Kreiselkompass
Der Kreiselkompass ist ein Kompass, der sich nach dem Meridian ausrichtet und so die Nord-Süd-Richtung anzeigt. Durch seine horizontale Aufhängung ist er kein freier, sondern ein gefesselter Kreisel. Als solcher wirkt er meridiansuchend, benötigt aber zwei bis vier Stunden für die Ausrichtung (Einschwingdauer). Da ein kurs- und geschwindigkeitsabhängiger Fahrtfehler bei der Kursanzeige zu berücksichtigen ist, werden Kreiselkompasse vor allem auf langsamfahrenden Schiffen eingesetzt. Sie arbeiten unabhängig vom Erdmagnetfeld und zeigen daher nicht die magnetische, sondern die wahre (astronomische) Nordrichtung an.[1]
Der bei Kleinflugzeugen oft eingesetzte Kurskreisel ist hingegen ein freier Kreisel, nur wird er oft mit dem Kreiselkompass verwechselt. Mit freien Kreiseln arbeiten auch die modernen inertialen oder Trägheitsnavigationssysteme. Sie liefern jedoch neben der Richtung auch eine genaue Positionsbestimmung, indem die Beschleunigungen des Flugzeugs dreidimensional integriert werden.
Funktionsprinzip
Der Kreiselkompass besteht aus einem schnell rotierenden Kreisel, gewöhnlich in einer kardanischen Aufhängung. Zusätzlich ist er so angeordnet, dass ein Drehmoment auf ihn einwirkt, solange seine Drehrichtung nicht nach Norden weist. Weist die Drehrichtung nach Norden und somit die Drehachse in Rotationsrichtung der Erde, wird das Drehmoment (das Kreuzprodukt aus dem Radius senkrecht zur Drehrichtung und der Kraft durch die Beschleunigung in Richtung der Erddrehung) null. Im nebenan dargestellten Versuchsaufbau ist er als Pendel aufgehängt. Nur parallel zur Erdoberfläche kann er sich frei ausrichten.
Die Schemazeichnung in Abb. 2 zeigt, vom Südpol aus betrachtet, einen Kreiselkompass, der sich entlang des Äquators bewegt. Zunächst steht seine Rotationsachse s-n parallel zur Erdoberfläche. Gemäß der Drehimpulserhaltung behält die Achse ihre Richtung auch bei Bewegung zur zweiten eingezeichneten Position bei. Aufgrund der besonderen Aufhängung kann sich der Kreisel nur in zwei Ebenen kräftefrei ausrichten. Auf die dritte Richtung wirkt die Erdanziehung. Sie versucht, die Achse entlang der mit D bezeichneten Pfeile zu kippen. Das von ihr erzeugte Drehmoment kippt die Rotationsachse aus der Zeichenebene heraus und lässt den Kreisel präzedieren. Durch Dämpfung der Drehbewegung um den Punkt A kommt der Kreisel zur Ruhe, wenn die angreifende Kraft verschwindet. Das ist dann der Fall, wenn die Kreiselachse in die Nord-Süd-Richtung zeigt („meridiansuchender Kreisel“).
Bewegungen des Kreisels entlang eines Meridians verursachen Missweisungen. Dann zeigt der Kreisel nicht mehr genau nach Norden, sondern in die Richtung, die sich aus der Summe der von der geographischen Breite (cos φ) abhängigen Geschwindigkeit an der Erdoberfläche und der, mit welcher der Kreisel bewegt wird, ergibt. Eine Geschwindigkeit entlang des Meridians von 20 km/h verursacht die in der Navigation als Fahrtfehler bezeichnete Ablenkung von lediglich 0,5°. Bei 150 km/h steigt er auf 5°. Bewegt sich der Kreisel mit der Rotationsgeschwindigkeit der Erde am Äquator von 1600 km/h entlang eines Meridians, beträgt sie 45°.
In der Nähe der Pole versagt der Kreiselkompass, weil die Drehachse der Erde fast senkrecht aus der Oberfläche hinaus zeigt und das auf die Horizontalebene projizierte Drehmoment sehr klein wird. Diese Probleme führten zur Entwicklung von Drei-Kreisel-Kompassen.
Ein Kreiselkompass ist empfindlich gegenüber Beschleunigungen (z. B. wenn ein Schiff Fahrt aufnimmt oder seinen Kurs ändert). Die dadurch entstehenden Anzeigefehler können durch die sogenannte Schuler-Abstimmung weitgehend beseitigt werden (Näheres siehe Schuler-Periode). Die Untersuchungen dazu gehen auf Maximilian Schuler zurück. Für sich schnell ändernde Beschleunigungen, wie sie beim Stampfen oder Schlingern eines Schiffes auftreten, sind andere Abstimmungen sinnvoll.
Ein moderner Kreiselkompass erreicht eine dynamische Ausrichtgenauigkeit von weniger als 0,5°, besser als ein optischer Faserkreisel.
Geschichte
Léon Foucault experimentierte 1851 mit einem von Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger 1810 entwickelten und 2004 von Alfons Renz wiedergefundenen Gyroskop[2] und entdeckte dessen Bestreben, sich parallel zum Meridian auszurichten, wenn die Achse in die Waagerechte gezwungen wurde. Er sprach in diesem Zusammenhang von einem „Meridiankreisel“. Um 1900 suchten August Föppl und andere nach technischen Lösungen für einen schnelldrehenden Kreisel.
1876 erhielt William Thomson ein Patent auf einen Kompass.[3] Sein Schüler John Perry erhielt 1919 ein US-Patent für einen Kreiselkompass.
1904 erhielt Hermann Anschütz-Kaempfe ein Patent auf das technische Prinzip eines Kreiselkompasses.[4] Anschütz-Kaempfe studierte zu diesem Zeitpunkt Medizin und Kunstgeschichte. Seine Bekanntschaft mit dem österreichischen Polarforscher Julius von Payer brachte ihn auf die Idee, den Nordpol mit einem U-Boot zu unterqueren. Anschütz-Kaempfe bemühte sich intensiv, Lösungen für die technischen Anforderungen einer solchen Fahrt zu finden. Herkömmliche Magnetkompasse sind in einem U-Boot unbrauchbar, da die Eisenhülle das Erdmagnetfeld abschirmt. Erste Versuche mit Prototypen des neuen Kompasses führte er am 11. März 1904 auf dem Dampfer Schleswig in der Ostsee durch. Seit 1908 wurde der Kreiselkompass von der deutschen Marine eingesetzt.
Gleichzeitig entwickelten verschiedene andere Erfinder die Idee, ein Gyroskop in einem Kompass einzusetzen. So ließ sich Elmer Ambrose Sperry 1909 einen Kreiselkompass patentieren.[5] Als Sperry 1914 Kreiselkompass-Systeme an die Kaiserliche Marine verkaufen wollte, kam es zum Patentstreit zwischen Anschütz-Kaempfe und Sperry vor dem Kaiserlichen Patentamt in Berlin, zu dem 1914 Albert Einstein vom Patentamt Bern als Gutachter hinzugezogen wurde. Er sprach sich zunächst gegen Anschütz-Kaempfe aus. Seine Begründung: in der Patentschrift würde nur auf das Foucaultsche Pendel Bezug genommen, nicht aber auf den „Meridiankreisel“. Nach Meinung Einsteins hatte sich Anschütz-Kaempfe zu wenig mit den Untersuchungen Foucaults zum Gyroskop auseinandergesetzt, als dass er der Erfinder hätte sein können.[6]
Nachdem Einstein den Patentanmelder Anschütz-Kaempfe und dessen Arbeitsweise kennengelernt hatte, änderte er seine Meinung. Es entwickelte sich eine persönliche Freundschaft zwischen den beiden. In einem weiteren Patentverfahren, in dem Anschütz-Kaempfe die Firma Kreiselbau GmbH wegen der Erfindung des künstlichen Horizonts für Flugzeuge anging, bat Einstein 1918 das Gericht um Entlassung als Gutachter. Fortan tauschte Einstein mit Anschütz-Kaempfe Ideen zum Kreiselkompass aus, welche zu einer Reihe entscheidender Verbesserungen führten und die in die verbreitete Bauform mit einer zwei Kreisel enthaltenden, schwimmenden Kugel mündeten, ein vollständig versiegeltes Kreiselsystem, das gegen Manipulationen geschützt und gegen Störungen weitgehend unempfindlich ist. Für dieses wurde Anschütz-Kaempfe 1922 ein Patent zuerkannt,[7] in dem auch Einsteins Anteil an der Erfindung genannt ist.[8]
Die von Anschütz gegründete Firma gleichen Namens existierte bis 1994, bevor sie von dem amerikanischen Unternehmen Raytheon übernommen wurde. Sie firmiert jedoch noch immer als Raytheon Anschütz GmbH.
Weblinks
- Thema Pendel und Kreiselkompass auf der Website des Deutschen Museums
- Ausführliche englischsprachige Erklärung zur Funktionsweise
- Anschauliche Erklärung der Ausrichtung des Kreiselkompasses
- Video: Kreiselkompass. Institut für den Wissenschaftlichen Film (IWF) 2003, zur Verfügung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB), Modul:Vorlage:Handle * library URIutil invalid.
Fußnoten
- ↑ Heinrich Meldau: Der Anschütz-Kreiselkompaß, Selbsteuer und Kursschreiber. Arthur Geist Verlag, Bremen 1935.
- ↑ Vgl. Jörg F. Wagner; Helmut Sorg; Alfons Renz: The machine of Bohnenberger. In: GeoBit 10 (2005), 4 GIS, S. 19–24: Jörg F. Wagner; Helmut Sorg; Alfons Renz: The machine of Bohnenberger. In: European journal of navigation. The leading journal for systems, services and applications, Bd. 3 (2005), 4, S. 69–77; Alfons Renz: Bohnenbergers Gyroskop. Eine typisch Tübinger Erfindung. In: Tübinger Blätter 93 (2007), S. 27–34.
- ↑ Jobst Broelmann: Die Entstehung des Kreiselkompasses als Navigationshilfe für militärische und zivile Nutzung. In: Roland G. Foerster & Heinrich Walle (Hrsg.): Militär und Technik. Wechselbeziehungen zu Staat, Gesellschaft und Industrie im 19. und 20. Jahrhundert. Mittler, Herford 1992, ISBN 3-8132-0368-9, S. 221.
- ↑ Patent DE182855: Kreiselapparat. Angemeldet am 27. März 1904, veröffentlicht am 2. April 1907, Erfinder: Hermann Anschütz-Kaempfe.
- ↑ Patent US1242065: Ship's Gyroscopic Compass Set. Angemeldet am 25. September 1909, veröffentlicht am 2. Oktober 1917, Anmelder: Sperry Gyroscope Co, Erfinder: E. A. Sperry.
- ↑ Dieter Lohmeier & Bernhardt Schell (Hrsg.): Einstein, Anschütz und der Kieler Kreiselkompaß. Der Briefwechsel zwischen Albert Einstein und Hermann Anschütz-Kaempfe und andere Dokumente. Überarbeitete 2. Auflage. Raytheon Marine, Kiel 2005, ISBN 3-00-016598-3.
- ↑ Patent DE394667: Kreiselapparat für Meßzwecke. Angemeldet am 18. Februar 1922, veröffentlicht am 8. Mai 1924, Anmelder: Anschütz & Co. GmbH.
- ↑ Bernd Sorge: Einstein, Anschütz und der Kieler Kreiselkompass. In: Vermessung Brandenburg. Heft 2/2007, S. 114–116 (PDF; 72 kB).
