Translate

Sunday, May 17, 2020

GYRO COMPASS NOTES

                     Free gyro  principle
 It  has 3  degrees of  freedom: 
1.  It  is free  to  spin about spinning axis, i.e.  spin. 
2.  It  is free  to  rotate about  vertical axis,  i.e.  drift. 
3.  It  is free  to  rotate about  horizontal axis, i.e. tilt. 

Properties  of  a free gyro 
1.  Gyroscopic inertia(Rigidity in  space)
This  is  the  property  that  keeps  the  gyro  spin  axis  direction  fixed  in  space,  even  though the gimbals are  moved. (When no  force  is exerted  on spin  axis direct) 
2.  Precession 
Precession  is  the  term  used  to  describe  the  movement  of  the  axle  of  a  gyro  under  the influence  of  an  external  force.  The  direction  of  torque  (force)  on  a  free  gyro  rotor  will  be 90  degrees  different  to  the  direction  of  its  effect,  i.e.  if  we  apply  a  torque  about horizontal  axis,  the  direction  of  movement  will  be  around  vertical  axis.  Here  is  said  that gyre  is precessed  around vertical axis or vice versa.

Gyro axis  movement at  different locations on the  earth 

At  poles 

1.  With  gyro  spin  axis  settled  parallel  to  earth’s  surface:  Gyro  drifts  at  the  rate  of  15°/h (360°  in 24  hours) &  No  tilt. 
2.  With  spin  axis  settled  vertical  to  the  earth’s  surface:  There  will  be  no  apparent movement of gyro spin  axis (no  drift &  no  tilt). Drift=15°/h sin (latitude) 

On equator 

1.  With  spin  axis  parallel  to  earth  and  at  E-W  direction:    There  will  be  maximum  tilt  (15°/h) & no  drift. 
2.  With spin  axis in N-S direction pointing the pole star:  There  will be no tilt  and no drift. 

        Tilt=15°/h cos  (latitude)  sin (azimuth) 

Remarks Note 
1:  Drift in northern hemisphere is  always eastward and in south  hemisphere  is westward. Note  
2:  If  spin  axis  points  east  of  the  meridian  the  rate  of  tilt  is  upwards  and  if  it  points  west  of meridian  rate of tilt  is downwards. 


Control Forces 
1.  Top Heavy  Control Force 
When  spin  axis  is  parallel  to  the  earth’s  surface  then  Gw  and  gR  are  in  one  direction  and no force  is applied to  rotor south  end or north end. 
If  the  gyro  spin  axis  tilts  up,  then  Gw  and  gR  are  no  more  in  one  line.  A  force  is  applied  to the  south  end  of  axis.  The  precession  of  north  end  of  axis  will  be  towards  the  paper. (Westwards) 


2.  Bottom Heavy Control Force 

When  spin  axis  is  parallel  to  earth’s  surface,  then  Gw  and  gR  are  in  one  line,  no  force  is exerted to  spin  axis. 
If  the  gyro  tilts  up,  then  Gw  and  gR  are  no  more  in  one  line.  As  seen  it  is  like  a  force  is applied to  north end of gyro axle. The precession will be inside the paper.  (Westwards) 


Top  heavy  control  using  Liquid  Ballistic  Method

 Simple  methods  of  control  are  not  practical  in  commercial  compasses,  because  of  the  problems encountered  with  ship’s  movement.  An  improvement  is  to  use  a  LIQUID  BALLASTIC  to  give  a form of  gravity as shown below.  (Used in Sperry) 

Liquid  flows  between  the  north  and  south  ends  of  the  rotor  under  the  influence  of  gravity, when the  gyro has  an angle of  tilt. 

The  principle  is  similar  to  that  of  top  heavy  gyro.  The  rotor  spin  direction  is  clockwise,  as  seen from  north  end,  and  hence  when  the  gyro  tilts  up,  it  will  produce  a  precession  which  moves  the north end of  spin  axis to  the west. The  advantage  of  the  system  is  that  the  liquid  is  chosen  such  that  it  is  slow  to  respond  to sudden  changes  caused  by  ship’s  movement  but  will  still  respond  to  gradual  changes  produced by the  earth’s movement.   

Movement of  the controlled  or  north seeking gyro 

The  figure  shows  the  movement  of  the  projection  of  the  spin  axis  of  a  controlled  gyro  in  the northern  hemisphere.  The  gyro  was  initially  set  up  parallel  to  the  earth’s  surface  pointing slightly east  of the meridian.

The following abbreviations  are  used in the figure: 

Pc:  Represents  the  gyro’s  precession  due  to  the  control  force.  This  depends  on  the  gyro’s  angle of tilt. 
D:  Represents  the  gyro’s  rate  of  drift  due  to  the  earth’s  rotation.  The  nearer  gyro’s  angle  of  tilt to the elevation of the  pole star, the less rate of drift. 
T:  Represents  the  rate  of  change  and  direction  of  tilt.  It  depends  on  how  far  in  azimuth  the  gyro is from  the meridian. 
Point  1:  This  is  where  the  gyro  was  initially  set  up,  slightly  to  the  east  of  meridian,  but  parallel to  the  earth’s  surface.  The  control  precession  Pc  will  be  zero.  D  &  T  will  be  the  same  as  for  the free  gyro. 
Point  2:  The  gyro  has  now  gained  an  angle  of  tilt,  therefore  a  control  force  is  developed  which will  produce  precession  Pc  opposing  the  eastward  drift.  The  rate  of  drift  “D”  will  have  decreased because  the  gyro  is  closer  to  the  elevation  of  pole  star.  The  rate  of  tilt  upwards  will  have increased, because  the gyro is  pointing further east  of the meridian. 
Point  3:  The  angle  of  tilt  has  increased  such  that  Pc  now  equals  D,  so  there  is  no  further eastward drift. The rate of tilt  is therefore at its maximum  upwards. 
Point  4:  The  angle  of  tilt  is  now  such  that  Pc  is  greater  than  D,  which  is  still  reducing  as  the  gyro approaches the  elevation  of the  pole  star. The gyro moves westward  towards  the  meridian.  This reduces  the rate of tilt  increase upwards. 

Point  5:  The  westward  movement  has  brought  the  gyro  to  the  meridian,  which  means  there  is no  increase  in  tilt.  The  angle  of  tilt  is  now  a  maximum  and  therefore  D  is  a  minimum  and  Pc  is  a maximum. The gyro therefore continues its westward movement past the meridian. 

Point  6:  The  gyro is  west of the meridian, therefore the rate  of change of  tilt is increasing,  but in a downwards direction,  reducing the  angle of tilt.  The reduction in  angle  of tilt  reduces Pc and increases D, thus  reducing the rate of westward movement. 

Point  7:  The  angle  of  tilt  has  decreased  such  that  Pc  equals  D.  This  is  the  most  westward  the gyro will travel. Therefore  the rate of decrease in tilt T  is at its maximum. 

Point  8:  The  angle  of tilt  has  decreased  such  that  Pc is  less  than  D,  and  the  gyro  drifts  eastwards. This  movement towards the meridian reduces the rate of decrease  in angle of tilt. 

Point  9:  The  gyro  is  again  parallel  to  the  earth’s  surface,  so  Pc  is  zero.  The  spin  axis  is  pointing west  of  the  meridian,  so  the  movement  of  tilt  is  still  downwards.  The  drift  D  is  to  the  east  and increasing as the spin axis moves away  from the pole star. 

Point  10:  The  gyro  has  again  reached  the  meridian,  so  there  is  no  further  change  in  tilt.  The angle  of  tilt  is  downward,  so  Pc  now  assists  the  eastward  drift.  This  is  a  maximum  since  the gyro’s  elevation  is  as  far  below  the  pole  star  as  it  will  reach.  The  gyro  therefore  moves  past  the meridian back to point 1. The  gyro  will  then  repeat  its  path  around  the  ellipse,  continuously  moving  around  the  meridian. The controlled gyro is  therefore  said to  be NORTH SEEKING. 











No comments:

Post a Comment