Luftangetriebener Kreisel - Vorlesungssammlung Physik

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UL
M - 88
Mechanik
Kreiselkompass
Folie
ITÄT
M
Luftangetriebener Kreisel
ERS
IV
Sonstiges
Karte nur zur Benutzung in den Räumen der Universität Ulm, Vorlesungssammlung Physik
Anz. Blätter: 2
Datum: 25.10.99
Bearbeiter: Keller K.-D.
Stichworte:
Kreisel, luftangetriebener; Kreiselkompass
Zweck:
Der Versuch zeigt die Funktionsweise eines Kreiselkompasses.
Zubehör:
Großer Drehtisch {Bunker}
Luftangetriebener Kreisel {31-2}
2 Versuchstische (zusammengekoppelt)
Pressluft; eventuell Druckminderer {19-1}
Aufbau:
Drehtisch auf die 2 zusammengekoppelten Tische stellen und horizontal justieren
Luftangetriebenen Kreisel auf dem Drehtisch montieren (13mm-Schrauben)
Wenn die Drehzahl reguliert werden soll, kann der Druckminderer dazwischengesteckt
werden (Zusammenhang siehe Durchführung).
Bild:
Durchführung:
1. Richtung der Kreiselachse konstant
Kreiselgabel senkrecht nach oben stellen
Kreisel zum Laufen bringen
Drehtisch langsam drehen und beobachten, wie die Kreiselachse raumfest bleibt
2. Orientierung der Kreiselachse (Kreiselkompass)
Kreiselgabel um 45° nach außen kippen und justieren. Nicht mit Gummis oder
Anderem behindern !!!
Kreisel zum Laufen bringen
Drehtisch langsam drehen und beobachten, wie sich die Kreiselachse parallel zur
Drehachse des Drehtischs ausrichtet (da er nicht kräftefrei aufgehängt ist, siehe
Literaturhinweis). Wenn man den Drehtisch in die andere Richtung dreht, kippt auch
der Kreisel nach einer Weile um 180°.
Zusammenhang zwischen Luftdruck und Drehzahl des Kreisels:
14000
Drehzahl U / min
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
1
2
3
4
5
Luftdruck P / bar
P / bar
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
5
6
U / min
0
600
2800
5100
6700
7700
8300
9100
9900
10800
11500
Nach dem Versuch Kreiselkompass mit einer Schnur arretieren.
Hinweis:
Literatur:
Kreiselkompass:
Bergmann-Schaefer, Band 1, Seite 218
6
7
Kreiselkompass
Aus Bergmann Schaefer, Band 1, Seite 218:
Wir gehen zum Schluß dieses Abschnittes noch kurz auf eine Anwendung dieser Kreiseleigenschaft beim
Kreiselkompass ein. Theoretisch müsste ein vollkommen kräftefrei aufgehängter Kreisel seine einmal
zum Sternenhimmel eingestellte Kreiselachse dauernd beibehalten, auch wenn sich die
Aufhängevorrichtung in beliebiger Weise etwa auf einem fahrenden Schiff verdreht oder verschiebt.
Damit aber der Kreiselkompass auf der Erde immer nach Norden zeigt, haben Anschütz und Kämpfe
1910 das Problem des Kreiselkompasses mit einem Kreisel gelöst, der so aufgehängt ist, dass er der
Anziehungskraft der Erde unterliegt. Um die Wirkungsweise eines solchen Gerätes zu verstehen,
betrachten wir einen in Abb. IV, 136 in der Äquatorebene der Erde aufgehängten Kreisel.
Die Kreiselachse möge zunächst in der Stellung I horizontal und parallel zum Äquator liegen.
Der Aufhängepunkt des Kreisels liegt über seinem Schwerpunkt, so dass der Kreisel dem Einfluss der
Schwerkraft unterworfen ist. Dreht sich die Erde um den Winkel α, so kommt der Kreisel in die Stellung
II; dabei möge er zunächst die Richtung seiner Achse beibehalten. Nun versucht aber die im Schwerpunkt
des Kreisels angreifende Schwerkraft G den Kreisel um die durch A senkrecht zur Zeichenebene gehende
Achse zu drehen, um den Schwerpunkt wieder unter den Unterstützungspunkt A zu bringen. Diesem
Drehmoment (in der Zeichenebene rechts herum) weicht der Kreisel durch eine Drehung um die ebenfalls
durch A gehende Achse B in der eingezeichneten Richtung aus. Der Kreisel führt diese Drehung so lange
aus, bis seine Achse in der Nord-Süd-Richtung steht. In dieser Richtung bleibt sie, auch wenn sich die
Erde weiterdreht, da nur in dieser Stellung der Schwerpunkt des Kreisels unter seinem Aufhängepunkt
liegt. Was wir hier für einen Kreisel am Äquator abgeleitet haben, gilt selbstverständlich auch für jeden
anderen Punkt der Erde mit Ausnahme der Pole, wo der Kreiselkompass ebenso wie die Magnetnadel
versagt.
Bei der technischen Ausführung des Kreiselkompasses dient als Kreiselkörper der Anker eines
Drehstrommotors, der bei einem Durchmesser von 14,8 cm ein Trägheitsmoment von 136.000 g cm² und
bei 20.000 Umdrehungen/min einen Drehimpuls von 28*107 g cm² sec-1 besitzt. Zur Herabsetzung der
Lagerreibung bei der Aufhängung hängt das ganze Motorgehäuse an einem Schwimmer, der in einem
Topf mit Quecksilber schwimmt. Der große Vorteil eines solchen Kreiselkompasses ist, dass er von der
magnetischen Missweisung frei ist und ferner auf Schiffen mit großen Eisenmassen benutzt werden kann.
Auf die Korrekturen, die bei gewissen Schiffsbewegungen zu beachten sind, gehen wir hier, wo wir nur
das Prinzip der Anordnung behandeln, nicht näher ein.