Zakrętomierz - do wykonywania prawidłowych zakrętów

Zakrętomierz jest przyrządem, działającym w oparciu o właściwości żyroskopu. Wskazuje on jakościowo prędkość obrotową samolotu w płaszczyźnie poziomej, czyli prędkość zakrętu. We współpracy z chyłomierzem poprzecznym, służy do wykonywania zakrętu prawidłowego. 

Na początku wyobraźmy sobie urządzenie, przedstawione na rysunku poniżej. Obracający się krążek zamocowany jest w ramce, która z kolei przymocowana jest do obudowy urządzania. Gdyby krążek się nie obracał, można byłoby obracać ramkę w której jest zamocowany, w płaszczyźnie prostopadłej do osi potencjalnego obrotu krążka. 

Rys.1 - Działanie zakrętomierza [1]

Kierunki obrotu ramki poznaczone są jako Gimbal Rotation, czyli w dokładnym tłumaczeniu, obrót przegubu. Z kolei kierunki obrotu krążka oznaczone są jako Gyro Rotation, czyli obrót żyroskopu. Mechanizm obracający wskazówkę jest następujący: 

Rys. 2 - Ramka zakrętomierza [3]

W przypadku obracania się ramki, wskazówka będzie wychylać się w stronę przeciwną. Można to wywnioskować, dokładnie analizując sposób zamocowania wskazówki. Nasuwa się myśl, że gdyby ramka wraz z wirującym żyroskopem odchylała się w stronę przeciwną do wykonywanego zakrętu to wskazania zakrętomierza byłyby poprawne. 

Zakrętomierz wykorzystuje tzw. zjawisko precesji. Jeżeli mamy wirujący krążek umocowany tak, jak na rysunku 2 i zaczniemy obracać obudową przyrządu w płaszczyźnie poziomej z pewną, stałą prędkością obrotową, to ramka zacznie się obracać wokół własnej osi i zatrzyma się dopiero wtedy, gdy oś obrotu krążka pokryje się z osią obrotu przyrządu. Im szybciej będziemy obracać przyrząd, tym szybciej oś wirowania krążka pokryje się z osią obrotu przyrządu. 

Rys. 3 - określanie kierunku precesji [3]

Kierunek wektora prędkości obrotowej określamy zasadą prawej dłoni. jeżeli pokazujemy dłonią gest "OK" tak, że palce wskazują kierunek obrotu, to kciuk wskazuje kierunek wektora prędkości obrotowej. Widzimy, że wektor prędkości obrotowej jest zawsze prostopadły do płaszczyzny obrotu.

Rys. 3.1 - Reguła prawej dłoni [4]

Mówiąc trochę bardziej naukowo, jeżeli będziemy obracać przyrząd w płaszczyźnie zawierającej oś obrotu krążka to powstanie tzw. moment żyroskopowy M, który będzie dążył do pokrycia wektorów prędkości obrotowej krążka i przyrządu. Im większa prędkość obrotowa przyrządu, tym większy jest moment żyroskopowy M. 

Do ramki przymocowana jest sprężyna. Równoważy ona działający moment żyroskopowy. Im jest on większy tym bardziej ramka zostaje wychylona. Gdyby nie było sprężyny, ramka po prostu ustawiłaby się pionowo, a krążek wirowałby w płaszczyźnie poziomej. 

   (1)

J - moment bezwładności krążka.

Kąt wychylenia ramki  jest proporcjonalny do prędkości obrotowej zakrętu  i odwrotnie proporcjonalny do współczynnika sprężystości sprężyny K, ale tylko podczas lotu poziomego. Samolot podczas wykonywania zakrętu przechyla się. Kąt wychylenia ramki jest również proporcjonalny do cosinusa kąta przechylenia samolotu, więc skala zakrętomierza nie jest wyskalowana w żadnych jednostkach. Jego wskazania są jakościowe. Wiemy czy samolot skręca i w którą stronę.

W kolejnym artykule krótko opowiemy o chyłomierzu poprzecznym i zakręcie prawidłowym.

Źródła:

1. http://forum.pl-vacc.org
2. http://en.wikipedia.org
3. Z. Polak, A. Rypulak, "Awionika, przyrządy i systemy pokładowe"
4. marcingodlewski.pl