Γυροσκοπική πυξίδα

Ιστορικό

Η κατασκευή της γυροσκοπικής πυξίδας βασίστηκε στις ιδιότητες του γυροσκοπίου που επινόησε και κατασκεύασε ο Λέων Φουκώ (1816-1869), ο οποίος το 1851 ασχολούμενος με την απόδειξη περιστροφής της Γης περί τον άξονά της χρησιμοποίησε την ιδιότητα του εκκρεμούς που διατηρούσε το επίπεδο αιώρησής του, (στο χώρο), σταθερό, με το γνωστό πείραμα που επιχείρησε στο Πάνθεον των Παρισίων.
 
Επειδή όμως το πείραμα εκείνο δεν θεωρήθηκε απόλυτα ικανοποιητικό, λόγω της συνύπαρξης της βαρύτητας, τον επόμενο χρόνο, το 1852 χρησιμοποιώντας το παιγνίδι "σβούρα", (spinning top), κατασκεύασε το γυροσκόπιο όπου με τη βασική ιδιότητα που παρατηρείται σ΄ αυτό, της λεγόμενης γυροσκοπικής αδράνειας, κατάφερε ν΄ αποδείξει εκ νέου την περιστροφή της Γης, χωρίς αυτή τη φορά τη συμμετοχή της βαρύτητας στο πείραμά του.

Από τότε παρήλθε σχεδόν μισός αιώνας όταν η ηλεκτρική ενέργεια κατέστησε δυνατή την περιστροφή του γυροσκοπίου και την παρακολούθησή του από τους επιστήμονες για την τεχνική εφαρμογή του σε διάφορους τομείς, σημαντικότερη των οποίων και ήταν η κατασκευή της γυροσκοπικής πυξίδας.
Για να κατασκευαστεί μια τέτοια πυξίδα θα πρέπει το χρησιμοποιούμενο μέσον να διατηρεί σταθερή κατεύθυνση ως προς το επίπεδο του ορίζοντα και η κατεύθυνση αυτή να είναι γνωστή. Επίσης ο άξονας περιστροφής του γυροσφονδύλου των γυροσκοπικών πυξίδων μετά από κάποιο χρόνο λειτουργίας διατηρεί σταθερή κατεύθυνση στο χώρο διατηρώντας σταθερή θέση προς τον Γήινο Μαγνητικό Πόλο όπου και στην πραγματικότητα καθίσταται παράλληλος με τον μεσημβρινό του τόπου που βρίσκεται.

Με βάση τα παραπάνω πρώτος ο Γερμανός φυσικός Χέρμαν Άνσουτς (Herman Anschütz - Kapfe) κατασκεύασε το 1908 την πρώτη γυροσκοπική πυξίδα. Αυτόν ακολούθησε ο Αμερικανός επιστήμονας Έλμερ Σπέρρυ (Elmer Sperry) το 1911. Και οι δύο επιστήμονες εργαζόμενοι ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο κατασκεύασαν γυροσκοπικές πυξίδες βασιζόμενοι σε διαφορετικό τρόπο στήριξης του γυροσκοπίου και σταθεροποίησης του άξονα περιστροφής στον μεσημβρινό.
Έτσι όλοι οι μέχρι σήμερα τύποι γυροσκοπικών πυξίδων που έχουν εξελιχθεί, εκτός των τύπων Sperry και Anschutz, βασίζονται στα συστήματα των δύο αυτών αρχικών τύπων με ορισμένες παραλλαγές.

Πλεονεκτήματα

Κύριο και βασικό πλεονέκτημα των γυροσκοπικών πυξίδων έναντι των μαγνητικών είναι ακριβώς ότι ο άξονας περιστροφής του γυροσκοπίου τους στρέφεται προς την κατεύθυνση του αληθή Βορρά - Νότου και παραμένει σταθερά εκεί, (μετά πάροδο λίγων ωρών από την εκκίνησή τους), χωρίς να επηρεάζεται από μαγνητική απόκλιση ή και παρεκτροπή που αντίθετα απαντώνται στις μαγνητικές πυξίδες και που προέρχονται τόσο από το γήινο μαγνητικό πεδίο, από τόπου εις τόπο, όσο και από επίδραση του πέριξ μαγνητικού πεδίου (εξ αιτίας φορτίου και διερχομένων ηλεκτροφόρων καλωδίων), με συνέπεια να θεωρούνται αμφιβόλου ακριβείας αφού δεν υφίσταται δυνατότητα έγκαιρου ελέγχου των ενδείξεών τους με παρατήρηση. Γεγονός που σημαίνει ότι όλες οι ενδείξεις των γυροσκοπικών πυξίδων είναι πάντα αληθείς και συνεπώς δεν χρήζουν διορθώσεων.
Σ΄ αυτό το βασικό πλεονέκτημα αν προστεθούν και οι δυνατότητες που παρέχουν οι γυροσκοπικές πυξίδες όπως η σύνδεσή τους με άλλα βασικά ναυτιλλιακά όργανα, που δεν παρέχουν οι μαγνητικές, όπως π.χ. με ραντάρ, με ραδιογωνιόμετρα, με τα αυτόματα συστήματα πηδαλιουχίας (αυτόματους πιλότους πλοίων), ή ακόμα και με ηλεκτρική μετάδοση των ενδείξεών τους σε διάφορους επαναλήπτες (repeaters) που μπορεί να βρίσκονται και εκτός της Γέφυρας του Πλοίου, ακόμα και στην καμπίνα του Πλοιάρχου, καθίσταται καταφανές η μεγάλη σημασία τους στην εξέλιξη της ναυσιπλοΐας και την απαραίτητη χρήση τους απ΄ όλους τους τύπους των πλοίων, τόσο των πάσης φύσεως εμπορικών, όσο και των μεγάλων πολεμικών πλοίων.

Λειτουργία γυροσφονδύλου

Για την κατασκευή και λειτουργία του γυροσφονδύλου, και του τρόπου προσανατολισμού του, δείτε ίδιο άρθρο γυροσκόπιο.

Κύρια πυξίδα

Η κύρια πυξίδα που ακολουθεί το κατασκευαστικό τύπο της sperry περιλαμβάνει τα ακόλουθα βασικά μέρη: Το ευαίσθητο στοιχείο (sensitive element), το 'στοιχείο παρακολούθησης (phantom element), το στοιχείο αποκατάστασης του γυροσφονδύλου στο μεσημβρινό (control element), το στοιχείο της αρχάχνης, (outer member), ή spider element), και τη θήκη της πυξίδας, (binnacle), με τη βάση στήριξης (pedestal).

Ευαίσθητο στοιχείο

Το ευαίσθητο στοιχείο (sensitive element): είναι και το σπουδαιότερο τμήμα της γυροσκοπικής πυξίδας. Αποτελείται επιμέρους από τον γυροσφόνδυλο, τη θήκη του γυροσφονδύλου, στην οποία ο στάτορας φέρεται με τριφασική περιέλιξη, τον κατακόρυφο δακτύλιο, με τους αντισταθμιστικούς βραχίονες, και το νήμα της ανάρτησης. 
Ο γυροσφόνδυλος βάρους περίπου 24 χγρ. περιστρέφεται με ταχύτητα 6.000 στροφές ανά λεπτό αποτελεί μέρος του τριφασικού κινητήρα του οποίου το επαγώγιμο (στάτορ) είναι προσαρμοσμένο στο βόρειο άκρο της θήκης η οποία και τον περιβάλλει. Ο δε άξονας του γυροσφονδύλου στηρίζεται μέσα στη θήκη πάνω σε κατάλληλους σφαιροτριβείς (ρουλεμάν)έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η ελεύθερη περιστροφή του.
Τα δε καλώδια παροχής ρεύματος στη θήκη του γυροσφονδύλου ξεκινούν από τους ρευματοφόρους δακτυλίους που περιβάλλουν τον μίσχο του δακτυλίου παρακολούθησης τα οποία και καταλήγουν στο βόρειο άκρο της θήκης, στο επαγώγιμο του κινητήτα το οποίον και τροφοδοτούν. Τα κλώδια αυτά είναι μικρά και εύκαμπτα και δεν επηρεάζουν την ισορροπία της θήκης στην οποία στηρίζονται.
Η θήκη του γυροσφονδύλου, που στηρίζεται με αξονίσκους σε σφαιροτριβείς, περιβάλλεται από τον κατακόρυφο δακτύλιο. Οι δε τριβείς επιτρέπουν στη θήκη την ελεύθερη οριζόντια περιφορά της. Στο νότιο τμήμα της θήκης αυτής υπάρχει στάθμη οινοπνεύματος με την οποία και ελέγχεται η οριζοντιότητά της. 
Ο κάθετος δακτύλιος περιβάλλει τη θήκη όπου και φέρει βραχίονες περιορισμού στροφής της θήκης στην ανατολική πλευρά, ενώ στη δυτική υπάρχει ειδικός αναστολέας με τον οποίο τίθεται η θήκη οριζόντια όταν αυτή τίθεται εκτός λειτουργίας. Ο κάθετος δακτύλιος φέρει επιπρόσθετα στο άνω μέρος κάθετα του επιπέδου του, (δηλαδή σταυρωτά), ένα κυρτό βραχίονα που καταλήγει εκατέρωθεν της θήκης στις άκρες του οποίου φέρονται αντισταθμιστικά βάρη, με κύριο σκοπό τη συμμετρική κατανομή, πέριξ του γυροσφονδύλου, του βάρους του όλου ευαίσθητου στοιχείου, προς αποφυγή σφαλμάτων κατά τους διατοιχισμούς του πλοίου.
Από την παραπάνω εκτεθείσα διάταξη καθίσταται εμφανές ότι όλο αυτό το σύστημα του ευαίσθητου στοιχείου (γυροσφόνδυλος, θήκη, κάθετος δακτύλιος) και συνεπώς ο άξονας του γυροσφονδύλου μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα περί κατακόρυφο άξονα, δηλαδή κατά αζιμούθ, με τη μικρότερη δυνατή τριβή. Η ελευθερία αυτή περιστροφής επιτυγχάνεται με το νήμα ανάρτησης.
Το νήμα ανάρτησης αποτελείται από μια ομάδα συρμάτων από την οποία αναρτάται ολόκληρο το σύστημα του ευαίσθητου στοιχείου και αυτό περνώντας μέσα από το μίσχο λαιμό του δακτυλίου παρακολούθησης, (επόμενο στοιχείο), στηρίζεται σ΄ αυτόν. Η λειτουργία του παρακάτω, "στοιχείου παρακολούθησης", διασφαλίζει το νήμα ανάρτησης από τον κίνδυνο συστροφής του.