GIROBUSSOLA (gyro)
La girobussola è stata inventata nel 1891 da Elmer Sperry e sfrutta le proprietà dei giroscopi per indicare sempre il Nord vero.
Infatti, si tratta di una bussola elettronica che, a vantaggio rispetto alla bussola magnetica, non risente dell'azione del campo magnetico terrestre, né di quello di bordo; facilitando la navigazione in quanto fornisce già i valori veri di rotte e rilevamenti / azimut. Nonostante ciò subisce comunque una piccola deviazione dovuta a rotta e velocità della nave.
Elementi costruttivi
La girobussola non è altro che un giroscopio e dunque è composta esattamente dei suoi stessi due elementi:
- Il girostato
- La sospensione cardanica
Il girostato è un disco o un anello capace di ruotare (grazie ad un piccolo motore elettrico) molto rapidamente attorno ad un asse definito come asse di spin.
La sospensione cardanica (vedi foto) è invece un sistema di anelli concentrici con assi disposti fra loro a 90°, che permette al girostato i 3 gradi di libertà tipici dei giroscopi, ovvero:
- Ruotare attorno all'asse verticale
- Ruotare attorno all'asse orizzontale
- Ruotare attorno all'asse trasversale
Proprietà giroscopiche
La girobussola sfrutta due proprietà fisiche per mantenere il suo allineamento con il Nord vero:
- Inerzia giroscopica: ponendo in rapida rotazione il girostato, anche al movimento della sospensione cardanica, l'asse di spin manterrà costante la sua direzione (es. puntandolo verso una stella fissa, questo apparirà ruotare nell'arco delle 24h, ma in realtà sta mantenendo costante la sua direzione, è la Terra a ruotare).
- Precessione giroscopica: ponendo in rapida rotazione in girostato, applicando una coppia sull'asse di spin (es. un peso), il girostato assumerà un movimento a 90° rispetto alla direzione della coppia applicata.
Per spiegare meglio la precessione giroscopica si immagini di porre l'asse di spin di un girostato in rapida rotazione orizzontalmente, vincolando una sua estremità ad un supporto, lasciando sospesa l'altra. Applicando un peso (e quindi una coppia) all'estremità libera, il girostato non cadrà, ma bensì inizierà a ruotare disegnando sul piano orizzontale una circonferenza avente come centro l'estremità vincolata. L'esempio è riportato nell'immagine che segue.
Il giroscopio a bordo: la girobussola
A bordo, la sospensione cardanica offre al girostato solo 2 gradi di libertà: infatti il tutto è vincolato su un piano orizzontale parallelo alla nave mediante zavorramento del giroscopio sospeso in un fluido particolare.
Essendo appunto vincolato ad un certo piano orizzontale, il giroscopio della gyro risente della coppia applicata dalla rotazione terrestre, ovvero della rotazione del piano dell'osservatore.
Questa coppia causa l'innesco di un movimento di precessione giroscopica (analizzato poco più su), portando l'asse di spin ad allinearsi verso il Nord vero e a stabilizzarsi grazie ad alcuni sistemi di smorzamento come l'immersione in un fluido viscoso.
Allineamento della girobussola
Quando, dopo un lungo periodo di sosta, si rende necessario accendere nuovamente la gyro, il suo asse di spin non sarà più allineato con il Nord vero, ma si troverà sfasato di certo angolo detto elongazione o digressione e per questo è necessario attendere un certo tempo di allineamento prima di utilizzarla.
Di fatto l'asse di spin impiega circa 200-250 min per smorzarsi completamente.
Partendo da una certa digressione massima (E/W) rispetto al Nord vero, l'asse di spin intraprenderà un moto oscillatorio, causato dalla precessione giroscopica, che andrà via via smorzandosi secondo un fattore di smorzamento (Fsm), definito grazie alle caratteristiche costruttive della gyro, che mediamente ha un valore pari a 3.
Il tempo impiegato dal moto di precessione a compiere una circonferenza completa è definito periodo di orientamento (T) e si aggira solitamente intorno ai 100 min. Quindi, per raggiungere una nuova digressione massima smorzata dal cardine opposto (quindi a compiere mezza circonferenza) impiegherà un tempo pari a T/2.
L'ampiezza della digressione massima va via via riducendosi fino a raggiungere l'allineamento con l'asse del Nord vero. La gyro si può considerare allineata quando raggiunge un errore di circa 1° rispetto al Nord vero.
Calcolo del tempo di allineamento
Si consideri una girobussola avente fattore di smorzamento (Fsm) pari a 2.6 e periodo di orientamento (T) di 100 min. Calcolare il tempo di allineamento considerando una digressione massima iniziale di 090°E
Controllo della gyro e correttore automatico
Al fine di controllare il corretto funzionamento della girobussola è sufficiente confrontare un rilevamento vero noto e il valore del rilevamento gyro per il medesimo oggetto, ottenendo così la Correzione gyro (Cg). Se questa risulta pari o molto prossima a zero si può considerare la bussola funzionante. E' possibile anche effettuare il controllo della gyro con metodi astronomici.
Occorre però tenere a mente che la girobussola risente nel suo allineamento della velocità e della rotta della nave, per questo esistono correttori automatici che normalmente in navigazione restano inseriti, capaci di compensare automaticamente questa deviazione.
Nel caso in cui il correttore automatico fosse disinserito per una qualsiasi ragione, esiste una formula per calcolare la Deviazione gyro (δg). Si può utilizzare sia la formula corretta, sia quella approssimata ottenendo comunque un risultato più che accettabile.
Esercizio controllo girobussola
