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

ovunque sia necessario 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).