Marine Zeebrugge
Le compas magnétique et gyroscopique
Boussole
Root » Serveurs » Electro » Marine Zeebrugge » Boussole

-

-


Magnétomètre à vanne de flux (fluxgate)
utilisé comme compas magnétique


Déviation magnétique


Vu du pôle nord, un gyroscope en activité pointe toujours vers la même direction.
Comme la terre tourne sur elle même, le gyroscope placé à l'aquateur qui pointe vers l'est (à minuit) va pointer vers le bas (à 6h), vers l'ouest (à midi) et vers le haut (à 18h).
Vu de l'espace l'axe de rotation du gyroscope est immobile.


Il en va de même d'un navire qui a à son bord un gyroscope: celui-ci pointe toujours dans la même direction.


Nous continuons l'exemple avec plusieurs gyroscopes.
Le gyroscope B et E sont les seuls qui ont un axe de rotation horizontal (forcé par le lestage du cardan). Ce sont devenu des gyrocompas
Le gyrocompas B pointe toujours vers le nord, tandis que le gyrocompas E pointe toujours vers le même endroit dans l'espace.
Si nous transformons le gyroscope D en gyrocompas, celoi-ci van incliner son axe de rotation à l'horizontale, et on se retrouve dans la situation E (mais il ne pointera pas nécessairement dans la mêm direction).
Si nous transformons les gyroscopes A et C en gyrocompas, ils vont incliner l'axe de rotation à l'horizontale (comme indiqué par le gyroscope A à gauche et le gyroscope C au milieu), puis diriger cet axe parallelement à l'axe de rotation de la terre. Sur l'équateur (gyroscopes C) ces deux axes sont parallèles, mais plus au nord (gyrocompas A), l'inclinaison est forcée vers l'horizontale par les poids du cardan.

Pourquoi le gyrocompas met-il si longtemp à se stabilier quand on le met en route? La rotation de la terre sur elle-même se fait en 24 heures. L'effet sur le gyrocompas n'apparait qu'au bout de plusieurs minutes, d'abord très faible, puis de plus en plus fort. Pour avoir un gyrocompas stable (qui ne réagit pas aux changements de cap et de vitesse), sa période d'oscillation est d'environ une heure. Il faut plusieurs oscillations amorties pour que le compas indique la direction correcte. Plus on s'approche des pôles, et plus la stabilisation du gyrocompas met du temps.


Précession: je donne l'explication du fonctionnement du gyrocompas sans utiliser ce mot. La précession est d'application avec pratiquement tous les corps tournant rapidement (étoiles, planètes, mais aussi électrons et autre composants de la matière). Utiliser le mot précession me forcerait à l'expliquer... Les explications plus techniques sont données sur la page du fonctionnement d'un gyrocompas moderne.


L'explication du fonctionnement d'un gyrocompas donnée ici est très sommaire, et un tel gyrocompas ne fonctionnerait pas très bien sur des navires en mouvement continuel. Un gyrocompas pratique contient des systèmes de stabilisation pour neutraliser les mouvements des navires.

Un exemple est le remplacement du poids par un double (ou quadruple) réservoir de mercure relié par un fin siphon. Les réservoirs de mercure ont comme avantage d'avoir leur centre de gravité qui correspond exactement avec celui du gyroscope. De plus le siphon est très fin et amortit le balancement. Cela réduit les oscillations parasites du système.


Gyrocompas de démonstration

La boussole (qu'on appelle compas dans la Marine) sert à indiquer le nord. Il existe plusieurs types de boussoles selon le principe de fonctionnement. Puisque ce site traite de la Marine, on ne parle plus que de compas. La boussole, c'est pour les gens à pied qui ont perdu le nord.

Compas magnétique

La boussole a une languette magnétisée (aiguille) mobile qui peut tourner librement. Des repères sont marqués sur la partie fixe. Le compas a des graduations sur la partie mobile (qui n'a plus la forme d'une aiguille mais d'un disque) et dispose d'un repère (ligne de foi) parallèle à l'axe du navire. La graduation sous la ligne de foi indique le cap du navire. Le disque flotte dans un liquide qui amortit les embardées du navire.

C'est le type le plus ancien de compas qui fonctionne grâce au champ magnétique de la terre. Les planètes qui n'ont pas de champ magnétique ne permettent pas l'utilisation de la boussole ou du compas.

En gros, le champ magnétique est dirigé vers le pôle nord, mais 3 corrections sont nécessaires:

l'inclinaison, la déclinaison et la déviation.

Le champ n'est pas horizontal, mais il dévie vers le bas du côté nord en Europe. Pour compenser cet effet (l'inclinaison magnétique), les compas ont un petit contrepoids monté sur l'aiguille: sur celles utilisées dans l'hémisphère nord sur l'extrémité sud et sur celles utilisées dans l'hémisphère sud sur l'extrémité nord.

Le champ magnétique n'est pas dirigé parfaitement vers le nord géographique, l'erreur est appellée déclinaison magnétique et varie d'un endroit à l'autre (on appelle cet effet également la variation magnétique). La déclinaison est causée par le fait que les lignes du champ magnétique ne sont pas rectilignes (distribution irrégulière des masses sur terre). La déclinaison varie lentement au fil du temps.

Des cartes spécifiques reprennent la déclinaison, avec des isogones qui indiquent les zones de même déclinaison. L'inclinaison est également reprise sur des cartes avec des isoclines. Les lignes de force du champ magnétique sont appellées isodynames.

En plus de cette variation, il faut compenser le champ magnétique propre du navire (cette erreur est appellée déviation). La déviation varie avec le cap du navire et un tableau reprend la correction à effectuer selon le cap affiché (voir second graphique à droite)

L'erreur cumulée d'un compas magnétique est de 8° environ (et varie selon le cap et la position du navire).

Le grand avantage du compas magnétique est qu'il ne nécessite pas de source de courant et ne peut pratiquement pas tomber en panne. Il est obligatoire sur les navires, même s'ils disposent de moyens de navigation plus modernes.

Compas magnétique électronique

Le compas magnétique mécanique est parfois secondé par un compas électronique qui mesure le champ magnétique via un capteur fluxgate en deux dimensions et dispose d'un calculateur pour transformer le signal en indication de cap magnétique. Ce capteur peut par exemple être placé dans le mât où il est moins influencé par la masse métallique du navire. Il produit une mesure plus précise mais ne peut pas remplacer le compas magnétique mécanique.

Compas gyroscopique

Le compas gyroscopique se compose d'un gyroscope (une toupie qui tourne à très grande vitesse) monté sur un cardan, permettant son inclinaison dans toutes les directions. L'énergie cinétique stockée dans un gyroscope peut être énorme, on a même fait rouler des bus grâce à l'énergie stockée dans un gyroscope (faites une recherche "gyrobus").

Le gyroscope à tendance à garder la même inclinaison, quelle que soit la rotation de la terre. En rotation, son moment d'inertie est très élevé. Il pointe par exemple vers la même étoile. Par rapport au référentiel de la terre, le gyroscope en fonctionnement pointe vers la même direction toutes les 24 heures. Mais si le gyroscope garde son inclinaison du fait de sa très forte masse (il tourne en pratique à une vitesse entre 3.000 et 24.000 tours/minute), il n'indique pas nécessairement le nord.

Il faut un "truc" pour transformer un gyroscope en gyrocompas. On va très légèrement forcer le gyroscope vers une direction donnée (en lestant le cardan pour qu'il se stabilise à l'horizontale). L'axe de rotation préférentiel du gyroscope est maintenant à l'horizontale. Si au démarrage l'axe de rotation pointe par exemple en oblique vers le haut, le petit poids va tirer l'axe de rotation vers l'horizontale. Nous venons de fixer la direction du gyroscope dans une dimension, le plan horizontal. Mais l'axe de rotation ne pointe toujours pas nécessairement vers le nord.

Continuons notre explication pour l'équateur. La rotation de la terre exerce une contrainte sur le gyroscope, et cette contrainte est d'autant plus grande que l'axe de rotation du gyroscope et celui de la terre forment un angle. Supposons que l'axe de rotation pointe vers l'est ou l'ouest. Comme la terre tourne, le gyroscope a tendance à garder son inclinaison. Pour la garder, il doit faire basculer le plan qui était à l'horizontale, et donc lever le poids du cardan. Le gyroscope (axe de rotation) va se tourner de telle manière que la contrainte soit la plus faible, donc vers le nord (ou sud) géographique. En effet, quand le gyroscope pointe vers le nord ou sud, son orientation ne doit pas changer pendant la rotation de la terre autour de son axe. En conclusion, le gyrocompas aligne son angle de rotation sur celui de la terre. Cela ne se fait pas immédiatement, mais peut durer plusieurs heures en cas de mise en marche.

Le phénomène physique qui fait se pointer l'axe du gyroscope vers la direction du niveau d'énergie le plus faible est comparable à celui du pendule qui termine son oscillation avec le poids au niveau le plus bas. Quand l'axe de rotation du gyroscope et de la terre ne correspondent pas, la précession à tendance à faire monter le poids. Or un système n'est stable que quand il a le niveau d'énergie potentielle le plus bas (cfr. le pendule). Soit la terre doit aligner son axe de rotation sur celui du gyroscope, soit c'est le gyroscope qui doit s'adapter. En pratique, c'est le gyroscope qui a une masse moindre que la terre qui s'aligne sur l'axe de rotation de la terre.

Cet alignement est valable à l'équateur, mais se fait également sentir plus au nord ou au sud. Ici il y a deux effets qui agissent: le lest qui aligne l'angle de rotation sur le plan horizontal, et l'inertie du gyroscope qui fait aligner celui ci sur l'axe de rotation de la terre. Le résultat est que l'axe de rotation peinte vers le nord géographique.

La poussée du gyrocompas est bien supérieure à celle d'un compas magnétique, mais cela ne suffit pas à commander directement les compas répétiteurs. La poussée du gyrocompas est amplifiée et transmise à un cadre extérieur qu'on dit fantôme. Ce cadre permet de guider les cables de commande qui ainsi n'ont aucun effet de poussée sur le gyrocompas même.

Si le gyroscope n'est pas influencé par les masses magnétiques du navire et les erreurs de déclinaison et apporte ainsi une précision accrue (erreur inférieure à 1°), il n'est pas la panacée. En effet il nécessite plusieurs heures pour se stabiliser après sa mise en route. Il réagit mal aux brusques changements de cap ou de vitesse (il n'est pas utilisé sous cette forme dans les avions). C'est de plus un appareil mécanique de précision qui doit régulièrement être entretenu.

Certains gyrocompas sont connectés à une boussole magnétique électronique (de type fluxgate) pour accélérer la stabilisation lors de la remise en route. Tant que le gyroscope n'est pas parfaitement calé vers le nord, c'est la boussole qui indique le nord.

Tout comme le compas magnétique, son fonctionnement devient moins précis près des pôles, puisque l'effet de la rotation terrestre est moindre. Près des pôles, le compas gyroscopique pointe toujours vers la même direction par rapport aux étoiles.

Les avions, les missiles et les fusées utilisent une plateforme inertielle qui permet de déterminer le mouvement absolu de l'objet. La plateforme a malgré tout une dérive, ce qui fait qu'un recalage régulier est nécessaire, par exemple grâce au signal de satellites de navigation.

Le gyrocompas est détaillé plus précisément sur une autre page.

Navigation par satellite

Ce système fournit la position du navire en se basant sur la distance entre le navire et plusieurs satellites de navigation. La position du satellite de navigation est connue avec une grande précision. La position du navire est calculée en intégrant dans le temps le signal de plusieurs satellites.

pour obtenir le cap, il faut un système supplémentaire qui va mesurer le temps mis par le signal du satellite pour atteindre plusieurs antennes de réception.

Contrairement aux systèmes de navigation inertielle, la navigation par satellite fournit un positionnement absolu qui ne se dégrade pas avec le temps. Même le compas (magnétique ou gyroscopique) fournit une indication de cap, et la position est calculée approximativement.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's