Girobussole

La girobussola
Gyrocompass
Cos’è una girobussola
• È una bussola che funziona sfruttando la
componente meridiana della rotazione
terrestre 1 =  cos
• Rispetto alla bussola magnetica ha il
vantaggio di non essere influenzata dal
Campo Magnetico Terrestre
• Complessivamente rimane più precisa
della bussola magnetica
Come funziona?
• La Gyro sfrutta alcune
proprietà dei giroscopi..
• Il giroscopio è un corpo
posto in rapida rotazione e
con tre gradi di libertà
• l’asse di spin, ovvero l’asse
di rotazione del giroscopio, è
molto importante
• la proprietà dell’asse di spin di
rimanere orientato in una
direzione fissa nello spazio è
sfruttata nella Gyro
I giroscopi sono
adoperati per vari
usi, anche i più
insospettabili ed
inaspettati!
In natura i corpi celesti come i
pianeti sono esempi di giroscopi
L’inerzia giroscopica
• Un girostato a tre gradi di
libertà, dotato di moto
continuo ad elevata velocità
di rotazione, ha la proprietà
di mantenere il suo asse
parallelo a se stesso nello
spazio, ossia punta sempre
la stessa direzione
• È questa proprietà che viene
detta inerzia giroscopica
L’inerzia giroscopica
• proprio l’inerzia giroscopica
fornisce la prova della
rotazione della Terra
• infatti se si pone il giroscopio
su di un piano lo si vede
inclinare il suo asse di spin fino
al compimento di un giro
completo su se stesso in 24h
• come si vede in figura è però la
Terra che ha ruotato, mentre
l’asse di spin è sempre rimasto
parallelo a se stesso
Se però vincoliamo il giroscopio …
… per esempio al piano verticale,
potremo osservare che questo
potrà essere utilizzato per
determinare la latitudine  della
località in cui si trova
Si potrà osservare anche come il
vettore , che rappresenta la
rotazione terrestre, ammetta due
componenti:
- una per meridiano 1 =  cos 
- una per parallelo
2 =  sin 
La figura aiuta a chiarire il concetto
ora espresso
• Come si vede l’asse di
spin forma con il piano
orizzontale un angolo
pari alla latitudine  del
luogo nel quale ci si
trova
La precessione giroscopica
• Se ad un giroscopio fermo
si sospende un pesetto p,
il giroscopio si abbatte
• Se lo stesso pesetto p
viene appeso ad un
giroscopio in movimento
questo inizia a ruotare
nel piano orizzontale
• Tale fenomeno prende il
nome di precessione
giroscopica
• Il fenomeno della
precessione è dovuto al
fatto che la coppia
abbattente è sempre
presente, sia che il
giroscopio sia fermo, sia
che ruoti
• Il moto di precessione
nasce in ragione del fatto
che l’asse di spin insegue
la coppia abbattente, senza
mai raggiungerla
La precessione …
... è il fenomeno che sta alla base del
funzionamento della girobussola
(Gyrocompass).
Può essere di due tipi: libera e forzata.
La precessione libera è tipica del
giroscopio con tre gradi di libertà; la
precessione forzata è invece tipica di un
giroscopio vincolato ad un piano – ossia
con due gradi di libertà. .
Se vincoliamo il giroscopio al piano
orizzontale zavorrandolo – come mostrato
in figura – questo precessionerà in
maniera obbligata e se posto sulla Terra,
dove agiscono già delle forze, finirà con
l’orientarsi nel piano meridiano
• In buona sostanza, dunque,
la girobussola altro non è che
un giroscopio vincolato al
piano orizzontale e, per
questa ragione, capace di
orientarsi nella direzione del
meridiano vero Nv
• In figura una
schematizzazione di quanto
ora detto
Dal punto di vista strutturale una
girobussola è abbastanza
complessa, considerate le difficoltà
tecniche che devono essere
superate.
I giroscopi devono essere
alimentati elettricamente a corrente
continua ( per poter stabilizzare la
velocità di rotazione ).
La struttura stessa dev’essere
protetta dalle oscillazioni della nave
e dalle deviazioni balistiche
causate dalle variazioni di rotta e/o
di velocità.
Ecco lo spaccato di una
girobussola nel quale sono
evidenziate tra l’altro:
• il telaio
• il gruppo di giroscopi o
elemento sensibile
• il trasmettitore dei dati di
direzione
• i rilevatori di direzione
Ancora altri esempi di struttura di
girobussola madre, ovvero l’unità
principale di un impianto
girobussola tradizionale composto
solitamente da:
• la girobussola madre
• il quadro elettrico di controllo
• le ripetitrici
• l’autopilota o giropilota
Negli impianti tradizionali
la girobussola madre è
posta il più vicino possibile al
baricentro G della nave,
compatibilmente
con la struttura stessa della nave
Le ripetitrici hanno
forme varie e possono
essere sistemate
ovunque sia necessario
Ecco un modello di girobussola
• La sua descrizione
sarà fatta dal vivo
sull’esemplare di cui
la scuola è dotata
Molto più recenti sono le
girobussole a fibbre ottiche
Sono basate sull’impiego di un
giroscopio ottico, che è un girometro
integratore, o misuratore di angoli
derivanti da spostamenti spaziali.
Tecnicamente non si tratta di un vero e
proprio giroscopio, poiché non possiede
parti rotanti.
Le sue proprietà giroscopiche derivano
dell'impiego della radiazione
monocromatica prodotta da un laser.
La luce viene emessa in un mezzo attivo
contenuto in una canalizzazione e
collocato fra specchi, dispositivo
denominato risonatore ottico attivo
I giroscopi ottici (FOG) hanno soppiantato i giroscopi meccanici
specialmente nelle applicazioni attinenti la navigazione ed i
sistemi inerziali di navigazione.
La prevalenza del giroscopio ottico sul meccanico è
riconducibile a:
1. costi di produzione notevolmente più bassi;
2. esigenza di manutenzione ridotta;
3. maggiore affidabilità;
4. minore peso.
La loro apparizione senz'altro è stata stimolata da esigenze
aeronautiche, peraltro la loro applicazione è già presente
in molti altri campi di attività.
Soprattutto gli ingombri risultano
assai ridotti
Ma come funziona una gyro a fibre ottiche?
Per ottenere la funzione di orientamento
desiderata si montano tre giroscopi a
fibre ottiche FOG disposti lungo una terna
di assi cartesiani X, Y e Z che può
coincidere con i tre assi della nave; per
definire il piano orizzontale si impiegano
inoltre due sensori di livello.
La tecnologia utilizzata è nota come
strapdown, ossia con i giroscopi montati
rigidamente su un piano fisso rispetto alla
nave e non su un piano mantenuto
costantemente orientato e parallelo
rispetto ad un piano di riferimento come
nella navigazione inerziale di tipo
tradizionale.
La struttura dell'elemento sensibile comprende sei
moduli:
• l'unità di calcolo con le interfacce seriali per l'uscita dei
dati elaborati;
• l'alimentatore;
• tre giroscopi a fibre ottiche FOG;
• due sensori di livello.
Tutti i moduli sono montati su una piastra rigida che
serve per il fissaggio dell'elemento alla struttura della
nave con l'asse X montato possibilmente parallelo
all'asse longitudinale della nave; nel caso in cui ciò non
sia possibile, l'angolo di deviazione deve essere inserito
nell'unità di calcolo come elemento correttivo.
Ciascun FOG contiene:
• una bobina di fibre ottiche contenute in un
involucro particolare per proteggerla dall'azione
di eventuali campi magnetici;
• una scheda elettronica contenente la sorgente
luminosa, il fotorivelatore ed un convertitore A/D
(analogico-digitale) per convertite i segnali
analogici del giroscopio in segnali digitali;
• una scheda contenente il microprocessore per
elaborare i dati digitali in uscita dal giroscopio e
per trasmetterli all'unità di calcolo mediante un
collegamento seriale interno.
L'unità di visualizzazione – mostrata in figura – , oltre che
dall'elemento sensibile, può ricevere e mostrare dati in uscita
provenienti da altre bussole giroscopiche di tipo tradizionale o
da bussole magnetiche.
In tale unità, mediante un apposito menu, è possibile
selezionare le pagine con i dati che si desiderano mostrare
(prora, angoli di rollio, di beccheggio e velocità angolare di
rotazione).