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GYROCOMPAS

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Mise en suspension magnétique du gyro autour de l'axe vertical


Gyrocompas

Cette expérience applique les propriétés physiques du gyroscope telles qu'elles le sont depuis longtemps dans l'équipement de marine, les personnes non impliquées dans ces professions ont peu de chances de rencontrer ces technologies. Plusieurs sites existent autour des mots "gyroscope", "gyrocompas", "gyrocompas".
L'expérience s'appuie sur les deux propriétés fondamentales des gyroscopes : rigidité de l'orientation dans l'espace et précession combinées à la gravité et la rotation de la planète.
Suspendu à la manière d'un pendule, en rotation dans le sens horaire (vu de l'extrémité Sud) autour de son axe horizontal orienté O-E, donc perpendiculaire au méridien, le gyroscope est libre en rotation autour de son axe vertical et libre de décrire un cône de révolution de 6° d'angle max. limité par le diamètre intérieur de la bobine primaire du transformateur rotatif. La rigidité gyroscopique combinée à la rotation de la Terre dans le sens Ouest-Est amène la force de gravité en dehors de l'axe du pendule en direction de l'Est et conséquemment provoque l'apparition d'un couple sur l'axe horizontal au droit du plan de rotation ; ce couple entraîne la précession du gyroscope à l'Ouest, passé le point neutre du méridien, ce couple diminuera puis s'inversera (bilan de l'énergie potentielle emmagasinée par le pendule) et la précession sera vers l'Est, l'axe de rotation du gyroscope aligné NS, horizontal, correspond à un minimum donc à une position stable... à l'équateur, oui mais à 45° de latitude?
Supposons l'amortissement de l'oscillation N/S terminée, le gyro maintenant rigide et sans couple perturbateur va sembler dériver à l'Est conséquence de la rotation du globe et de l'angle formé entre l'axe N-S du gyro et l'axe de rotation de la terre. Des astuces seront nécessaires pour régler ce problème et beaucoup d'autres lorsque l'on placera ce gyroscope à bord d'un vaisseau navigant à vitesse variable, dans une mer déchaînée, à n'importe quel cap, dans les deux hémisphères et que l'on demandera ± 0,5° max. d'erreur.

Description rapide d'un gyrocompas type "marine"

Dans un gyrocompas marine commun dans les années 70 (Anschutz Std IV), les gyroscopes sont placés à l'intérieur d'une sphère flottant dans un liquide conducteur à densité calibrée et température constante. La sphère elle-même est à l'intérieur d'une enceinte sphérique supportée et axée verticalement par "pattes d'araignées" qui véhiculent les liaisons électriques aux différentes électrodes lesquelles, au travers du liquide, vont alimenter les moteurs et détecter l'orientation de la sphère gyroscopique orientée au Nord. Cette position est obtenue grâce à un circuit servomoteur qui alignera la sphère "contenante" sur l'orientation de la sphère gyroscopique entraînant en synchronisme une rose des vents face à la ligne de foi du navire ainsi qu'un synchro-transmetteur qui distribuera le cap du navire vers les instruments, l'autopilote et les compas extérieurs à la passerelle. La cuve suspendue à la cardan renfermant liquide et sphères, est percée d'un hublot avec graticule au niveau de la ligne équatoriale graduée permettant la lecture directe du vrai cap. L'alimentation des gyroscopes et signaux électriques de la sphère gyroscopique sont véhiculés entre la sphère contenante mobile et l'extérieur fixe (le navire) par contacts glissants (bagues montées sur la partie émergente de l'axe portant la sphère contenante et charbons sur la partie fixe). Une dernière enveloppe boulonnée au plancher du navire porte l'ensemble par une suspension à la cardan.

Deux points à souligner :
Le servo moteur entraîne l'ensemble suspendu par cardans au travers d'un train réducteur par simple friction sur une roue adéquate (évidemment le synchro-transmetteur, lui, est totalement lié par engrenages).



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  • De chaque côté : l'électronique de contrôle du "spindle", qui utilise en sortie le circuit intégré : L6232, récupéré sur la carte de contrôle du disque dur, au bas, la bobine secondaire du transformateur assurant sans frottement, le transfert de l'énergie requise pour l'alimentation du moteur.

  • En haut l'aimant permanent nécessaire à la suspension magnétique et la rose des vents 32 points, 360° qui permet d'observer le comportement du gyroscope. Cela constitue la base d'un gyrocompas de type "pseudo-pendulaire", "pendulaire" car à l'évidence on a une masse suspendue librement en dessous d'un point d'articulation, mais "pseudo" car un vrai gyrocompas de type pendulaire oscille autour d'un axe passant par le centre de gravité du gyro.


  • Modifications (curseur sur image) :
  • Carénage du volant afin de réduire les perturbations générées par le phénomène de pompage d'air.
  • Essai d'un système d'amortissement balistique tel qu'utilisé dans certains gyrocompas : deux réservoirs de liquide disposés l'un au sud et l'autre au nord, reliés par un tube, complété par un contrôle de la vitesse de transfert du liquide entre les deux.
Vue du gyroscope "suspendu" magnétiquement, moteur à l'arrêt, dans sa cage elle même suspendue à la cardan.
De chaque coté une carte servo : l'une contrôle la suspension magnétique du gyroscope (en mode "opto") et l'autre adaptée, fournit l'énergie à la bobine primaire du transformateur rotatif.
Le système de suspension cardan est celui décrit en début de page, il n'est pas indispensable mais il rend l'expérimentation plus facile : mobilité, pas de soucis de remise a niveau... le nouvel emplacement trouvé, les deux axes de liberté sont verrouillés. (l'expérience doit débuter avec le secondaire du transformateur rotatif bien centrée dans la bobine primaire)

Quelques valeurs concernant le gyroscope :
Poids total en suspension : 300 g
Position du centre de gravité : sur l'axe vertical de symétrie, à environ 72 mm du haut (13 mm en dessous de l'axe de rotation)
Volant (partie métallique) :
Poids : 82 g
Diamètre extérieur : 62 mm ;
Diamètre intérieur : 42 mm ;
Épaisseur : 9,5 mm .
Vitesse de rotation : Réglable de 80t/s à 100 t/s (4800 à 6000 t/min).



En lévitation, le moteur de disque dur trouve le Nord !


  • Le gyroscope en rotation à 90 tours/s sur son axe orienté O-E, va entraîner très lentement la rose des vents et pointer son axe au Nord après un cycle d'oscillations amorties.

  • La suspension magnétique du gyroscope permet, par l'absence totale de friction et malgré sa modeste inertie gyroscopique, d'obtenir une grande sensibilité aux très faibles forces mises en œuvre.


Note : Un défaut parmi d'autres de ce montage : le couple de renversement s'applique légèrement décalé de l'axe vertical passant par le centre de gravité du volant... Une masse de 2g non visible, réglable, orientable Nord/Sud a été ajoutée en bas de la structure.
Après une demi heure, le gyro et sa rose des vents pointent fixement au nord : l'index indique 318°, valeur crédible pour l'orientation du building relevée sur une carte urbaine et aussi confortée par une mesure du Nord magnétique relevé en extérieur.

A bord d'un navire c'est plus simple : on dispose pour chaque port de cartes marines sur lesquelles tous les quais sont référencés, il suffit alors d'aligner correctement la coque au long du quai et de comparer le cap donné sur le gyrocompas avec la valeur donnée par la carte pour l'emplacement correspondant (de plus on a aucun doute sur la qualité du gyrocompas...)

Note : Cette expérience n'est pas facile et demande une certaine précision dans sa réalisation mécanique : répartition des masses, alignements des axes, les symétries, réglage du système d'amortissement éventuel, etc.

Le fichier de la rose des vents en [.pdf]


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