La Girobussola (livello 1)

La Girobussola
Chi non ha giocato almeno una volta, da bambino, con una trottola. Il gioco più bello
era quello di farla stare in piedi anche dopo averle fatto scendere un gradino, oppure
dopo averle dato una spinta.
In quei momenti, inconsapevolmente, giocavamo con un principio di fisica che
prende il nome di “ Inerzia Giroscopica” . Ma cosa significa? Quando la trottola ruota
velocemente intorno al suo asse, acquista una particolare proprietà, quella di
mantenere l’asse di rotazione rivolto sempre in una medesima direzione, nonostante
le spinte e i gradini da scendere. In fisica, un corpo che ruota ad alta velocità intorno
al suo asse è chiamato “ giroscopio” . L’inerzia giroscopica è la caratteristica propria
di un giroscopio che è quella di mantenere il suo asse di rotazione rivolto sempre
verso un punto dello spazio inerziale (una stella) e di potersi orientare liberamente.
Questa è la stessa proprietà utilizzata nelle armi balistiche per aumentarne la
precisione e la gittata, e si ottiene mediante una scarificazione a spirale della canna
di fuoco.
Il giroscopio, però, ha anche altre proprietà che vengono sfruttate per la
realizzazione della girobussola. La principale tra queste è quella di non rispondere
alla meccanica comune quando si applica una forza in punto dell’asse di rotazione.
Consideriamo un giroscopio in rapida rotazione e tracciamo il vettore che
rappresenta la sua rotazione e lo chiamiamo IΩ.
Tale vettore deve essere tracciato in modo che un osservatore disposto con i piedi
sul punto di applicazione possa vedere la rotazione del giroscopio in senso
antiorario. Applichiamo un peso p sull’asse del giroscopio. Questa forza determina
una coppia che, se il giroscopio fosse fermo, farebbe abbattere il suo asse nel
piano verticale. Questo movimento è rappresentabile mediante un vettore tracciato
in modo da vedere la rotazione in senso antiorario, che prende il nome di " Vettore
Coppia C".

Sperimentalmente, però, ci si è resi conto che il giroscopio risponde alla forza p con
una rotazione dell’asse su un piano ad esso perpendicolare, cioè cercherà di
raggiungere il vettore coppia C.
Questo movimento è chiamato “ Precessione libera” .
Una cosa simile succede se invece di una forza, si applica una rotazione. In questo
caso, infatti, applicando una rotazione antioraria all’asse Z del giroscopio, vedremo
nascere un movimento precessionario, definito "Precessione forzata", che porta
l'asse del girostato a sovrapporsi al vettore ω.
Otteniamo lo stesso risultato anche se applichiamo la rotazione all’asse X. Questo,
ci porta a concludere, che l'asse del giroscopio tende sempre a sovrapporsi al
vettore che rappresenta la rotazione perturbatrice (Teoria della sovrapposizione
delle velocità).
Pertanto se si potesse sottoporre il giroscopio ad una rotazione tale che il relativo
vettore fosse allineato perfettamente con la linea meridiana NORD-SUD, si
potrebbero creare i presupposti per trasformare la nostra "trottola" in uno strumento

direzionale! In realtà questa rotazione esiste già ed è determinata dalla rotazione
terrestre. Ecco come nasce.
Il nostro pianeta ruota intorno al suo asse in senso antiorario. Tale rotazione può
essere rappresentata mediante un vettore ρ rivolto verso il polo nord ed il cui punto
di applicazione è il centro della terra. Ipotizzando un osservatore posto nell'emisfero
nord ad una latitudine Φ, il suo piano orizzontale è soggetto alla stessa rotazione
che, per comodità, scomponiamo in due vettori: una componente rivolta verso lo
ZENIT (ρ"); mentre la seconda rivolta verso il cardine NORD del piano meridiano
(ρ'). Queste due rotazioni angolari dovute alla rotazione terrestre, sono quelle che
rappresentano, rispettivamente, il movimento apparente in azimut degli astri (il piano
ruota in senso antiorario intorno all’asse Zenit-Nadir) ed il movimento apparente in
altezza degli astri (il piano ruota in senso orario intorno all’asse Nord-Sud).
Dunque, se vincoliamo il giroscopio al piano orizzontale, in pratica non facciamo
altro che rendere inattiva la rotazione in azimut (ossia la componente ρ") e quindi il
giroscopio orienterà il suo asse con un movimento precessionario lungo la linea
meridiana sovrapponendosi alla componente ρ' della rotazione terrestre (Bussola di
Foucault).
Purtroppo una soluzione simile è impossibile sulle navi a causa dei movimenti di
rollìo, beccheggio e imbardata (movimenti di piattaforma). E' possibile però, ricreare
il piano orizzontale sospendendo il giroscopio e applicandovi una zavorra. In questo
modo, durante le rotazioni del piano meridiano, il giroscopio è assoggettato ai due
vettori della rotazione terrestre e ad un terzo vettore che nasce a causa della
zavorra. Questa, infatti, determina una coppia ogni qualvolta l'asse del giroscopio si

allontana dal piano orizzontale facendolo precessionare sulla linea meridiana
NORD-SUD.
Adesso la nostra trottola è diventata una bussola giroscopica. Ma per poter essere
utilizzata a bordo delle navi, è necessario che l'allineamento avvenga in tempi
relativamente brevi. Infatti, se non ci fossero gli attriti, l'asse del girostato non si
allineerebbe mai percorrendo un'ellisse definita "Ellisse teorica". E' necessario,
quindi, creare un sistema di smorzamento delle oscillazioni tali da consentire un
allineamento iniziale rapido ed un sicuro mantenimento dello stesso.
Per ovviare a quest'ultimo inconveniente, due brevetti diventano i sistemi di
smorzamento per antonomasia: SPERRY e MICROTECNICA. Entrambi assolvono
allo stesso compito utilizzando tecniche diverse. Il primo mediante un sistema di
vaschette comunicanti denominato "Balistico a Mercurio", il secondo attraverso l'uso
di un truogolo ad olio.
Finalmente, adesso, la nostra girobussola è completa. Non resta che arricchirla di
tutti quegli accessori necessari per renderla uno strumento direzionale della
navigazione moderna.
Determinazione dell'errore
Al fine di tenere sotto controllo l'errore residuo della girobussola, si deve effettuare
un semplice calcolo:
1. Determinare l'istante del sorgere e calcolare l'azimut vero del sole;
2. Misurare al medesimo istante l'azimut vero del sole (lembo superiore) mediante
un apparecchio azimutale posto sulla ripetitrice dell'aletta (o in controplancia);
3. Eseguire la sottrazione Azv - Azo per ottenere l'errore εg della girobussola;
4. Essendo nota la relazione Pv = Pgb +εg , si può controllare anche la bussola
magnetica eseguendo:
5. (1) Pv = Pgb +εg (2) Vm = Pv - Pbussola (3) δ = Vm - d
Tutti calcoli vengono riportati su un quaderno. La deviazione bussola così ottenuta
va confrontata con quella tabellata redatta dal compensatore (tabella delle
deviazioni). Se il valore non corrisponde, è necessario verificare l'errore per diverse
"prore".