מצפן גירוסקופי

חתך של מצפן גירוסקופי

המצפן הגירוסקופי (באנגלית: Gyrocompass) הוא סוג של מצפן לא מגנטי המבוסס על סיבוב דיסק מהיר וסיבוב כדור הארץ (או גוף אחר כוכבי לכת אם משתמשים בו במקומות אחרים ביקום) המשמש למצוא באופן אוטומטי את הכיוון הגאוגרפי. אף על פי שמרכיב אחד חשוב של המצפן הוא גירוסקופ, אין זה אותו מכשיר, והמצפן הגירוסקופי בנוי על מנת להשתמש בהשפעת הנקיפה הגירוסקופית, שהיא היבט ייחודי של ההשפעה הגירוסקופית בכלל.

המצפן הגירוסקופי נמצא בשימוש נרחב על אוניות בזכות שתי מעלות עיקריות על פני מצפנים מגנטיים:

• המצפן הגירוסקופי מצביע על הצפון האמיתי, כפי שנקבע על ידי סיבוב כדור הארץ, דבר המקל על הניווט באזורים הקרובים אל הקוטב הצפוני והדרומי, שם פעילות המצפנים המגנטים משתבשת.
• ישנם חומרים פרומגנטיים כמו שלדת האונייה העשויה לעיתים מפלדה.

פעולה

גירוסקופ הוא גלגל מסתובב רכוב על גימבל (Gimbal) כך שציר הסיבוב של הגלגל יכול לכוון את עצמו בכל דרך שהיא. כאשר הוא מסתובב במהירות כשצירו מצביע בכיוון מסוים, בשל חוק שימור התנע זוויתי, כאשר גלגל ישמור על הכיוון המקורי שלו בנקודה קבועה בחלל החיצון. היות שכדור הארץ מסתובב, נראה לצופה נייח על פני כדור הארץ, כי ציר הגירוסקופ משלים סיבוב מלא פעם אחת כל 24 שעות. הגירוסקופ משמש לניווט במקרים מסוימים, למשל במטוס, שם הוא ידועה בכינוי אינדיקטור, אבל הוא לא יכול בדרך כלל לשמש לניווט ארוך טווח בים. מרכיב חיוני נוסף הדרוש כדי להפוך גירוסקופ כזה למצפן גירוסקופי, הוא מנגנון שיגרום לו להצביע תמיד על הצפון האמיתי, כמו מומנט כוח.

היסטוריה

הצורה של המצפן הגירוסקופי, אם כי עדיין לא בת ביצוע, הומצאה בשנת 1852 על ידי הפיזיקאי הניסיוני הצרפתי לאון פוקו. בארצות הברית, התעשיין אלמר אמברוז ספרי פיתח שיטה מעשית לייצור המצפן הגירוסקופי, וייסד את חברת ספרי. המכשיר אומץ על ידי הצי האמריקני (1911), ומילא תפקיד מרכזי במלחמת העולם הראשונה. בחיל הים החלו להשתמש גם ב"מיקרופון המתכת" של ספרי: המערכת הראשונה של גירוסקופ המנחה במעין טייס אוטומטי את מערכת ההיגוי. בעשורים הבאים, מכשירים אלה ועוד מבית היוצר של ספרי אומצו על ידי ספינות קיטור כמו ספינת הדואר המלכותית המלכה מרי, מטוסים, וספינות מלחמה במלחמת העולם השנייה. לאחר מותו בשנת 1930, כינה חיל הים האמריקאי את ספינת המלחמה USS ספרי אחריו.

לפני ההצלחה של המצפן הגירוסקופי, מספר ניסיונות נעשו באירופה להשתמש בגירוסקופ במקום. בשנת 1880, ניסה ויליאם תומסון (לורד קלווין) להציע גירוסטט לחיל הים הבריטי. בשנת 1889, התאים ארתור קרבס מנוע חשמלי עבור הגירוסקופ הימי, עבור הצי הצרפתי. דבר שאפשר לצוללת הצרפתית Gymnote את היכולת לשמור על קו ישר מתחת למים במשך כמה שעות, מה שאפשר את אכיפת המצור הימי בשנת 1890.

תקלות

המצפן הגירוסקופי כפוף לטעויות מסוימות. אלה יכולות לכלול תקלות שמתרחשות כשהספינה או כלי הטיס מבצעים שינויים מהירים במסלולם, כשהשינוי המהיר גורם לסטיית קו הרוחב לפני שהמצפן הגירוסקופי מתאים את עצמו. לחלופין העיצוב מבוסס על שלשה אורתוגונליים של סיבים אופטיים ולייזר או טבעת גירוסקופיים יבטלו את השגיאות האלו, שכן הם תלויים ללא חלקים מכניים, ובאמצעות שימוש בעקרונות המרחק האופטי, כדי לקבוע את קצב הסיבוב.