Kreiselinstrument

Ein Gyroskop ⓘ

Ein Gyroskop in Betrieb, das die Drehfreiheit in allen drei Achsen zeigt. Der Rotor behält die Richtung seiner Drehachse bei, unabhängig von der Ausrichtung des äußeren Rahmens. ⓘ

Ein Gyroskop (von altgriechisch γῦρος gûros, "Kreis" und σκοπέω skopéō, "schauen") ist ein Gerät zur Messung oder Beibehaltung von Orientierung und Winkelgeschwindigkeit. Es handelt sich um ein sich drehendes Rad oder eine sich drehende Scheibe, bei der die Drehachse (Spin-Achse) von sich aus jede beliebige Ausrichtung annehmen kann. Beim Drehen bleibt die Ausrichtung dieser Achse gemäß der Drehimpulserhaltung von der Neigung oder Drehung der Halterung unberührt. ⓘ

Es gibt auch Gyroskope, die auf anderen Funktionsprinzipien beruhen, z. B. MEMS-Gyroskope in Mikrochip-Bauweise, die in elektronischen Geräten zu finden sind (manchmal auch Gyrometer genannt), Festkörper-Ringlaser, faseroptische Gyroskope und das extrem empfindliche Quantengyroskop. ⓘ

Gyroskope werden unter anderem in Trägheitsnavigationssystemen wie dem Hubble-Weltraumteleskop oder in der Stahlhülle eines U-Boots eingesetzt. Aufgrund ihrer Präzision werden Gyroskope auch in Gyrotheodoliten eingesetzt, um die Richtung im Tunnelbau zu halten. Kreisel können zum Bau von Kreiselkompassen verwendet werden, die magnetische Kompasse ergänzen oder ersetzen (in Schiffen, Luft- und Raumfahrzeugen, Fahrzeugen im Allgemeinen), um die Stabilität zu unterstützen (Fahrräder, Motorräder und Schiffe) oder als Teil eines Trägheitsleitsystems eingesetzt werden. ⓘ

MEMS-Gyroskope sind in einigen Geräten der Unterhaltungselektronik, wie z. B. Smartphones, sehr beliebt. ⓘ

Einfacher Kreisel ⓘ

Aktuell wird der Begriff Kreisel oder Gyro in übertragender Weise für eine Vielzahl von Drehratensensoren verwendet, die keine Kreisel enthalten, aber den gleichen Zweck erfüllen wie ein tatsächliches Kreiselinstrument. ⓘ

Beschreibung und Diagramm

Schema eines Kreiselrads. Die Reaktionspfeile um die Ausgangsachse (blau) entsprechen den Kräften, die um die Eingangsachse (grün) wirken, und umgekehrt. ⓘ

Ein Gyroskop ist ein Instrument, das aus einem Rad besteht, das in zwei oder drei kardanischen Aufhängungen montiert ist, die das Rad um eine einzige Achse drehen können. Ein Satz von drei Kardanringen, von denen einer auf dem anderen mit orthogonalen Drehachsen montiert ist, kann verwendet werden, um einem Rad, das auf dem innersten Kardanring montiert ist, eine Ausrichtung zu ermöglichen, die unabhängig von der räumlichen Ausrichtung seines Trägers ist. ⓘ

Bei einem Kreisel mit zwei Kardanringen ist der äußere Kardanring, der den Rahmen des Kreisels bildet, so angebracht, dass er sich um eine Achse in seiner eigenen, durch den Träger bestimmten Ebene dreht. Dieser äußere Kardan besitzt einen Rotationsfreiheitsgrad und seine Achse besitzt keinen. Der zweite Kardan, der innere Kardan, ist im Kreiselgestell (äußerer Kardan) um eine Achse in einer eigenen Ebene drehbar gelagert, die immer senkrecht zur Drehachse des Kreiselgestells (äußerer Kardan) steht. Dieser innere Kardanring hat zwei Rotationsfreiheitsgrade. ⓘ

Die Achse des Spinnrads definiert die Drehachse. Der Rotor ist gezwungen, sich um eine Achse zu drehen, die immer senkrecht zur Achse des inneren Kardanrahmens steht. Der Rotor verfügt also über drei und seine Achse über zwei Rotationsfreiheitsgrade. Das Rad reagiert auf eine Kraft, die auf die Eingangsachse ausgeübt wird, mit einer Reaktionskraft auf die Ausgangsachse. ⓘ

Das Verhalten eines Gyroskops lässt sich am einfachsten am Beispiel des Vorderrads eines Fahrrads veranschaulichen. Wenn das Rad aus der Senkrechten geneigt wird, so dass sich der obere Teil des Rades nach links bewegt, dreht sich auch der vordere Rand des Rades nach links. Mit anderen Worten: Die Drehung um eine Achse des sich drehenden Rades bewirkt eine Drehung um die dritte Achse. ⓘ

Ein Gyroskop-Schwungrad rollt oder widersetzt sich um die Ausgangsachse, je nachdem, ob die Ausgangskardanringe frei oder fest konfiguriert sind. Beispiele für kardanische Vorrichtungen mit freiem Ausgang wären die Lagereferenzkreisel, die zur Erfassung oder Messung der Nick-, Roll- und Gierwinkel in einem Raumfahrzeug oder Flugzeug verwendet werden. ⓘ

Animation eines Kreiselrads in Aktion ⓘ

Der Schwerpunkt des Rotors kann sich in einer festen Position befinden. Der Rotor dreht sich gleichzeitig um eine Achse und ist in der Lage, um die beiden anderen Achsen zu oszillieren, und er kann sich in jede beliebige Richtung um den festen Punkt drehen (abgesehen von seinem durch die Rotordrehung verursachten Eigenwiderstand). Einige Kreisel haben mechanische Äquivalente, die eines oder mehrere der Elemente ersetzen. So kann der sich drehende Rotor beispielsweise in einer Flüssigkeit aufgehängt sein, anstatt kardanisch gelagert zu sein. Ein Kontrollmomentkreisel (CMG) ist ein Beispiel für ein kardanisches Gerät mit festem Ausgang, das auf Raumfahrzeugen verwendet wird, um einen gewünschten Lagewinkel oder eine bestimmte Ausrichtung mit Hilfe der gyroskopischen Widerstandskraft zu halten oder beizubehalten. ⓘ

In einigen Sonderfällen kann der äußere Kardan (oder sein Äquivalent) weggelassen werden, so dass der Rotor nur zwei Freiheitsgrade hat. In anderen Fällen kann der Schwerpunkt des Rotors von der Schwingungsachse versetzt sein, so dass der Schwerpunkt des Rotors und der Aufhängungspunkt des Rotors nicht zusammenfallen. ⓘ

Geschichte

Gyroskop, entworfen von Léon Foucault im Jahr 1852. Replik von Dumoulin-Froment für die Weltausstellung 1867 gebaut. Museum des Nationalen Konservatoriums für Kunst und Handwerk, Paris. ⓘ

Ein Kreisel ist im Grunde genommen ein Kreisel, der mit einem Paar Kardangelenken kombiniert ist. Kreisel wurden in vielen verschiedenen Zivilisationen erfunden, darunter das klassische Griechenland, Rom und China. Die meisten von ihnen wurden nicht als Instrumente verwendet. ⓘ

Das erste bekannte gyroskopähnliche Gerät (das "Whirling Speculum" oder "Serson's Speculum") wurde 1743 von John Serson erfunden. Es wurde als Nivelliergerät verwendet, um den Horizont bei Nebel oder Dunst zu lokalisieren. ⓘ

Das erste Instrument, das eher wie ein Kreisel verwendet wurde, wurde von Johann Bohnenberger aus Deutschland hergestellt, der 1817 erstmals darüber schrieb. Er nannte es zunächst die "Maschine". Bohnenbergers Maschine basierte auf einer rotierenden massiven Kugel. Im Jahr 1832 entwickelte der Amerikaner Walter R. Johnson ein ähnliches Gerät, das auf einer rotierenden Scheibe basierte. Der französische Mathematiker Pierre-Simon Laplace, der an der École Polytechnique in Paris arbeitete, empfahl die Maschine für den Einsatz als Lehrmittel, und so wurde Léon Foucault auf sie aufmerksam. 1852 setzte Foucault die Maschine bei einem Experiment zur Erdrotation ein. Foucault war es auch, der dem Gerät seinen heutigen Namen gab, und zwar in einem Experiment zur Beobachtung (griechisch skopeein, sehen) der Erdrotation (griechisch gyros, Kreis oder Drehung), die in den 8 bis 10 Minuten sichtbar war, bevor die Reibung den sich drehenden Rotor verlangsamte. ⓘ

In den 1860er Jahren ermöglichte das Aufkommen von Elektromotoren, dass sich ein Kreisel unbegrenzt drehen konnte; dies führte zu den ersten Prototypen von Kursanzeigern und einem etwas komplizierteren Gerät, dem Kreiselkompass. Der erste funktionsfähige Kreiselkompass wurde 1904 von dem deutschen Erfinder Hermann Anschütz-Kaempfe patentiert. Der Amerikaner Elmer Sperry folgte noch im selben Jahr mit seinem eigenen Entwurf, und andere Nationen erkannten bald die militärische Bedeutung der Erfindung - in einer Zeit, in der die Seetüchtigkeit das wichtigste Maß für militärische Macht war - und gründeten ihre eigenen Kreiselindustrien. Die Sperry Gyroscope Company expandierte schnell, um auch Flugzeug- und Marinestabilisatoren anzubieten, und andere Gyroskopentwickler folgten diesem Beispiel. ⓘ

Im Jahr 1917 entwickelte die Chandler Company aus Indianapolis das Chandler Gyroskop", einen Spielzeugkreisel mit einer Zugschnur und einem Sockel. Chandler produzierte das Spielzeug weiter, bis das Unternehmen 1982 von TEDCO Inc. aufgekauft wurde. Das Chandler-Spielzeug wird auch heute noch von TEDCO hergestellt. ⓘ

In den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts versuchten andere Erfinder (erfolglos), Kreisel als Grundlage für frühe Black-Box-Navigationssysteme zu verwenden, indem sie eine stabile Plattform schufen, von der aus genaue Beschleunigungsmessungen durchgeführt werden konnten (um die Notwendigkeit von Sternensichtungen zur Berechnung der Position zu umgehen). Ähnliche Prinzipien wurden später bei der Entwicklung von Trägheitsnavigationssystemen für ballistische Flugkörper eingesetzt. ⓘ

Während des Zweiten Weltkriegs wurde das Gyroskop zum Hauptbestandteil von Flugzeug- und Flakzielgeräten. Nach dem Krieg führte der Wettlauf um die Miniaturisierung von Kreiseln für Lenkraketen und Waffennavigationssysteme zur Entwicklung und Herstellung so genannter Minikreisel, die weniger als 85 g (3 Unzen) wogen und einen Durchmesser von etwa 2,5 cm (1 Zoll) hatten. Einige dieser miniaturisierten Kreisel konnten in weniger als 10 Sekunden eine Geschwindigkeit von 24.000 Umdrehungen pro Minute erreichen. ⓘ

Gyroskope stellen nach wie vor eine technische Herausforderung dar. So müssen beispielsweise die Achslager extrem genau sein. Es wird bewusst eine geringe Reibung in die Lager eingebracht, da sonst eine Genauigkeit von mehr als $10^{-7}$ eines Zolls (2,5 nm) erforderlich wäre. ⓘ

Dreiachsige MEMS-basierte Gyroskope werden auch in tragbaren elektronischen Geräten wie Tablets, Smartphones und Smartwatches eingesetzt. Dies ergänzt die 3-Achsen-Beschleunigungssensoren, die in früheren Gerätegenerationen verfügbar waren. Zusammen bieten diese Sensoren eine 6-Komponenten-Bewegungserfassung: Beschleunigungsmesser für X-, Y- und Z-Bewegungen und Gyroskope zur Messung des Ausmaßes und der Geschwindigkeit der Drehung im Raum (Rollen, Nicken und Gieren). Einige Geräte sind zusätzlich mit einem Magnetometer ausgestattet, das absolute Winkelmessungen relativ zum Erdmagnetfeld ermöglicht. Neuere MEMS-basierte Trägheitsmessgeräte vereinen bis zu neun Messachsen in einem einzigen integrierten Schaltkreis und ermöglichen so eine kostengünstige und weit verbreitete Bewegungserfassung. ⓘ

Das Gyroskop wurde 1810 vom Professor für Physik, Mathematik und Astronomie Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger an der Universität Tübingen erfunden; ein Exemplar wurde erstmals 2004 von Alfons Renz, Privatdozent an der Biologischen Fakultät der Eberhard Karls Universität Tübingen, im Kepler-Gymnasium Tübingen wiederentdeckt. 1852 hat Léon Foucault das Gyroskop bis zur Konstruktion und Fertigung des Kreiselkompasses weiterentwickelt, wobei das erste Gyroskop von 1810 als Idee nicht unterscheidbar ist und wesentliche Grundlage zur Erfindung des Kreiselkompasses im Jahr 1852 war. ⓘ

Gyroskopische Prinzipien

Alle sich drehenden Objekte haben gyroskopische Eigenschaften. Die wichtigsten Eigenschaften, die ein Objekt bei einer gyroskopischen Bewegung erfahren kann, sind Raumsteifigkeit und Präzession. ⓘ

Steifigkeit im Raum

Die Raumsteifigkeit beschreibt den Grundsatz, dass ein Kreisel in der Ebene, in der er sich dreht, in einer festen Position verbleibt, unbeeinflusst von der Erdrotation. Zum Beispiel ein Fahrradrad. ⓘ

Präzession

Ein einfacher Fall von Präzession, auch als stetige Präzession bezeichnet, lässt sich durch die folgende Beziehung zum Moment beschreiben: $\sum M_{x}=-I{\phi '}^{2}\sin \theta \cos \theta +I_{z}\phi '\sin \theta (\phi '\cos \theta +\psi ')$ ⓘ

wobei $\phi '$ die Präzession darstellt, $\psi '$ für den Spin steht, $\theta$ der Nutationswinkel ist und $I$ die Trägheit entlang der jeweiligen Achse darstellt. Diese Beziehung ist nur gültig, wenn das Moment entlang der Y- und Z-Achse gleich 0 ist. ⓘ

Die Gleichung kann weiter reduziert werden, indem man feststellt, dass die Winkelgeschwindigkeit entlang der z-Achse gleich der Summe aus Präzession und Spin ist: $\omega _{z}=\phi '\cos \theta +\psi '$wobei $\omega _{z}$ für die Winkelgeschwindigkeit entlang der z-Achse steht. ⓘ

$\sum M_{x}=-I{\psi '}^{2}\sin \theta \cos \theta +I_{z}\psi '(\sin \theta )\omega _{z}$ ⓘ

oder ⓘ

$\sum M_{x}=\psi '\sin \theta (I_{z}\omega _{z}-I\psi '\cos \theta )$ ⓘ

Die gyroskopische Präzession ist drehmomentinduziert. Beschrieben als die Änderungsrate des Drehimpulses und der Winkelgeschwindigkeit, die durch dasselbe angelegte Drehmoment erzeugt wurde. Dieses physikalische Phänomen führt zu den scheinbar unmöglichen dynamischen Erscheinungen. Zum Beispiel ein Kreisel. Dieser gyroskopische Prozess wird in vielen Bereichen der Luft- und Raumfahrt genutzt, z. B. bei Flugzeugen und Hubschraubern, um sie in eine gewünschte Richtung zu lenken. ⓘ

Zeitgenössische Anwendungen

Steadicam

Bei den Dreharbeiten zu Die Rückkehr der Jedi-Ritter wurde eine Steadicam in Verbindung mit zwei Gyroskopen zur zusätzlichen Stabilisierung eingesetzt, um die Hintergrundplatten für die Verfolgungsjagd mit dem Speeder Bike zu filmen. Der Erfinder der Steadicam, Garrett Brown, bediente die Kamera, indem er durch einen Redwood-Wald ging und die Kamera mit einem Bild pro Sekunde laufen ließ. Bei der Projektion mit 24 Bildern pro Sekunde entstand der Eindruck, als würde man mit rasender Geschwindigkeit durch die Luft fliegen. ⓘ

Fahrtrichtungsanzeiger

Der Kursanzeiger oder Richtungskreisel hat eine Drehachse, die horizontal nach Norden ausgerichtet ist. Anders als ein Magnetkompass sucht er nicht nach Norden. Wenn er beispielsweise in einem Flugzeug verwendet wird, driftet er langsam von Norden weg und muss in regelmäßigen Abständen neu ausgerichtet werden, wobei ein Magnetkompass als Referenz dient. ⓘ

Kreiselkompass

Im Gegensatz zu einem Richtungskreisel oder einem Kursanzeiger sucht ein Kreiselkompass nach Norden. Er erkennt die Drehung der Erde um ihre Achse und sucht den wahren Norden und nicht den magnetischen Norden. Kreiselkompasse haben in der Regel eine eingebaute Dämpfung, um ein Überschwingen bei der Neukalibrierung nach einer plötzlichen Bewegung zu verhindern. ⓘ

Beschleunigungsmesser

Durch Bestimmung der Beschleunigung eines Objekts und Integration über die Zeit kann die Geschwindigkeit des Objekts berechnet werden. Durch erneutes Integrieren kann die Position bestimmt werden. Der einfachste Beschleunigungsmesser ist ein Gewicht, das sich horizontal frei bewegen kann und an einer Feder und einer Vorrichtung zur Messung der Federspannung befestigt ist. Dies kann verbessert werden, indem eine Gegenkraft eingeführt wird, die das Gewicht zurückdrückt und die Kraft misst, die erforderlich ist, um das Gewicht an der Bewegung zu hindern. Eine kompliziertere Konstruktion besteht aus einem Gyroskop mit einem Gewicht auf einer der Achsen. Das Gerät reagiert auf die vom Gewicht erzeugte Kraft, wenn es beschleunigt wird, indem es diese Kraft integriert, um eine Geschwindigkeit zu erzeugen. ⓘ

Variationen

Gyrostat

Ein Gyrostat besteht aus einem massiven Schwungrad, das sich in einem massiven Gehäuse befindet. Sein Verhalten auf einem Tisch oder mit verschiedenen Arten der Aufhängung oder Unterstützung dient zur Veranschaulichung der merkwürdigen Umkehrung der gewöhnlichen Gesetze des statischen Gleichgewichts aufgrund des gyrostatischen Verhaltens des inneren unsichtbaren Schwungrads bei schneller Drehung. Das erste Gyrostat wurde von Lord Kelvin entworfen, um den komplizierteren Bewegungszustand eines sich drehenden Körpers zu veranschaulichen, wenn er sich auf einer horizontalen Ebene frei bewegen kann, wie ein Kreisel auf dem Bürgersteig oder ein Fahrrad auf der Straße. Kelvin nutzte Gyrostaten auch, um mechanische Theorien über die Elastizität der Materie und des Äthers zu entwickeln. In der modernen Kontinuumsmechanik gibt es eine Vielzahl dieser Modelle, die auf den Ideen von Lord Kelvin basieren. Sie stellen eine besondere Art von Cosserat-Theorien dar (erstmals vorgeschlagen von Eugène Cosserat und François Cosserat), die zur Beschreibung künstlich hergestellter intelligenter Materialien sowie anderer komplexer Medien verwendet werden können. Eines von ihnen, das so genannte Kelvin-Medium, hat die gleichen Gleichungen wie magnetische Isolatoren in der Nähe des magnetischen Sättigungszustandes in der Annäherung der Quasimagnetostatik. ⓘ

In der heutigen Zeit wird das Gyrostat-Konzept bei der Entwicklung von Lageregelungssystemen für Raumfahrzeuge und Satelliten in der Umlaufbahn verwendet. So verfügte beispielsweise die Raumstation Mir über drei Paare von intern montierten Schwungrädern, die als Gyrodyn oder Steuermomentkreisel bekannt sind. ⓘ

In der Physik gibt es mehrere Systeme, deren dynamische Gleichungen den Bewegungsgleichungen eines Kreisels ähneln. Beispiele hierfür sind ein fester Körper mit einem Hohlraum, der mit einer nicht viskosen, inkompressiblen, homogenen Flüssigkeit gefüllt ist, die statische Gleichgewichtskonfiguration eines belasteten elastischen Stabes in der Elastizitätstheorie, die Polarisationsdynamik eines sich durch ein nichtlineares Medium ausbreitenden Lichtimpulses, das Lorenz-System in der Chaostheorie und die Bewegung eines Ions in einem Penningfallen-Massenspektrometer. ⓘ

MEMS-Gyroskop

Ein MEMS-Gyroskop (microelectromechanical systems) ist ein miniaturisiertes Gyroskop, das in elektronischen Geräten eingesetzt wird. Es basiert auf der Idee des Foucaultschen Pendels und verwendet ein schwingendes Element. Diese Art von Gyroskop wurde zunächst in militärischen Anwendungen eingesetzt, wird aber inzwischen auch zunehmend kommerziell genutzt. ⓘ

HRG

Das Halbkugel-Resonator-Gyroskop (HRG), das auch als Weinglas-Kreisel oder Pilzkreisel bezeichnet wird, verwendet eine dünne halbkugelförmige Schale aus festem Material, die an einem dicken Schaft befestigt ist. Diese Schale wird durch elektrostatische Kräfte in eine Biegeschwingung versetzt, die von Elektroden erzeugt werden, die direkt auf separaten Quarzglasstrukturen aufgebracht sind, die die Schale umgeben. Der gyroskopische Effekt wird durch die Trägheitseigenschaft der stehenden Biegewellen erzielt. ⓘ

VSG oder CVG

Ein Vibrationsstrukturkreisel (VSG), auch Coriolis-Vibrationskreisel (CVG) genannt, verwendet einen Resonator aus verschiedenen Metalllegierungen. Es nimmt eine Position zwischen dem MEMS-Kreisel mit geringer Genauigkeit und niedrigen Kosten und dem Glasfaserkreisel mit höherer Genauigkeit und höheren Kosten ein. Die Genauigkeitsparameter werden durch die Verwendung von Materialien mit geringer intrinsischer Dämpfung, die Vakuumisierung des Resonators und digitale Elektronik erhöht, um die temperaturabhängige Drift und Instabilität der Steuersignale zu verringern. ⓘ

Für präzise Sensoren wie HRG werden hochwertige Weinglasresonatoren verwendet. ⓘ

DTG

Ein dynamisch abgestimmtes Gyroskop (DTG) ist ein Rotor, der an einem Kardangelenk mit Biegezapfen aufgehängt ist. Die Steifigkeit der Biegefeder ist unabhängig von der Drehrate. Die dynamische Trägheit (durch den gyroskopischen Reaktionseffekt) des Kardangelenks sorgt jedoch für eine negative Federsteifigkeit, die proportional zum Quadrat der Drehgeschwindigkeit ist (Howe und Savet, 1964; Lawrence, 1998). Daher heben sich die beiden Momente bei einer bestimmten Geschwindigkeit, der so genannten Abstimmgeschwindigkeit, gegenseitig auf, so dass der Rotor von einem Drehmoment befreit ist - eine notwendige Voraussetzung für ein ideales Gyroskop. ⓘ

Ringlaserkreisel

Ein Ringlaserkreisel nutzt den Sagnac-Effekt zur Messung der Rotation, indem er das sich verschiebende Interferenzmuster eines Strahls misst, der in zwei separate Strahlen aufgeteilt wird, die sich in entgegengesetzter Richtung um den Ring bewegen. ⓘ

Als die Boeing 757-200 im Jahr 1983 in Dienst gestellt wurde, war sie mit dem ersten geeigneten Ringlaserkreisel ausgestattet. Die Entwicklung dieses Kreisels dauerte viele Jahre, und die Versuchsmodelle wurden mehrfach geändert, bevor die Ingenieure und Manager von Honeywell und Boeing ihn für produktionsreif hielten. Es war ein Ergebnis des Wettbewerbs mit mechanischen Kreiseln, die immer besser wurden. Honeywell entschied sich ausgerechnet für die Entwicklung des Laserkreisels, weil es als einziges Unternehmen keine erfolgreiche Produktlinie mechanischer Kreisel hatte und somit nicht mit sich selbst konkurrieren musste. Das erste Problem, das es zu lösen galt, bestand darin, dass mit Laserkreiseln Drehungen unterhalb eines bestimmten Minimums überhaupt nicht erfasst werden konnten, und zwar aufgrund des so genannten "Lock-in"-Problems, bei dem sich die beiden Strahlen wie gekoppelte Oszillatoren verhalten und die Frequenzen des jeweils anderen in Richtung Konvergenz und damit Nullleistung ziehen. Die Lösung bestand darin, den Kreisel schnell zu schütteln, damit er nicht in den Lock-in gerät. Paradoxerweise führte eine zu regelmäßige Dithering-Bewegung zu einer Anhäufung von kurzen Lock-in-Perioden, wenn das Gerät an den Enden seiner Schüttelbewegung in Ruhe war. Dies wurde durch die Anwendung eines zufälligen weißen Rauschens auf die Schwingung behoben. Außerdem wurde das Material des Blocks von Quarz auf eine neue Glaskeramik Cer-Vit von Owens Corning umgestellt, da Helium austrat. ⓘ

Faseroptisches Gyroskop

Ein faseroptisches Gyroskop nutzt ebenfalls die Interferenz von Licht, um eine mechanische Drehung zu erkennen. Die beiden Hälften des geteilten Strahls bewegen sich in einer 5 km langen Spule aus Glasfaserkabel in entgegengesetzter Richtung. Wie das Ringlaser-Gyroskop nutzt es den Sagnac-Effekt. ⓘ

Londoner Moment

Ein Londoner Moment-Kreisel beruht auf dem quantenmechanischen Phänomen, dass ein rotierender Supraleiter ein Magnetfeld erzeugt, dessen Achse genau mit der Spinachse des Kreiselrotors übereinstimmt. Ein Magnetometer bestimmt die Ausrichtung des erzeugten Feldes, das zur Bestimmung der Drehachse interpoliert wird. Gyroskope dieser Art können extrem genau und stabil sein. Die im Gravity Probe B-Experiment verwendeten Gyroskope haben beispielsweise über einen Zeitraum von einem Jahr Änderungen in der Ausrichtung der Rotationsachse des Gyroskops mit einer Genauigkeit von weniger als 0,5 Millisekunden (1,4×10-7 Grad oder etwa 2,4×10-9 Radiant) gemessen. Dies entspricht einem Winkelabstand von der Breite eines menschlichen Haares aus einer Entfernung von 32 Kilometern (20 Meilen). ⓘ

Der GP-B-Kreisel besteht aus einer nahezu perfekten kugelförmigen Rotationsmasse aus Quarzglas, die als dielektrischer Träger für eine dünne Schicht aus supraleitendem Niob dient. Um die bei herkömmlichen Lagern auftretende Reibung zu beseitigen, wird die Rotoreinheit durch das elektrische Feld von sechs Elektroden zentriert. Nach dem anfänglichen Hochdrehen durch einen Heliumstrahl, der den Rotor auf 4.000 Umdrehungen pro Minute bringt, wird das polierte Gyroskopgehäuse in ein Ultrahochvakuum evakuiert, um den Widerstand des Rotors weiter zu verringern. Solange die Aufhängungselektronik mit Strom versorgt wird, können die extreme Rotationssymmetrie, die fehlende Reibung und der geringe Luftwiderstand dafür sorgen, dass der Drehimpuls des Rotors ihn etwa 15.000 Jahre lang weiterdreht. ⓘ

Zur Überwachung des Gyroskops wird ein empfindlicher Gleichstrom-SQUID verwendet, der Änderungen von nur einem Quantum oder etwa 2 ×10-15 Wb unterscheiden kann. Eine Präzession oder Neigung in der Ausrichtung des Rotors bewirkt, dass sich das Magnetfeld mit Londoner Moment relativ zum Gehäuse verschiebt. Das sich bewegende Feld durchläuft eine supraleitende Aufnehmerschleife, die am Gehäuse befestigt ist, und induziert einen kleinen elektrischen Strom. Der Strom erzeugt eine Spannung über einen Shunt-Widerstand, die von einem Mikroprozessor in Kugelkoordinaten aufgelöst wird. Das System ist so ausgelegt, dass das Lorentz-Drehmoment auf den Rotor minimiert wird. ⓘ

Andere Beispiele

Hubschrauber

Der Hauptrotor eines Hubschraubers wirkt wie ein Gyroskop. Seine Bewegung wird durch das Prinzip der gyroskopischen Präzession beeinflusst, d. h. durch das Konzept, dass eine Kraft, die auf ein sich drehendes Objekt einwirkt, etwa 90 Grad später eine maximale Reaktion erfährt. Die Reaktion kann von 90 Grad abweichen, wenn andere, stärkere Kräfte im Spiel sind. Um die Richtung zu ändern, müssen Hubschrauber den Anstellwinkel und den Anstellwinkel anpassen. ⓘ

Gyro X

Ein von Alex Tremulis und Thomas Summers 1967 entwickelter Prototyp eines Fahrzeugs. Das Auto nutzte die gyroskopische Präzession für den Antrieb auf zwei Rädern. Eine Baugruppe, die aus einem Schwungrad bestand, das in einem kardanischen Gehäuse unter der Motorhaube des Fahrzeugs montiert war, fungierte als großes Gyroskop. Das Schwungrad wurde durch Hydraulikpumpen in Drehung versetzt, wodurch ein gyroskopischer Effekt auf das Fahrzeug entstand. Ein Präzessionszylinder war für die Drehung des Gyroskops verantwortlich, um die Richtung der Präzessionskraft zu ändern und so den Kräften entgegenzuwirken, die das Ungleichgewicht des Fahrzeugs verursachten. Der einmalige Prototyp befindet sich heute im Lane Motor Museum in Nashville, Tennessee. ⓘ

Unterhaltungselektronik

Ein digitales Gyroskopmodul, angeschlossen an ein Arduino Uno-Board ⓘ

Gyroskope werden nicht nur in Kompassen, Flugzeugen, Computerzielgeräten usw. eingesetzt, sondern auch in der Unterhaltungselektronik. Die erste Verwendung oder Anwendung des Gyroskops in der Unterhaltungselektronik wurde von Steve Jobs im Apple iPhone bekannt gemacht. ⓘ

Da das Gyroskop die Berechnung von Orientierung und Drehung ermöglicht, haben Designer es in moderne Technologien integriert. Die Integration des Gyroskops hat eine genauere Erkennung von Bewegungen in einem 3D-Raum ermöglicht als der frühere einsame Beschleunigungsmesser in einer Reihe von Smartphones. In der Unterhaltungselektronik werden Gyroskope häufig mit Beschleunigungsmessern kombiniert, um eine robustere Richtungs- und Bewegungserkennung zu ermöglichen. Beispiele für solche Anwendungen sind Smartphones wie das Samsung Galaxy Note 4, HTC Titan, Nexus 5, iPhone 5s, Nokia 808 PureView und Sony Xperia, Peripheriegeräte für Spielkonsolen wie der PlayStation 3-Controller und die Wii-Fernbedienung sowie Virtual-Reality-Geräte wie Oculus Rift. ⓘ

Nintendo hat ein Gyroskop in den Wii-Remote-Controller der Wii-Konsole integriert, und zwar durch ein zusätzliches Bauteil namens "Wii MotionPlus". Es ist auch in den 3DS-, Wii U GamePad- und Nintendo Switch Joy-Con-Controllern enthalten, die Bewegungen beim Drehen und Schütteln erkennen. ⓘ

Kreuzfahrtschiffe verwenden Gyroskope, um bewegungsempfindliche Geräte wie selbstnivellierende Billardtische zu nivellieren. ⓘ

Ein elektrisch betriebenes Schwungrad-Gyroskop, das in ein Fahrradrad eingesetzt wird, wird als Alternative zu Stützrädern verkauft. Einige Funktionen von Android-Telefonen wie PhotoSphere oder 360-Kamera und die Nutzung von VR-Gadgets funktionieren nicht ohne einen Gyroskop-Sensor im Telefon. ⓘ

Physikalische Prinzipien

Ein Kreiselsystem lässt sich als abgeschlossenes System ansehen, dessen Drehimpuls konstant bleibt. Versucht eine äußere Kraft die Drehachse des Kreisels zu kippen, resultiert ein zur Kraft senkrechtes Drehmoment, dem sich der Drehimpuls nach der Regel vom gleichsinnigen Parallelismus anzugleichen strebt. Der Drehimpuls kippt senkrecht zur angreifenden Kraft. Die Drehachse ist über den Trägheitstensor an den Drehimpuls gekoppelt, weswegen die Kreiselachse dem Drehimpuls folgt und ihn dabei auf engem Kegel umläuft, siehe Drallstabilisierung. Der Effekt ist unter anderem vom Spielzeugkreisel bekannt, dessen Achse durch die ihn kippen wollende Schwerkraft entlang eines Kegelmantels präzediert. Der Öffnungswinkel des Kegels ist beim symmetrischen Kreisel umgekehrt proportional zum Quadrat der Drehzahl und des Verhältnisses des axialen zum äquatorialen Hauptträgheitsmoment des Kreisels. ⓘ

Messprinzipien

Kreiselinstrument in Bewegung (rot: Kreiselachse, grün: Achse äußere Kraft, blau: Achse Ergebnis) ⓘ

Daher sind am Kreisel folgende Messprinzipien möglich:

1. Die Stabilität der Kreiselachse: Ein frei laufender, symmetrischer Kreisel hat das Bestreben, die Richtung seiner Drehachse im Inertialraum beizubehalten. – Ein Bezug der Lage ist gegeben
2. Die Präzession: Versucht eine äußere Kraft, die Achsenrichtung eines laufenden Kreisels zu ändern, so folgt die Kreiselachse nicht der Angriffsrichtung dieser Kraft, sondern weicht rechtwinklig zu ihr im Sinne der Kreiseldrehung aus. – Äußere Kraft und Präzession stehen in direktem Zusammenhang, eine Lageänderung wird messbar

Die zwei Gesetzmäßigkeiten sind die Grundlage aller Kreiselinstrumente: Der 1. Satz ist eine Folge der Massenträgheit, der 2. Satz eine Folge des Drallsatzes (Satz vom Drehimpuls). ⓘ

In einem abgeschlossenen System bleibt neben dem Gesamtimpuls auch der Drehimpuls erhalten. Stabilität und Präzession nehmen mit dem Drehimpuls des Kreisels zu. ⓘ

Die Wirkung wird auch als richtungshaltender Kreisel bezeichnet; wichtige technische Anwendungen sind der künstliche Horizont und der Kurskreisel der Luftfahrt. In der Praxis bewirkt jede kleinste Unwucht ein langsames Auswandern der Kreiselachse (Kreiseldrift), was durch bestimmte Maßnahmen mehr oder weniger reduziert werden kann. ⓘ

Die Präzession wird in noch breiterem Ausmaß angewandt: u. a. als Stellgröße bei Aufgaben der mechanischen Stabilisierung, beim Kreiselkompass der Nautik bzw. beim Vermessungskreisel (richtungssuchender bzw. nordsuchender Kreisel), oder für den Instrumentenflug beim Wendezeiger. ⓘ

Technische Anwendungen

Weitverbreitet sind Kreiselinstrumente in der Verkehrstechnik, insbesondere zur Orientierung und zur Navigation. ⓘ

Ein Gyroskop aus einem Flugzeug ⓘ

• In Pkw können Gyrometer Richtungsänderungen genauer messen, als es über die Radstellung möglich ist. Zusammen mit der Messung der zurückgelegten Strecke ist eine recht genaue Positionsbestimmung möglich (Koppelnavigation), die schon heute in manchen GPS-Navigationsanlagen die Anzeige fortführt, wenn die Satellitensignale (etwa im Tunnel) ausfallen. Diese enthalten meist einen Vibrationskreisel.
• In vielen Smartphones, aber auch Tablets sind Gyroskopsensoren enthalten. Sie dienen auch hier zur weiteren Navigation, wenn das GPS-System ausgefallen ist. Aber auch für Spieleapps (z. B. für die Bewegung von Figuren) werden sie genutzt.
• Bei der Odometrie des europäischen Zugbeeinflussungssystems ETCS kommen teilweise auch Gyroskope zum Einsatz.

Bei jedem Kreiselsystem würde aber über längere Zeiträume jede kleine Unwucht zu einer anwachsenden Kreiseldrift führen, die insbesondere im Flugwesen sehr störend wäre. Daher entwickelt man magnetgestützte Gyrosyn-Geräte, welche die Richtungsmessung auch über längere Zeit stabilisieren.

• In jedem Flugzeug-Cockpit befinden sich in aller Regel mehrere Kreiselinstrumente:
  • Der künstliche Horizont zeigt dem Piloten eine Linie, die vor dem Start horizontal ausgerichtet wird. Während des Fluges hält der Horizontkreisel infolge seiner Achsenstabilität diese Linie in der Horizontalen, auch wenn sich das Flugzeug nach vorn, hinten oder zur Seite neigt. Damit kann man im Cockpit die räumliche Lage des Flugzeugs bestimmen, auch wenn Dunkelheit, Wolken oder flugbahnbedingte Fliehkräfte eine unmittelbare visuelle Orientierung erschweren (siehe Instrumentenflug)
  • Der Wendezeiger ermöglicht einen genau kontrollierten Kurvenflug.
  • Der Kurskreisel ermöglicht die Einhaltung der Flugrichtung.
• Weitere Kreiselsysteme befinden sich im Flugzeugrumpf und sind dort meist zu einem INS (Trägheitsnavigation) zusammengefasst. Diese dienen der Steuerung des Autopiloten und der Anzeige von Lage- und Richtungsabweichungen auf den Computermonitoren im Cockpit.
• Kreiselinstrumente in Kampfschiffen oder Panzern ermöglichen die präzise Ausrichtung der Geschütze auf die angepeilten Ziele trotz Wellengang oder Unebenheiten des Geländes. ⓘ

Lageregelung ist auch in anderen Bereichen von Bedeutung (wobei Gyroskop hier auch für Drehratensensoren stehen kann, welche nicht tatsächlich auf Kreiseln basieren):

• Bei Eisenbahnwagen mit Neigetechnik liefern Gyroskope die Sensordaten für die Komfortsteuerung.
• Bei Modellflugzeugen und -hubschraubern werden Gyroskope eingesetzt, um eine oder mehrere Achsen gegen Wind oder gegen Nebeneffekte der Steuerung zu stabilisieren, weil diese andernfalls nur schwer steuerbar sind. Dabei kamen anfangs mechanische Kreisel zur Anwendung, mittlerweile werden Piezo- oder SMM-Sensoren (Silicon Micro Machine) eingesetzt; in beiden Fällen werden die Steuerkorrekturen über integrierte Mikrocontroller direkt im Flugmodell errechnet.
• Bei Flugzeugträgern wird zur Stabilisation des Anflugleitstrahls ebenfalls eine gyroskopisch gelagerte Konstruktion verwendet, um die Wellenbewegungen des Schiffes nicht auf den Strahl zu übertragen.
• Torpedos oder unbemannte Fluggeräte wie z. B. ballistische Raketen benötigen keinen künstlichen Horizont. Stattdessen wird ein Kreiselinstrument direkt an die Steuerung angeschlossen, was erstmals bei der A4 (V2-Rakete) im Zweiten Weltkrieg geschah. Die Kreiselsteuerung dient dazu, unerwünschte Einflüsse wie die Abdrift durch Wind oder Unregelmäßigkeiten im Antrieb zu kompensieren, um die programmierte Flugbahn einzuhalten. Sie ist heute meist Teil eines inertialen Navigationssystems (INS).
• In der Raumfahrt dienen Kreisel zur Lageregelung: Hierbei stabilisieren sich im fast kräftefreien Raum das Trägheitsrad und das Reaktionsrad selbst. Messtechnische Aspekte spielen dabei nur eine sekundäre Rolle. Das bisher präziseste und technisch anspruchsvollste Kreiselinstrument wurde für den im April 2004 gestarteten Gravity-Probe-Satelliten konstruiert, dessen erste Ergebnisse im April 2007 bekannt wurden.
• Ebenfalls zum Einsatz kommen Gyroskope in kreiselstabilisierten Ferngläsern, bei denen das Kreiselinstrument eine Beobachtung auch von Schnellbooten oder aus Helikoptern bzw. Kraftfahrzeugen heraus ermöglicht.
• Die BMW S 1000 RR nutzt ebenfalls zwei Gyroskope zum Einsetzen der Dynamic Traction Control (kurz DTC).
• 2009 kamen Gyroskope in Nintendos Erweiterung Wii Motion Plus erstmals in der Unterhaltungsindustrie zum Einsatz.
• Auch der „PlayStation 3 Move Controller“ verwendet einen gyroskopischen Sensor.
• Bereits in den 1970er Jahren hat der Kameramann Jost Vacano die sogenannte ‚Joosticam‘ entwickelt, eine Art Steadicam, mit der er auch den Film Das Boot verfilmte. Diese Technik findet seit neuestem Anwendung in der On-board-Kamera in der FIM-Motorradweltmeisterschaft und wurde erstmals auf dem Sachsenring am Motorrad von Valentino Rossi eingesetzt.
• Gyroskopische Übungsgeräte nutzen den Kreiseleffekt zum Training des Handgelenks, bei welchem man durch entsprechende Handbewegungen versucht, den Kreisel zu beschleunigen und mit wachsender Drehzahl der Kreiselkraft entgegenzuwirken.
• Kreiselmesszelle zur Gewichtsermittlung (Kreiselwaage) zur hochgenauen Verwägung mit einer Genauigkeit von bis zu 1.000.000 Teilen. ⓘ