girocompas

8/3/2019 girocompas

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GIROCOMPAS

Instrumento físico que tiene propiedad de orientarse en dirección Norte – Sur geografía y permanecer

orientado bajo la influencia conjunta de las propiedades giroscópicas (rigidez y precesión), de larotación de la Tierra y de la gravedad terrestre.

Sus indicaciones se transmiten a una rosa náutica y por medio de circuitos eléctricos, a una serie derepetidores, lo que hace óptimo su uso a bordo.

Ventajas del Girocompás

- No lo afecta el magnetismo. Da indicaciones seguras.- Sensibilidad y estabilidad superiores a las del compás magnético- No lo afecta la escora- Permite el uso de repetidores

- Permite mantener rumbo con precisión, el uso de Piloto Automático y el uso de Inscriptor deRumbo.

- Indica rumbo verdadero o geográfico, (no interviene Vmg)- El girocompás patrón puede instalarse en cualquier parte de la nave- Su error es constante a todas las proas. Puede corregirse moviendo la línea de fe.- Tiene gran fuerza directriz.

Desventajas del Girocompás:

- Depende de la energía eléctrica- Su instalación es cara- Requiere tiempo para orientarse

- Su manejo requiere cuidado y personal capacitado.

Partes de un girocompás clásico: Elemento sensible, elemento fantasma o seguidor, elemento araña y bitácora, partes que se identifican a continuación.

Elemento sensible: Caracterizadoprincipalmente por el rotor, quegira a alta velocidad. Puede estar contenido en una caja, (Fotografía)o dentro de una giroesfera. En losgirocompases modernos el rotor ha

sido reemplazado por undispositivo láser

Es la parte giroscópica del instrumento, constituye el elemento directriz. Consta de las siguientespartes: Rotor, Caja de Rotor, Anillo Vertical, Suspensión, Masas Compensadoras y Nivel. El

rotor gira a alta velocidad, (12000 RPM, en algunos casos)

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Balístico de Mercurio. Forma parte

del elemento fantasma o seguidor

Elemento Araña : Sistema que soporta todo el peso del elemento seguidor, el que a su vezcontiene al elemento sensible, es decir, soporta al conjunto movible del instrumento. Sus partesson: Motor azimutal, anillo línea de fe, transmisor, corrector de latitud y velocidad, block de

conexión con escobillas, block de conexión principal de la araña.

La Bitácora : Soporte o carcasa exterior que contiene y

sostiene a los elementos anteriormente vistos

Elemento Fantasma o Seguidor: Es la parte destinada a soportar al elemento sensible mediante lasuspensión, por lo que sigue todos los movimientos en azimuth de este último elemento. Sus partesson: anillo fantasma, rueda engranaje azimutal, rosa náutica, anillos colectores, transformador del

Seguidor y Balístico de Mercurio.

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Reseña histórica: El origen del girocompás fue el giroscopio y el de éste, el trompo. El giroscopio loinventó Foucault. El girocompás fue inventado por Sperry y Anchutz. El alemán Hermann AnschützKämpfe inventó el girocompás en el año 1906.

Mucho antes, en 1878, el americano Hopkins hizo rotar por primera vez el giroscopio con electricidady modificó la estructura del modelo de Foucault, obteniendo así manifestaciones más exactas yduraderas. En ese tiempo la instalación de giroscopios a bordo para usarlos como compases era aúnmuy remota. Sin embargo, lo mismo que dejó escrito Foucault fue después origen de nuevasmodificaciones con ese objeto: “la suspensión del rotor es análoga a la suspensión Cardan de los

compases y cronómetros en un buque, (Foucault se refiere al giroscopio libre instalado en tierra), conla diferencia que los dos anillos concéntricos en vez de estar en un mismo plano horizontal, sonperpendiculares entre sí, (uno oscila alrededor de un eje horizontal y el otro alrededor de un ejevertical constituido por una suspensión filar sin torsión).

Si le damos rotación al rotor, con su eje apuntado a una estrella, permanece apuntado a ese punto del

cielo en virtud de la Ley de Inercia de Newton, o sencillamente, en virtud a que es incapaz dedesviarse por si solo. Si se elige una estrella que tenga un movimiento aparente más rápido, el eje delrotor, aparentemente, también compartirá ese movimiento, demostrando así que la Tierra gira. Por supuesto que no debe apuntarse el eje del rotor en dirección del polo celeste, (estrella polar), por queéste no tiene movimiento aparente, ni en altura ni en dirección, y el giroscopio aparecerá inmóvilapuntando hacia él. Esto último es lo que después hizo pensar a los inventores modernos en laaplicación del giroscopio como compás a bordo y obtuvieron un girocompás que, además de ser insensible a las múltiples perturbaciones que producen los movimientos del buque, fuera capaz deorientarse solo y mantenerse orientado, (en el plano horizontal, en dirección del meridiano), concualquier balance, a cualquier velocidad, a todos los rumbos y en todas las latitudes de la Tierra,excepto en los polos, donde no se orienta.

Principios Básicos que sustentan el funcionamiento del Girocompás

Propiedades de un cuerpo que rota:a) Precesión

b) Inercia o rigidez giroscópica

Propiedades de la Tierra:a) Gravedad terrestre

b) Rotación terrestre

La propiedad del trompo de mantener su eje apoyado en unsolo punto y aparentar que mientras baila no es influido por lagravedad terrestre llamó la atención por muchos años. Sóloen 1852, las experiencias del físico francés Foucault fueron lasprimeras en obtener resultados prácticos. Construyó ungiroscopio con 3º de libertad, montado sobre 3 ejesperpendiculares y con él demostró la rotación continua yuniforme de la Tierra alrededor de su eje. Estudió laspropiedades giroscópicas, enunció sus leyes y creyó

equivocadamente que esos fenómenos eran manifestacionesdel movimiento terrestre. Sus demostraciones ante la

Academia Real de Inglaterra produjeron gran entusiasmo enlos círculos científicos.

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Análisis de las propiedades

1. Rigidez o inercia giroscópica: Propiedad de los cuerpos que rotan, de mantener una soladirección al desplazarse, (mientras mantienen la fuerza que les impulsó). De esta manera, los ejesde dichos cuerpos también se mantienen orientados a una dirección fija. En el caso del girocompástodo el sistema está hecho para que su eje se mantenga apuntando al Norte verdadero. Así indicael Norte y los otros 359 rumbos de la rosa.

La rigidez puede explicarse también a través de la Primera Ley de Newton sobre movimiento, quedice: "Un cuerpo que está en reposo tiende a permanecer en reposo. Un cuerpo que está enmovimiento tiende a permanecer en movimiento uniforme y rectilíneo a menos que una fuerzaextraña lo saque de ese estado".

Nota : La rigidez o inercia giroscópica la podemos comprobar en forma práctica al hacer deslizar unarueda de bicicleta, un aro, o una moneda sobre una superficie lisa. El objeto, mientras mantenga lafuerza inicial que le hemos dado, tenderá a describir una línea recta mientras avanza.

2. PRECESION GIROSCOPICA: La ley dePrecesión dice: "Cuando un giroscopio se somete a una fuerza angular que trate de desviar ladirección en que está su eje de rotación, opone resistencia y su eje precede en direcciónperpendicular a la fuerza aplicada, hasta colocar, por el camino más corto, el plano y el sentido desu rotación en el plano y sentido de la fuerza. Esta propiedad puede quizás entenderse mejor,analizando la forma en que un niño maneja una rueda al jugar; él va corriendo junto a la rueda oanillo y le impone dirección mediante una guía. Cuando desea cambiarle dirección, debe aplicar una fuerza a 90º de la dirección que desea imponer.

Mientras gira, el eje del trompo está en una posición cercana a la vertical. Como el centro geométrico desu masa se encuentra muy por sobre el punto de apoyo (el piso sobre el cual gira), la fuerza de gravedad

terrestre tiende a hacerlo caer. Mientras el trompo mantiene su fuerza de rotación, el eje describirá uncono, que es característica de la fuerza llamada precesión.

El eje de rotación de nuestro planeta, al igualque el eje de un trompo, describe un cono,característico de la precesión. Ello, porque laTierra no tiene su masa simétricamentedistribuida. El eje de la Tierra también tiene unmovimiento vibratorio, conocido con elnombre de Nutación, el que se debe a

actividades sísmicas y a cambiosclimatológicos.

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a) PRECESION: Es una fuerza que tienen los cuerpos que rotan y de la cual podemosdestacar dos propiedades:

- Movimiento cónico del eje del rotor, cuando el centro geométrico de la masa del rotor no coincidecon el punto de apoyo, (caso del trompo).- Movimientos resultantes se producen a 90º de la dirección de la fuerza que se ha aplicado al rotor Ambas propiedades son analizadas a continuación:

1.- Si el punto de apoyo del rotor no coincide con el centro de gravedad de la masa de éste, el ejedescribe un cono. Este movimiento cónico del eje lo podemos apreciar en el trompo y en el planetaTierra.

Un trompo construido y montado en tal forma que su

centro de suspensión o punto de apoyo coincida con su centro de gravedad se llama “GIROSCOPIOELEMENTAL”. El construir un rotor así, elimina el movimiento cónico o precesión de su eje.

Si el centro de gravedad del rotor está por encima del punto de apoyo, (caso del trompo)

el movimiento de precesión es en el mismosentido que el de rotación. Si el centro degravedad está por debajo del punto de apoyo,el movimiento de precesión es en el sentidocontrario al de rotación. Se deduce por lógicaque si el centro de gravedad coincide con elpunto de apoyo no hay precesión. (Caso delrotor del girocompás, donde el centro degravedad de la masa coincide con el eje sobreel cual se apoya). En tal condición él estará enequilibrio indiferente; la gravedad actúa sobresu masa sin brazo de palanca, luego no tiene

momento y no producirá ningún efecto(precesión).

Si tenemos una rueda que pueda girar librementealrededor de un eje (en el plano vertical, como larueda de una bicicleta sobre el suelo), ysuspendemos este eje de sus dos extremos y luegolo montamos en dos anillos de suspensióncardan, obtenemos las dos condiciones deconstrucción del giroscopio: 1) El centro de

gravedad del rotor coincide con el eje sobre elcual rota. 2) El ejepuede colocarse en cualquier dirección delespacio. Edward Sang, de Edimburgo, en 1868,estableció que las propiedades del giroscopioeran independientes del movimiento de la Tierray que sus características obedecían solamente a

la Inercia y a efectos particulares delinstrumento.

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Corolario: Para que la gravedad no tenga efecto sobre el rotor alrededor de ninguno de los 3 ejes, elcentro de gravedad del rotor debe coincidir con el punto de intersección de los 3 ejes, punto que es a lavez el centro de suspensión del sistema.

Los fenómenos giroscópicos se manifiestan en todo cuerpo giratorio libre, pero son más notables enaquellos que poseen un gran momento angular. Luego, un giroscopio debe tener un rotor pesado, sumasa dispuesta lejos del centro de rotación y debe girar a gran velocidad.

La precesión se enmarca en la segunda Ley de Newton, que dice: “El cambio de movimientoexperimentado por un cuerpo es proporcional y en el mismo sentido de la fuerza que se le aplique”

Regla de Precesión: El movimiento precesional actúa en el plano a 90º respecto a la fuerza aplicadaen la dirección de rotación del volante. La dirección de precesión depende de la dirección de larotación del rotor y la dirección de la fuerza aplicada. Por tanto:

• Cuando se inclina, el giro precede

• Cuando se intenta girar, el giro se inclina.

2. Otra característica de la Precesión queexperimentan los cuerpos que rotan es el tipomovimiento que realiza el eje de rotación delrotor si se le aplica una fuerza . Las fuerzasaplicadas al eje fuera de su centro de suspensiónproducen el efecto de par giratorio, (reciben elnombre de Fuerzas Angulares). La fuerza “a” (ver gráfico), trata de bajar el extremo del eje derotación cercano al observador. Se puedereemplazar por la fuerza a’ aplicada en un puntodel rotor, perpendicular a su plano. Tiene elmismo efecto.

La fuerza “b” (ver gráfico), que trata de desviar hacia la izquierdael mismo extremo del eje de rotación, puede reemplazarse por lafuerza b’. En forma análoga podemos considerar las fuerzas “c” y“d”. En estas cuatro únicas direcciones podemos aplicar fuerzas

angulares al eje de rotación.

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Precesión: Término dado al movimiento resultante cuando se aplica un torque o fuerza a un cuerpoen rotación.

Razón de precesión: Es la cantidad de movimiento.1- Depende de la cantidad de fuerza aplicada.2- Momento angular ( Sólo si se le aplica velocidad variable)

La razón dependerá entonces de la fuerza aplicada.

Fuerza vertical hacia abajoproduce que el rotor preceda a

la derecha

Fuerza vertical hacia arribaproduce que el rotor preceda

a la Izquierda

zimuth Fuerza del eje horizontal Fuerza del eje Vertical resultante eje verticalControldel girós -copo por

precesión

(control

sobreAzimuth

y tilt)

(El eje del rotor busca el Norte, permitiéndonos obtener rumbo y azimuth)

Tilt Fuerza eje vertical Fuerza Eje Horizontal Resultante eje Horizontal eje de

rotación Tilt

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El Momento angular se puede calcular también con la siguiente fórmula

Donde:

Ma = Momento angular W = Velocidad angular del rotor en radianes/segundo (es variable, se la hace constante)M = Masa total del rotor (constante)K 2 = Radio de giro, (es constante porque es el radio del rotor)

MOMENTO ANGULAR = W x i.

El giroscopio elemental de Foucault fue un volante o rotor sólido al que se hizo girar en sentido delreloj en torno al eje Z, teniendo libertad de movimiento en los tres ejes, gracias a su montaje en un

sistema cardan. Un giroscopio de 3º de libertad es la base de todos los girocompases.Si al rotor se le imprime una alta velocidad, la propiedad “Rigidez o Inercia giroscópica” hace que eleje del rotor apunte a un punto fijo del espacio, aunque se mueva la base que lo sostiene

Los cuerpos en rotación que cumplen con la Ley de Newton, tienen un momento angular quepuede ser considerado como energía almacenada por este cuerpo para continuar en su planooriginal de rotación. Si la masa del rotor es girada sobre un eje a una velocidad angular “W”,medida en radianes por segundo (1 radián = 57,3º), se dice que posee un momento angular igual a

su velocidad angular por inercia, donde también se considera la masa y el radio de giro

Ma = W x M x K 2

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Se puede demostrar que a mayor momento angular del rotor, mayor será la oposición o reluctancia deleje del rotor, el que se niega a ser desplazado de su posición original, por lo tanto su factor de rigidezaumenta con el momento angular. En la práctica, una vez fabricada la masa del rotor (M), con un

radio determinado (K), estas dos características del rotor permanecen constantes y queda como únicavariable la velocidad angular. Es importante que la velocidad del rotor se mantengadentro de los niveles de tolerancia de modo que el momento angular permanezca en su valor calculado. (La tolerancia aceptable para un buen comportamiento del giro es +/- 20%. Variacionesmayores de velocidad del rotor causan error de girocompás)

La Rigidez se demuestra haciendo rotar un

giroscopio y, tomándolo de su montaje,dándole movimientos suaves que no influyanen la fricción de sus ejes: el eje de rotación noaltera la dirección en que se encuentra.También se demuestra la rigidez repitiendo el

experimento de Foucault: se apunta el eje derotación a una estrella cualquiera. El eje se

mantendrá apuntado a ella a pesar de larotación de la Tierra.

ROTACION APARENTE

Este dibujo tiene la virtud de ilustrarnos lo siguiente:Hemos hecho girar el rotor con una fuerza determinada,por rigidez el eje se mantiene orientado apuntando a unamisma dirección en el espacio, (usted puede ver que eleje en todos los casos permanece horizontal). Noobstante, esta posición del eje vista desde la superficie

terrestre parece cambiar. No ha sido el eje el que hacambiado su posición, ha sido la Tierra la que en 24horas ha dado una vuelta (rotación terrestre), fenómenoque origina esta “Rotación Aparente”.

Si una fuerza extraña interviene, la Rigidez no

opone ninguna resistencia, pues la Rigidez noes fuerza , sino un estado de inercia. Si el rotor no está rotando, también manifiesta rigidez,

siempre que su masa esté perfectamente balanceada (equilibrio indiferente), y siempre

que no exista fricción en los descansos de los 3ejes.

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LEY DE ROTACIÓN APARENTE: El eje de rotación de un giroscopio libre, en una latitudcualquiera, sino se coloca paralelo al eje terrestre, gira alrededor de una recta que pasa por su centro,paralela al eje de la Tierra, en sentido retrógrado completando una vuelta en 24 horas. (Leyenunciada por Foucault y que generaliza los fenómenos explicados).

POSICION DE REPOSO: Aquella en que el eje de un giroscopio no demuestra rotación aparente ypermanece fijo con respecto a la superficie de la Tierra, es decir no se mueve en inclinación, ni semueve en dirección con la rotación de la Tierra. Se obtiene posición de reposo cuando se coloca el ejedel rotor paralelo al eje de la Tierra, o sea:

1. En el Ecuador, el eje de rotación horizontal dirigido de Norte a Sur 2. Eje de rotación en posición vertical, en el polo

3. En cualquier latitud, eje de Norte a Sur e inclinado con la horizontal un ángulo igual a la latitud.

Tanto en la rotación aparente como en la posición de reposo, han actuado solamente dos factores:Rotación de la Tierra y Rigidez giroscópica.

Teoría del girocompás: Sin considerar el tipo ni antigüedad del girocompás, se debe comprender quepresentan las mismas características teóricas. Para que un giróscopo actúe como un girocompás, esnecesario controlarlo, tanto en la parte mecánica, como en la eléctrica, de modo que su eje de rotación

permanezca nivelado con exactitud y en el meridiano Norte – Sur, sin ser afectado por:

Al estar girando el rotor, su eje se mantiene apuntando aun punto fijo del espacio. Si proyectamos el eje a un

telón, en 24 horas observaremos que el eje describe uncírculo sobre dicho telón. No obstante, no es el eje el queha cambiado de posición. Como el telón está fijo a lasuperficie terrestre, el movimiento aparente del eje loocasiona la rotación terrestre. Es el telón el que se ha

movido, no el eje del rotor.

DIAGRAMA POLAR: Se llama diagrama polar algráfico que describe la trayectoria de uno de los

extremos del eje de rotación del giroscopio sobre unplano perpendicular al eje terrestre, durante surotación aparente. Sirve para demostrar la Ley derotación aparente. Esta trayectoria es un círculodescrito en 24 horas alrededor de una paralela al ejeterrestre; por tanto el centro del diagrama polar es laintersección de esa recta con el plano del diagrama y la

posición del centro del diagrama con respecto al planohorizontal depende de la inclinación de esa recta,inclinación que depende de la Latitud del lugar.

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a) La rotación de la Tierra b) Los cambios de; latitud, velocidad, rumbo y aceleración del buque.c) Movimiento del buque (debido a condiciones del mar, balances, cabeceos, etc.)

d) La deriva (abatimiento) del girocompás debido a desbalanceamiento de masa, fricción enmovimiento de cardanes, etc.

Error de Latitud: Es un desvío permanente y variable con la Latitud, que deja al eje del girocompásfuera del meridiano. Se debe exclusivamente a la excentricidad del pivote, o sea, al sistema deamortiguamiento que tienen los girocompases y no a la Latitud como pudiera creerse por su nombre.Se le ha llamado Error de Latitud por que varía con la tangente de la Latitud. El error no existiría sino existiera la excentricidad del pivote, aun cuando hubiese cambio en la Latitud

Respecto a Latitud se debe considerar que la Tierra en el Ecuador gira a 900 nudos y en los Polos lavelocidad de rotación es cero. Por esto el girocompás tiene corrector de Latitud. El límite de lacorrección de Latitud es 75º Norte o Sur. De 75º hacia el Norte o hacia el Sur el girocompás “se cae”,

queda como giro inercial. En los Polos el girocompás queda con el eje vertical, por lo que no indica elNorte verdadero.

En el gráfico, en el caso 1, AC representa la dirección y distancia en que un buque se mueve en una

hora debido a la rotación de la Tierra. Esto es, aproximadamente, a 900 millas x hora, estando en el

Ecuador.

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AB representa la distancia y dirección en que se traslada el buque debido a su propia velocidad en unahora. En este caso el rumbo es Norte.Sumados el vector AC con el vector AB, al término de una hora el buque estará en el punto D, es

decir, mirado desde el espacio, el buque se ha movido desde A hasta D.AN indica la dirección del meridiano verdadero.

AE forma un ángulo recto con AD y representa a un meridiano aparente. Si el girocompás en vez deapuntar hacia N, apunta hacia E, tendrá un error hacia el Weste. El error siempre tendrá signo Weste,cualquiera sea el hemisferio en que se navegue cuando el rumbo del buque sea total o parcialmentehacia el Norte. En cambio, cuando lo es hacia el Sur el error es Este.

En el mismo gráfico, caso 2, se representa al mismo buque navegando al Norte, vector AB, a la mismavelocidad que en el caso 1, pero en una latitud intermedia, donde la velocidad de rotación es la mitadque en el caso 1. El error en este caso es mucho más grande.A medida que el rumbo se acerca al Este, el error disminuye, hasta ser cero cuando se navegue alEste, (Rumbo 090º).

En consecuencia, el error de Latitud – Velocidad y Rumbo, depende:1º De la velocidad propia del buque. El error aumento con el aumento de velocidad.

2º De la Latitud. El error de agranda con el aumento de Latitud.

3º Del rumbo del buque. El error es mayor mientras más cercano al Norte o al Sur sea éste. Todos losgirocompases vienen equipados con dispositivos para corregir estos aspectos.

El giróscopo libre y el efecto de las razones de la Tierra.

Como hemos visto, debido al efecto de la rotación de la Tierra, aparentemente varía la posición deleje de rotación del rotor. Los movimientos aparentes del eje de rotación ocurren alrededor de los ejes

vertical y horizontal, y se refieren a:

Deriva aparente o efecto VER, (vertical): Movimiento del eje de rotación sobre su eje cardán vertical,

como un movimiento en azimuth cuando se cambia el rumbo. Es un movimiento aparente, porquecomo se sabe el eje del rotor de girocompás se mantiene fijo al Norte. En otras palabras, cada vez quecambiamos de rumbo, pareciera ser que la rosa del girocompás se mueve. Este movimiento esaparente. No es la rosa la que se está moviendo, sino el buque. La velocidad de movimiento esmáxima en los Polos y cero en el Ecuador.

Efecto VER = 15 x sen Lat = X grados/hora El sentido de giro del efecto VER en el hemisferio Sur es opuesto al del hemisferio Norte.

Inclinación aparente o efecto HER (horizontal): Movimiento del eje de rotación sobre su eje cardán

horizontal, como un movimiento hacia arriba o abajo (según ley de precesión, resulta a 90º). Se puedeestablecer posteriormente que estos movimientos angulares ocurrirán a una razón proporcional a lalatitud (360º/24hrs. = 15º/hora, razón de movimiento de la Tierra). La velocidad de movimiento escero en los Polos, (una persona ubicada sobre uno de los Polos giraría sobre ella misma) y máxima enel Ecuador (900 nudos), si se desplaza en el eje Weste–Este, (una persona ubicada en el Ecuador, gira

a la misma velocidad de la Tierra, a 900 nudos). Efecto HER = 15 x cos Lat = X grados/hora El sentido de giro del efecto HER permanece constante en ambos hemisferios y actúa sobre el ejehorizontal Norte Sur local de la Tierra.

Considerando el giróscopo en diferentes latitudes: Un giróscopo modelo ubicado a diferenteslatitudes, en un anillo meridiano, girando a una rotación de la Tierra simulada, nos demuestra que los

movimientos aparentes del eje de rotación, obedecerán a los efectos VER y HER.

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Estos movimientos aparentes son velocidades angulares del eje de rotación sobre sus ejes cardanes yson iguales y opuestos a la componente de la razón vertical y horizontal de la rotación de la Tierra, enun punto de la superficie de ésta. El girocompás, haciendo uso de estas fuerzas angulares busca el

Norte, lo busca en un círculo, el que gracias al amortiguamiento se transformará en una elipse, que iráreduciéndose hasta convertirse en un punto, que se supone es la dirección Norte. Este proceso daforma a la curva de amortiguamiento.

Meridiano

Curva buscadora del Norte(iguales y opuestas son las fuerzas del rotor versus las fuerzas de la Tierra).

En el gráfico: El primer peak representa la máxima desviación del instrumento respecto al norteverdadero, (actúa la fuerza VER). El segundo peak es un 68% del primero, el tercero es un 68% del

segundo, y así sucesivamente, hasta que la onda se transforma en línea. En ese momento el

girocompás estará apuntando al norte verdadero. Esta curva grafica el proceso de amortiguamiento, elque es producido por mercurio (balístico de mercurio) en los girocompases antiguos y por señaleselectrónicas en los modernos. Este proceso, mostrado en el gráfico, tiene una duración de 3 a 5 horas,

dependiendo esta duración de lo moderno que sea el girocompás.

Periodo del Girocompás: Recibe el nombre de periodo la duración en minutos entre el primer y elsegundo peak de la curva, (ver gráfico anterior). Viene establecido en el manual del instrumento.Puede ser de unos 84,4 minutos, por ejemplo.

La prueba de amortiguamiento que se hace al girocompás, es parecida a la prueba de estabilidad quese efectúa a la rosa del compás magnético. Se desvía el 000º del girocompás unos 38º respecto al norte

y cronómetro en mano, se calcula la duración del periodo.

Corrección por el efecto de la razón vertical de la Tierra: Si el eje de rotación de un giróscopo libre

es ubicado en forma horizontal con su extremo Norte apuntando a lo largo del meridiano en direcciónNorte – Sur, se puede ver que se moverá alejándose del meridiano a una velocidad igual al VER.

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Para convertir el giróscopo libre en un girocompás básico, es necesario aplicar una precesión enazimuth igual y opuesta a la razón de deriva aparente o efecto VER. Produce una precesión hacia elWeste en el hemisferio Norte y hacia el Este en el Sur.

Efecto de la razón horizontal de la Tierra : Si un giróscopo está liberado en el meridiano y el efecto dederiva (VER) está corregido, se puede apreciar que el HER no tiene efecto en el eje de rotación. Si eleje de rotación del giróscopo se mueve alejándose del meridiano, será afectado por el HER y seinclinará o elevará de acuerdo a la dirección de desplazamiento del meridiano. La razón deinclinación sería directamente proporcional al HER en esa latitud y al ángulo de desplazamiento del

meridiano.

CONVERSIÓN DE UN GIRÓSCOPO LIBRE EN UN GIROCOMPÁS

Requerimientos para ser un giróscopo buscador del Norte: Sin importar el tipo de giróscopo o laexactitud de la corrección de la razón por deriva, es físicamente imposible para el eje de rotación

permanecer en el meridiano, (debido al HER y al VER).Si el eje se mueve alejándose del meridiano, se inclinará debido al efecto del HER. Para hacer uso deeste efecto se debe emplear un control que detecte la inclinación y preceda al eje devolviéndolo al

meridiano.El control es iniciado por dispositivos de gravedad, pudiendo éstos tener forma de pesos sólidos,líquidos o detector de nivel eléctrico.

Un peso colocado en un extremo del eje de rotación produce precesión continua en unmismo sentido. En vez de un peso sólido puede colocarse un vaso con mercurio en cadaextremo del eje de rotación, ambos vasos comunicados por un delgado tuvo inferior. Elmercurio se trasladará de un vaso a otro cada vez que se incline el eje a causa de la rotaciónaparente. El objeto del balístico de mercurio es hacer preceder el eje de rotación hacia elmeridiano. Con el balístico se provoca intencionalmente un desequilibrio en el giroscopio

elemental y se hace intervenir la fuerza gravedad de la Tierra para orientarlo

Curva no amortiguada: En el telón el eje del rotor en 24 hrs. describe un círculo cuando al giróscopono se le ha aplicado el efecto de la fuerza de

gravedad a través de un peso sólido, el balístico demercurio o un dispositivo electrónico.

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Balístico de Mercurio: Sistema que consiste en cuatro vasoscon mercurio, intercomunicados entre sí. Sobre ellos actúa lafuerza de gravedad. El balístico es sostenido por el ElementoFantasma o Seguidor. En los girocompases modernos, estafunción es cumplida por un dispositivo electrónico. (Elmercurio era lento, no reaccionaba a tiempo)

La Tierra efectúa su movimiento de rotación. Visto desde elespacio exterior, el eje vertical del giróscopo cambia deposición, mientras el rotor mantiene siempre la vertical,

gracias al efecto de la gravedad sobre los vasos con mercurio.

Para hacer que el girocompás encuentre el Norte verdadero, es necesario amortiguar las oscilacionesde modo que el eje quede finalmente nivelado y orientado en el meridiano.

El amortiguamiento se logra introduciendo una precesión que siempre se opondrá a cualquier inclinación existente.

El Compás Amortiguado: La precesión de amortiguamiento requerida en la inclinación, se obtiene

aplicando una pequeña pero constante proporción de señal o torque (fuerza) de control principal. Enlos girocompases básicos el punto de aplicación de los vástagos de empuje del control del balístico

están desalineados 1/10 de pulgada al Este de la caja vertical del giróscopo (pivote excéntrico).Con los balísticos de mercurio, el girocompás con pivote céntrico se orientaba a un meridiano falso,quedando con error, (porque intervenia peso o gravedad). Por ello, los fabricantes corren el pivote1/10 de pulgada al Este

Amortiguamiento Moderno: En los girocompases modernos, una parte de la señal principal decontrol de meridiano se aplica como una señal separada a un torqueador (bobina), que produce eltorque precesional de amortiguamiento requerido. Ambos métodos (básico y moderno) dan un % deamortiguamiento como sigue.En girocompases básicos es de 55% a 60% (balístico de mercurio).

En girocompases modernos es de 68% a 70% (con señal electrónica)Ambos datos están considerados para una latitud 52º.

El cálculo de amortiguamiento lo hace la fábrica (Sperry en Virginia, 52º de latitud Norte) enTalcahuano la situación es distinta

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Giro-esfera

La esfera, al flotar, no tiene problemas de roce del eje, de rodamientos y no la afectan balances y

cabeceos de la nave.

Ahora se usa gas, (helio). El giro está suspendido en gas. Así se evita usar líquido, que se vuelveobsoleto al cumplir unas 20.000hrs trabajo. Con gas se puede extender a unas 80.000hrs el trabajo. Enla actualidad el tiempo de orientación de un girocompás Anschutz estándar – 20) es de unos 30

minutos. Este tipo de instrumento usa acelerómetro, que permite el amortiguamiento por péndulofoto sensor.

ORIENTACION INERCIAL POR LASER

El elemento principal del sistema RLG es un bloque de material semejante al vidrio, técnicamenteestable, de forma cuadrada o triangular. La pieza tiene practicada en su interior una cavidad circular que forma un anillo y que se llena con un gas "laserizante" de helio-neón a baja presión. La acciónláser se genera por medio de una descarga eléctrica entre un catado y dos nodos, produciéndose doshaces de luz de rotación opuesta por subsecuentes reflexiones en espejos piezoeléctricos que controlanla longitud de las trayectorias.Al fabricar este dispositivo, se ha decidido por una trayectoria triangular del láser, aceptando así un

giroscopio ligeramente mayor a cambio de un menor número de espejos y de un costo de fabricaciónmás reducido.

Los haces de luz rotativos se usan para detectar movimiento angular y constituyen un sensor develocidad angular de estado sólido cuya fiabilidad es tres veces superior a la de un giroscopio

electromecánico de masa rotatoria. Cuando el RLG está en reposo, los dos haces láser resuenan a lamisma frecuencia. Al tener lugar la rotación del giroláser sobre su eje, uno de sus haces sigue una rutaligeramente mayor que la del otro. Esto provoca la alteración de las frecuencias resonantes de loshaces, aumentando una y disminuyendo la otra. Cuando se combinan los haces, esa diferenciaproduce una figura de interferencia. Un sensor óptico cuenta las franjas ópticas resultantes y envía unalectura digital proporcional a la velocidad angular del giroláser. Al aumentar la longitud de la

trayectoria del láser, lo hace también la precisión del RLG.

PRUEBAS EXITOSAS: En los diez años últimos, se ha concebido muchos tipos de giroscopios conlongitudes de trayectorias que varían desde 120 mm. para aplicaciones a misiles hasta 700 mm., que

Esfera portadora del líquido especial que

permite la flotación de la esfera interior. Ellíquido es conductor de electricidad, (23% deglicerina, 60% de agua destilada, unaporción de acido benzoico y otra de aditivoconductivo

Bobina detección

Nivellíquido

Esfera noestá llenacon

balancescompensa,

(no tiene balístico)

Línea Ecuatorial

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son apropiadas para los sistemas de navegación inercial con precisión extraordinariamente elevada.Ya en 1980 se hicieron con éxito pruebas de vuelo con un sistema de navegación RLG para aviones yen 1981 se entregó al Real Instituto de Aeronáutica, de Farnborough (sur de Inglaterra), un prototipo

de sistema láser de navegación inercial (LINS) de 430 mm. para someterlo a toda clase de pruebas devuelo. Finalmente, se acabó por elegir, tras considerables evaluaciones de rendimiento, un RLG de300 mm. como sensor primario de su sistema LINS que se emplea hoy para aviación.El LINS actual hace uso de tres giroláseres y tres acelerómetros lineales que se "embridan" a la célula,lo que ha dado origen a la designación “RLG strapdown system” (sistema RLG embridado). La salidadigital, la sensibilidad independiente de valores anormales de la gravitación y la tolerancia a altasvelocidades de entrada, hace que el RLG satisfaga los requisitos de alto rendimiento impuestos por losaviones modernos, bien corno sistema de navegación autónomo, bien asociado a otras ayudas, comoel sistema de adaptación al perfil del terreno (TERPROM).Además de las pruebas en aviones, se acometieron varios estudios para averiguar si los sistemas RLGembridados serían idóneos para sustituir los giroscopios electromecánicos que estaban entonces en

servicio de la Marina.

Estos estudios llegaron con relativa rapidez a la conclusión de que dichos sistemas podrían funcionar muy bien en buques de superficie y en submarinos, aunque para dar validez a esta conclusión habíaque considerar una cuestión fundamental. Así como la duración de vuelo de los reactores yhelicópteros rápidos es de varias horas, los buques, y en especial los submarinos, pueden tener queconfiar en sus sistemas de navegación inercial durante períodos de 30 a 100 horas. Esto significaba que

los requisitos de precisión de posición impuestos por el marino son diez veces mayores que los delaviador que usa un LINS normal de avión.

RENDIMIENTO v/s COSTO: Es posible mejorar el rendimiento del RLG por varios métodos pero,como ocurre con muchos otros inventos modernos, el costo para el usuario final es una consideraciónque se impone a todas las demás. Un método relativamente simple de mejorar el rendimiento del

sistema sería prolongar la longitud de la trayectoria óptica del giroláser.

Pero esto se traduciría en un aumento del tamaño, peso y consumo de energía eléctrica de la totalidaddel sistema de navegación, factores todos ellos que bien podrían disuadir al posible usuario. Por otraparte, el número relativamente pequeño que haría falta inicialmente para uso naval podría hacer muypoco atractiva para el fabricante la limitada producción de ellos.

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Un segundo método, que parece más lógico, es el que se fundamentase en una unidad estándar dereferencia inercial RLG de las que ya se fabrican como el bloque de giroláser de 300 mm. que

actualmente se suministra a la empresa Westland, en el suroeste de Inglaterra, para su programa dehelicópteros EH 101- y aumentar sus prestaciones generales. Esto se podía lograr indexando loserrores sistemáticos del giroláser, introduciendo un amortiguamiento logarítmico preciso, aumentandola capacidad procesadora y mejorando los estados de filtro de Kalman.El resultado de esto sería un diseño compacto, ligero y de gran rendimiento que se beneficiaríaeconómicamente de las mucho más grandes series de producción asociadas a los programas LINS

para aviación.Una ventaja que se derivaría para la Marina de Guerra sería la intercambiabilidad entre giroláseres de

buques y aviones y los considerables ahorros que se harían en el mantenimiento de repuestos y en elapoyo técnico. Un importante equipo de ingenieros se ha venido concentrando en el desarrollo desistemas embridables RLG para la navegación marina, y en los últimos 18 meses ha producido unmodelo para ensayos en el mar, que se ha instalado en el buque de pruebas Colonel Templar del RealInstituto de Aeronáutica. Durante un viaje desde Newhaven, en el sureste de Inglaterra, a Gibraltar yregreso, se invirtieron varios días siguiendo rutas norte sur y este-weste para averiguar todas lasposibilidades del sistema. Los resultados fueron muy estimulantes y todavía se están analizandoprofundamente los datos obtenidos.

Las principales ventajas que se aducen para el RLG sobre sus homólogos electromecánicos puedenresumirse como sigue:- Bajo costo unitario.

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- Bajo costo durante todo su tiempo útil de servicio.- Alta precisión.- Gran fiabilidad.

- Unidad de configuración embridable de estado sólido.- Pocas piezas móviles.- Rápida alineación con tiempo frío.- Medios completos de actualización de los datos de Satélite de Posicionado Global (GPS)/ Transit.

El sistema ha sido diseñado para que sea compatible con cualquier plataforma marina que usefundamentalmente un solo canal de interfaz con el sistema multiplex colector de datos digitales enserie del buque.Acepta entradas para la rápida alineación de la sincronización en tiempo, velocidad por corredera,actualización de posición, profundidad y rumbo. Las salidas de datos que proporciona son de posicióngeográfica, velocidad con respecto al fondo, derrota del buque, balance y régimen de balance, cabeceo

y régimen de cabeceo, aceleración y precisión de posición estimada.

La precisión de navegación que se da para el sistema, que puede trabajar entre 0º y 65ºC y con unahumedad relativa de hasta el 95 por 100, es:Posición : 1,8 Km. en 24 horasRumbo : 4 minutos de arco

Velocidad Vertical : 0,3m/s de la CEP (probabilidad de error circular)Margen Dinámico : 0,001º/s-400º/s

El consumo de energía es, como máximo, de 150 vatios y la fiabilidad dada para el sistema comotiempo medio entre fallos es de 2.500 horas con un tiempo medio de reparación de sólo 30 minutos

Girocompás con piloto automático

combinado

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