорректировать работу гироскопа, устройство связи обычно укомплектовывают еще одной микросхемой — акселерометром.

Это значит, что в качестве компаса гироскоп из гаджета работать не способен. Если в телефоне и приложение, указывающее на север, то работа его никак не связана с гироскопом.

Достоинства и недостатки

Гирокомпасы имею ряд преимуществ перед магнитными компасами.

Во-первых, гирокомпасы всегда указывают на истинный географический полюс Земли, в то время как магнитные компаса в лучшем случае могут показать приблизительное направление на магнитные полюса, которые не совпадают с географическими, о чем мы подробно рассказывали здесь (Куда показывает стрелка компаса).

Во-вторых, гирокомпасы дают точные показания в зонах магнитных аномалий, а показания магнитных компасов могут сильно искажаться на этих территориях.

И, наконец, в-третьих, гирокомпасу не страшны магнитные девиации, что актуально при использовании такого средства навигации на транспорте (например, судне или самолете). В отличии от него, магнитный компас, не оснащенный системой магнитов, устраняющих погрешности магнитной девиации, на том же морском судне будет давать колоссальные ошибки. И даже при наличии устройства, корректирующего показания, система устранения магнитных девиаций через время сама будет нуждаться в корректировке.

Корректировка показаний гирокомпаса требуется в очень редких случаях

Тем не менее на случай поломки гирокомпаса на судне желательно наличие магнитного компаса.

Несмотря на свои достоинства, из-за больших размеров, массы, а также необходимости электропитания, гирокомпасы не могут быть применены в туризме, и по-прежнему спутником любого туриста, охотника и выживальщика остается магнитный компас.

Автор: Максим Чечетов