Основы гироскопического ориентирования.

Гирокомпас (или гиротеодолит) - это угломерный инструмент, в кото­ром конструктивно совмещены гироскоп и теодолит. Процесс определе­ния дирекционного угла стороны гирокомпасом называют гироскопиче­ским ориентированием.

Гироскоп - это быстровращающееся тело, масса которого расположена симметрично по отношению оси вращения. Примером простейшего гиро­скопа является волчок. Чем быстрее скорость его вращения, тем большую устойчивость он приобретает, сохраняя заданное направление. Если при этом плоскость Q наклонить, то волчок будет перемещаться, сохраняя отвесное положение оси вращения.

В современных гирокомпасах (гиротеодолитах) таким телом с быстрым вращением является ротор электродвигателя, который раз­вивает скорость до 20-60 тыс. оборотов в минуту.

Гироскоп может быть свободным и несвободным (рисунок 23).

Рисунок 23 - Гироскоп: а - свободный; б – несвободный

Свободный гироскоп имеет три степени свободы. На рисунок 23, а показан трехстепенной свободный ги­роскоп, т.е. вращение его происходит в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Ось X - это главная ось гироскопа, оси Y, Z - кардановые оси. При вращении гироскопа (маховика) вокруг оси Y его главная ось X то подни­мается, то опускается относительно горизонта, т.е. меняет свое положение в вертикальной плоскости.

Вращаясь вокруг кардановой оси Z, главная ось гироскопа X меняет свое положение по отношению местных предметов в горизонтальной плоскости, т.е. меняет свое положение в азимуте.

Гироскоп, у которого центр тяжести совпадает с точкой подвеса, называется уравновешенным (рисунок 23, а). При любом положении такого гироскопа сила тяжести не создает вращательных моментов относительно осей подвеса. Уравновешенный гироскоп, у которого в опорах отсутствуют силы трения, называется свободным. Свободный гироскоп можно рассматривать лишь теоретически.

Для ориентирования маркшейдерско-геодезических съемок использу­ются два основных свойства оси гироскопа:

- способность сохранять неизменным свое направление в пространст­ве, т.е. ось гироскопа обладает определенной устойчивостью по отноше­нию действия внешних сил;

- совершать гармонические колебания около положения равновесия в плоскости, перпендикулярной действию приложения силы.

Колебания оси гироскопа называют прецессией. Ось X прецессирует, пока на нее действует внешняя сила Р - сила земного тяготения или гравитации Земли.

Если свободный гироскоп ли­шить одной степени свободы, сместив центр тяжести относительно точки подвеса, то он превращается в несвободный, двух­степенной. В результате этого он теряет одни свойства и приобретает другие (рисунок 23, б).

У гирокомпаса ось X очень чув­ствительна к вращению Земли или основания, на котором он установ­лен (рисунок 24). В результате вращения Земли ось X устанавливается парал­лельно земной оси, то есть в направлении истинного меридиана в данной точке.

Рисунок 24 - Положение оси гирокомпаса: а - основание неподвижно;

б - основание вращается против хода часовой стрелки;

в - основание вращается по ходу часовой стрелки

Таким образом, гироскопическое ориентирование базируется на свой­ствах гироскопа и суточном вращении Земли вокруг своей оси.

Скорость вращения Земли очень мала (один оборот Земли в сутки ра­вен 86164 с), значит и мала сила, заставляющая ось X располагаться в на­правлении истинного меридиана. Эта сила не может преодолеть сил трения в подшипниках прибора.

Для превращения гироскопа в гирокомпас ему необходимо сообщить направляющий момент, который мог бы главную ось гирокомпаса X по­вернуть в направлении меридиана. Это можно сделать двумя путями:

- уничтожить одну степень свободы, т.е. из трехстепенного гироскопа сделать двухстепенной, как это показано на рисунок 23,б, путем подвеса к оси X груза Р и тем самым не дать возможность вращения гироскопа по отношению кардановой оси Y;

- сместить центр тяжести свободного гирокомпаса ниже точки его подвеса, т.е. сделать его маятниковым.

Такие направленные двухстепенные приборы стали называть гирокомпасами (или гиротеодолитами).

Билет № 12