Kreiselkompass

Der Kreiselkompass ist ein Kompass, der die Nord-Süd-Richtung anzeigt, ohne sich das Magnetfeld der Erde zu nutze zu machen. Er bedient sich hierbei eines schnell rotierenden Kreisels, des Gyroskops (sächlich, griechisch γυροσκόπιο), dessen Achse sich parallel zur Erdachse ausrichtet.

Der Kreiselkompass und daraus entwickelte Trägheitsnavigationssysteme werden zur Navigation in der Geodäsie, Luftfahrt und Schifffahrt verwendet.

Inhaltsverzeichnis

1 Funktionsprinzip

2 Geschichte

2.1 Die Bohnenberger Maschine (Gyroskop)
2.2 Der Meridiankreisel
2.3 Der Kreiselkompass

3 Literatur

4 Siehe auch

5 Weblinks

Funktionsprinzip

thumb|Abb. 1 Die Achse eines rotierenden Kreisels soll in ihrer Lage verändert werden

thumb|Abb. 2 Der Kreisel hat auf die Lageänderung mit einer Ausgleichbewegung reagiert und zeigt sich in der Draufsicht

Ein rotierender Kreisel ist stets bestrebt, seine Lage im Raum beizubehalten (Drehimpulserhaltung). Versucht man nun die Lage der Rotationsachse im Raum zu verändern, so reagiert der Kreisel durch eine Ausgleichsbewegung in einer anderen Achse (Präzession Abb. 1 und 2).

(Als Versuch nehme man das ausgebaute Rad eines Fahrrades und halte es mit beiden Händen je an einer Seite der Achse. Nun rollt man das Rad auf dem Boden an und hebt es in die Luft. Versucht man jetzt das Rad nach rechts oder links zu neigen so spürt man eine deutliche Kraft, die versucht, die Achse des Rades nach rechts oder links zu drehen.)

Beim Kreiselkompass ist die Kreiselachse zu vergleichen mit der Kompassnadel des Magnetkompasses. Der Kreisel ist eine durch einen Elektromotor angetriebene Scheibe (20000-30000 U/min). Die Rotationsachse wird immer in der waagerechten gehalten. Dies bewirkt, dass Präzessionsbewegungen beim Kreiselkompass immer zu einer Änderung der Kompassanzeige führen.

Stellt man sich nun vor, dass die Achse des Kreisels in West-Ost-Richtung ausgerichtet ist so führt die Erdrotation zu einer Lageänderung der Kreiselachse im Raum (Abb. 3). Der Kreisel reagiert darauf mit einer Präzessionsbewegung die den Kreisel in Nord-Süd-Richtung zwingt. In diese Richtung ausgerichtet hat die Erdrotation keine Lageänderung der Kreiselachse mehr zur Folge (Abb. 4).

thumb|Abb. 3 Ein Kreisel während der Erddrehung am Äquator. Die Rotationsachse ist in Ost-West-Richtung ausgerichtet.

thumb|Abb. 4 Ein Kreisel während der Erddrehung am Äquator. Die Rotationsachse ist in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet.

Der Kreisel richtet sich also immer parallel zur Erdachse aus. Welche Seite des Kreisels nach Norden zeigt, hängt von seiner Rotationsrichtung ab. Probleme ergeben sich bei einem solchen "Ein-Kreisel-Kompass", wenn der Kompass in Bewegung ist (z.B. auf einem Schiff). Wenn eine solche Bewegung nicht in West-Ost-Richtung erfolgt, also 90 Grad zur Kreiselachse, so führt die Erdkrümmung zu einer Lageänderung der Achse im Raum mit sich daraus ergebender Präzession. Der Kompaß zeigt nicht mehr exakt nach Norden. Hinzu kommen Stampf- und Schlingerbewegungen, die es erschweren, den Kreisel in der Waagerechten zu halten.

Diese Probleme führten zur Entwicklung von "Drei-Kreisel-Kompassen".

Geschichte

Die Bohnenberger Maschine (Gyroskop)

thumb|Abb. 5 Rotierendes Gyroskop auf einer Nagelspitze Basierend auf der Erfindungen des Astronomen, Physikers und Geodäten Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger wurde das Gyroskop konstruiert und in kleiner Serie von Universitätsmechanikus Johann W. G. Buzengeiger (1778-1836) gefertigt. Aus dieser Werkstatt stammt eine beeindruckende Vielfalt ganz hervorragender Geräte, die europaweit höchste Anerkennung fanden und von denen sich einige in Tübinger Instituten erhalten haben, teils heute noch im aktiven Einsatz.

Diese "Schwungmaschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Achse, und der Veränderung der Lage der letzteren" wurde von Napoleon in Folge als Standardlehrmittel im Französischen Schulunterricht eingeführt. Dieses erste Gyroskop (1817) war wesentliche Grundlage zur späteren Erfindung des Kreiselkompass. Heute werden beide Begriffe synonym verwendet.

Die Bohnenberger Maschine von 1817 sollte nicht mit einer vollkommen anderen früheren Bohnenberger Maschine (1798) seines Vaters Gottlieb Christoph Bohnenberger verwechselt werden.

Diese Maschine wird noch heute zur Navigation (Stabilitätskontrolle) von raketengetriebenen Fluggeräten im Weltall verwendet.

Der Meridiankreisel

Jean Bernard Léon Foucault hat mit seinen Forschungen zur Rotation der Erde einen weiteren Grundstein für die Entwicklung des Kreiselkompasses gelegt. Er experimentierte 1851 mit einem Gyroskop und entdeckte dessen Bestreben, sich parallel zur Erdachse auszurichten, wenn die Achse in die Waagerechte gezwungen wurde. Er sprach in diesem Zusammenhang von einem Meridiankreisel.

Der Kreiselkompass

1890 wurde ein elektrisch betriebener Kreiselkompass von G. M. Hopkins vorgestellt. Dieses Modell funktionierte nie zufriedenstellend.

1904 ließ sich Hermann Anschütz-Kaempfe die Entwicklung des Kreiselkompasses patentieren. 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 verlieren in hohen Breiten ihre Funktionsfähigkeit, weil die magnetische Achse der Erde nicht mit der Rotationsachse der Erde identisch ist (Deklination (Geographie)). Anschütz-Kaempfe kam auf die Idee, die Magnetnadel durch einen sich drehenden Kreisel zu ersetzen. Erste Versuche mit Prototypen des neuen Kompass führte er am 11. März 1904 auf dem Dampfer Schleswig in der Ostsee durch. Seit 1908 wird der Kreiselkompass von der deutschen Marine eingesetzt.

Gleichzeitig entwickelten verschiedene andere Erfinder die Idee, ein Gyroskop in einem Kompass einzusetzen. Dies bedingte einen Patentstreit, zu dem 1914 Albert Einstein als Gutachter hinzugezogen wurde. Er sprach sich zunächst gegen Anschütz-Kaempfe aus. Seine Begründung: in der Patentschrift würde nur auf das Foucault'sche 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. Nachdem Einstein den Patentanmelder Anschütz-Kaempfe und dessen Arbeitsweise kennengelernt hatte, änderte er seine Meinung.

Literatur

Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger: Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe und der Veränderung der Lage der letztern. Ossiander, Tübingen 1817

Broelmann, Jobst: Intuition und Wissenschaft in der Kreiseltechnik. 1750 - 1930. München 2002

Siehe auch

Weblinks

Kategorie:Technische Mechanik Kategorie:Luftfahrttechnik Kategorie:Navigation Kategorie:Geodäsie