La girobussola

Vi parlerò ora di una tecnologia attuale che viene affiancata alla normale bussola: "la girobussola".

Sono girobussole allo stato solido senza parti in movimento o in rotazione; nelle quali l'elemento sensibile è una bobina di fibre ottiche che è in grado di misurare la velocità di rotazione della Terra. Combinando tre di tali bobine e due sensori elettronici di livello si è capace di determinare la direzione del nord vero e del piano orizzontale per cui tali girobussole, oltre alla prora, forniscono informazioni sull'assetto della nave e le velocità angolari di rotazione attorno ai tre assi: longitudinale, trasversale e verticale (roll, pitch, rate of turn). Il principio fisico utilizzato è noto come effetto Sagnac mentre la tecnologia impiegata è quella strapdown, che è già in uso da parecchio tempo nella navigazione aerea e con la quale i sensori di rotazione e di livello sono montati direttamente (strapped down) sul veicolo eliminando le limitazioni dei sistemi a sospensione cardanica. L'elemento sensibile, ossia il giroscopio a fibre ottiche (FOG, Fiber Optic Gyro), ha trovato diverse altre applicazioni in sostituzione dei tradizionali giroscopi meccanici grazie alla loro resistenza agli urti e alle vibrazioni.

Il principio su cui si basa il funzionamento dei giroscopi ottici fu scoperto dal fisico francese Sagnac nel 1913 ed ha trovato inizialmente una sua applicazione nella costruzione di interferometri e successivamente nei giroscopi laser ad anello chiuso (RLG, Ring Laser Gyro). Tale principio consiste nello sdoppiare un unico raggio luminoso in due diversi raggi, che viaggiano su un medesimo percorso ottico ad anello chiuso; ma in direzioni opposte: un raggio ruota in senso orario e l'altro in senso antiorario.
Nei giroscopi RLG i raggi rimbalzano fra vari specchi, come mostrato in Fig. 1; nei giroscopi FOG (a fibre ottiche) i raggi scorrono dentro un fascio di fibre ottiche lungo anche 5 Km ed avvolte in spire del diametro di alcuni centimetri.
Quando un raggio si propaga, la sua fase cambia continuamente con la distanza L percorsa e precisamente di 2p radianti per ogni tratto pari alla lunghezza d'onda l; si ha pertanto:

a = 2 p L / l

con l = c / f, dove f è la frequenza del raggio luminoso e c è la velocità della luce.
Nel caso in cui il giroscopio sia fisso rispetto ad un sistema inerziale, i due raggi percorrono lo stesso cammino, anche se in direzioni opposte, arrivando nel ricevitore con la stessa fase. Diversa è la situazione in cui l'intero sistema ruota attorno ad un asse passante per O (asse sensibile del giroscopio) e con velocità angolare W; in tal caso il percorso del raggio concorde con il verso di rotazione tende ad allungarsi, mentre quello dell'altro raggio tende ad accorciarsi per cui la differenza di fase F dei segnali che arrivano nel ricevitore non è più nulla, ma assume la seguente espressione:

F = Da = (2 p L D / cl) W

dove:

L = lunghezza del percorso ottico o delle fibre ottiche nei FOG D = diametro del percorso o della bobina nei FOG W = velocità angolare del giroscopio attorno al suo asse sensibile

Il fattore davanti alla velocità angolare W è chiamato fattore di scala ed è un indicatore della sensibilità dello strumento; più è alto tale fattore, più lo strumento è in grado di misurare velocità angolari molto basse, come ad esempio nel caso di quella terrestre. Come si vede il fattore F dipende dai dati geometrici del percorso ottico e precisamente, nel caso dei FOG, dalla lunghezza delle fibre ottiche e dal diametro delle spire.

Analizzando la precedente espressione si comprende come, a parità di volume, i giroscopi a fibre ottiche (FOG) siano molto più sensibili dei giroscopi laser (RLG), ad esempio, con un diametro D = 8 cm dell'elemento sensibile, si hanno percorsi ottici di alcuni Km (L = 1÷5 Km) nel primo caso e di soli 25 cm nel secondo caso (L = p D).

Ovviamente questo è una parte che c'è da sapere sulle girobussole. Per sapere altro clicca qui.