Kreiselkompass

Kreiselkompass der Firma Anschütz geschnitten

Der Kreiselkompass ist ein Kompass, der sich parallel zur Rotationsachse der Erde orientiert und so die Nord-Südrichtung anzeigt. Da er einige Zeit für die Ausrichtung benötigt, wird er insbesondere bei langsamfahrenden Fahrzeugen wie Schiffen eingesetzt. Er arbeitet unabhängig vom Magnetfeld der Erde und zeigt deshalb keine magnetische Missweisung. Hingegen entsteht eine Missweisung bei schneller Eigenbewegung.

Der bei Kleinflugzeugen oft eingesetzte Kurskreisel wird oft mit dem Kreiselkompass verwechselt. Die modernen Trägheitsnavigationssysteme (Inertiales Navigationssystem) liefern jedoch zusätzlich zur Positionsbestimmung eine Kompassinformation, die basierend auf dem Kreiselkompassprinzip ermittelt wird.

Funktionsprinzip

Aufbau eines Kreiselkompasses, schematisch

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 Drehachse nicht nach Norden weist. Im nebenan dargestellten Versuchsaufbau ist er als Pendel aufgehängt. Nur parallel zur Erdoberfläche kann er sich frei ausrichten.

Funktionsprinzip eines Kreiselkompasses

Die Schemazeichnung 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-Südrichtung zeigt.

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 Winkelgeschwindigkeit der Erde und der, mit welcher der Kreisel bewegt wird, ergibt. Eine Geschwindigkeit entlang des Meridians von 20 km/h verursacht eine Missweisung von lediglich 0,5°. Bei 150 km/h steigt sie 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 Beschleunigungsbewegungen, wie sie beim Stampfen oder Schlingern eines Schiffes auftreten. Sie lassen sich durch eine Dämpfung nach dem Verfahren von Maximilian Schuler verringern.

Ein moderner Kreiselkompass erreicht eine dynamische Ausrichtgenauigkeit von weniger als 0.5°, besser als ein optischer Faserkreisel.

Geschichte

Jean Bernard Léon Foucault 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. Um 1900 suchten August Föppl und andere nach technischen Lösungen für einen schnell drehenden Kreisel. 1876 erhielt William Thomson ein Patent auf einen Kompass.^[1] 1904 patentierte Hermann Anschütz-Kaempfe das technische Prinzip eines Kreiselkompasses. 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 Kompass 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 1908 einen Kreiselkompass patentieren. 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 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. ^[2]

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 den Kugelkompass mündeten, ein vollständig versiegeltes Kreiselsystem, das gegen Manipulationen geschützt und gegen Störungen weitgehend unempfindlich ist. Für dieses wurde Anschütz-Kaempfe 1922 ein Patent zuerkannt, in dem auch Einsteins Anteil an der Erfindung genannt ist.^[3]

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.

Siehe auch

• künstlicher Horizont

Weblinks

 Commons: Gyrocompasses – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Seite des Deutschen Museums zum Thema Pendel und Kreiselkompass
• ausführliche englischsprachige Erklärung zur Funktionsweise
• anschauliche Erklärung der Ausrichtung des Kreiselkompasses

Quellen

1. ↑ Jobst Broelmann: Die Entstehung des Kreiselkompasses als Navigationshilfe für militärische und zivile Nutzung in: Roland G. Foerster, et al.: Militär und Technik - Wechselbeziehungen zu Staat, Gesellschaft und Industrie im 19. und 20. Jahrhundert. Mittler, Herford 1992, ISBN 3-8132-0368-9, S.221
2. ↑ Dieter Lohmeier und Bernhardt Schell (Hrsg.): Einstein, Anschütz und der Kieler Kreiselkompaß, Boyens Buchverlag, Heide 1992, ISBN 978-3-8042-0606-9.
3. ↑ Bernd Sorge: Einstein, Anschütz und der Kieler Kreiselkompass, Vermessung Brandenburg, Heft 2/2007, 114–116.