thumb|Répétiteur de gyrocompas sur la passerelle du HMCS Algonquin.
Le gyrocompas, ou compas gyroscopique, est un instrument de navigation indiquant le nord géographique indépendamment du champ magnétique terrestre. Il est constitué par un gyroscope dont l'axe de rotation est maintenu horizontal. La précession induite par la rotation de la Terre aligne alors l'axe de rotation du gyroscope sur l'axe des pôles. Il faut compter deux à quatre heures pour l'alignement (temps d'établissement).
Son déploiement comme instrument de navigation date du début du , avec le remplacement des navires en bois par des navires en métal qui rendait problématique l'usage de la boussole. Ils présentent une déviation systématique dépendant de la direction et de la vitesse du déplacement. De ce fait, les gyrocompas sont principalement utilisés sur des navires à faible vitesse.
Historique vignette|Barogyroscope de Gilbert (croquis présent p. 160 de l'ouvrage A treatise on gyrostatics and rotational motion (1918) d'Andrew Gray
Ernest Lamarle (1806-1875), professeur à l'Université de Gand, énonce le principe du gyroscope peu de temps avant Foucault. C'est Léon Foucault qui utilise le premier un gyroscope, en 1852, pour démontrer la rotation de la Terre, le gyroscope conservant une orientation fixe par rapport au référentiel stellaire. C'est de cette expérience que le gyroscope tire son nom : l'instrument permet de voir (-scope) la rotation (gyro-) de la Terre. Louis-Philippe Gilbert, Les preuves mécaniques de la rotation de la terre. In Bulletin des sciences mathématiques et astronomiques 2e série, tome 6, no 1 (1882), p. 189-223. Cette expérience, extrêmement délicate parce que le gyroscope doit être soigneusement équilibré, suscite de nombreuses recherches, notamment dans le domaine de la navigation maritime. Plusieurs tentatives sont faites pour utiliser un gyroscope à la place d'un compas magnétique, avant d'arriver à la forme moderne du gyrocompas. En 1880, William Thomson (Lord Kelvin) tente de proposer un « gyrostat » à la marine britannique. En 1889, Arthur Krebs adapte un moteur électrique à un gyroscope marin Dumoulin-Froment, destiné à la marine française. Cela permet au sous-marin Gymnote de naviguer en ligne droite pendant plusieurs heures sous l’eau, ce qui lui permet de forcer un blocus naval simulé en 1890 par des cuirassés de la flotte au large de Toulon.
L'Américain Edward S. Ritchie (1814–1895) équipait la marine américaine en boussoles avant la guerre de Sécession. À l'époque, l'Amirauté Britannique n'utilisait encore que des boussoles à quadrant anéroïdes, mais Ritchie imagina d'amortir et atténuer les oscillations de l'aiguille grâce à un fluide visqueuxSelon , l'idée d'une boussole de marine embarquée à amortissement fluide remonterait au brevet de l'Anglais Francis Crow (1813)., et d'exploiter le principe gyroscopique grâce à une suspension à la Cardan : dès 1860 il déposa un brevet pour une boussole polyvalente à amortissement fluide..
Dans la continuité de ces travaux, Louis-Philippe Gilbert invente en 1882 le barogyroscope, instrument démontrant la rotation de la Terre, plus simple et maniable que le pendule et le gyroscope de Foucault. Dans ce montage, l'axe du gyroscope tend à être ramené à la verticale par un contrepoids, ce qui permet des oscillations quand le gyroscope est à l'arrêt. Lorsque le gyroscope est lancé, le phénomène du pendule gyroscopique entraîne une déviation positive ou négative de cet axe, qui ne s'annule que lorsque le plan d'oscillation est perpendiculaire au méridien. L'idée d'un rappel par contrepoids est à la base des gyrocompas.
vignette|Vue en éclaté d'un gyrocompas mécanique de type Anschütz.
Une première forme de gyrocompas, encore malcommode., est brevetée en 1885 par le néerlandais Marinus G. van den Bos. Le premier modèle utilisable pour la navigation est mis au point en 1906, en Allemagne, par Hermann Anschütz-Kaempfe (brevet DRP n° 182855 du ) qui veut atteindre le Pôle Nord en sous-marinCe ne fut réalisé que le par le . Une tentative antérieure, l'Expédition arctique du Nautilus (1931) avait échoué à 800 km du Pôle.. Anschütz-Kaempfe fonde ensuite à Kiel la société Anschütz & Co. pour la production en série de gyrocompas -la société s'appelle aujourd'hui Raytheon Anschütz GmbH.
Le même genre d'instrument est également breveté aux États-Unis en 1908 par Elmer Ambrose Sperry (brevet de 1908) qui fonde la Sperry Gyroscope Company en 1910. Ce type de gyrocompas est adopté par l’US Navy à partir de 1911 et joue un rôle majeur dans la Première Guerre mondiale.
L'exemple le plus fameux est l'appareillage en plein brouillard des deux croiseurs de bataille de l'Amiral Sturdee, les et , qui doivent rejoindre au plus tôt les îles Malouines, escale stratégique de ravitaillement en combustible dans l'Atlantique Sud, menacées par l'escadre allemande de Maximilian von Spee. Ce dernier vient d'anéantir l'escadre anglaise de l'Amiral Craddock lors de la Bataille de Coronel, au large du Chili. Les compas magnétiques déréglés par de récents travaux de structure métallique sont inopérants et un brouillard tenace règne sur le Solent, le bras de mer séparant la base navale de Portsmouth de l'Île de Wight. Elmer Sperry est justement à Portsmouth pour proposer son gyrocompas à l'amirauté britannique. Il est tout d'abord éconduit par les décideurs anglais, qui se ravisent in extremis (il est déjà dans le train pour Londres), et installent en toute hâte son système à bord du navire amiral. La sortie vers la haute mer se fait sans incidents et les deux navires de guerre, filant à toute vapeur, atteignent les îles Malouines quelques heures avant l'escadre allemande, lui infligeant une destruction quasi complète, le lors de la bataille des Falklands. Sperry, débarqué par la vedette du pilote à la sortie des passes, conclut alors un avantageux contrat qui fera sa fortune.
Sperry conteste par la suite le brevet d’Anschütz. Albert Einstein est à cet effet commis auprès du tribunal des brevets pour effectuer une expertise. Anschütz gagne le procès.
Le gyrocompas est une invention importante pour la navigation maritime, car il permet de déterminer avec une erreur faible (+/-1°) le cap vrai d’un navire à tout moment, quels que soient son mouvement, les conditions météorologiques et la quantité d’acier utilisée dans sa construction. Pendant l'entre-deux-guerres, la plupart des marines du monde équipent leurs navires de compas de type Anschütz, sauf la marine britannique qui reste longtemps fidèle aux boussoles inventées 40 ans plus tôt par Lord Kelvin, qui devait ses commandes plus à son lobbying intense qu'à la qualité de son produit. Après un premier test concluant sur le , les navires de lUS Navy en sont équipés.
Principe de fonctionnement thumb|Schéma de principe : gyroscope à un degré de liberté. thumb|Fonctionnement d'un gyrocompas à l'équateur (vue du pôle).
Un gyroscope libre est monté de manière que son essieu puisse s'orienter dans n'importe quelle direction. En raison de la loi de conservation du moment cinétique, une roue dans cette situation conservera son orientation d'origine. Étant donné que la Terre tourne, si l'axe de rotation de la roue n'est pas l'axe de rotation de la Terre, il semblera que l'axe du gyroscope tourne une fois toutes les 24 heures pour un observateur immobile sur Terre. Cependant, un gyroscope tournant de cette manière ne peut pas être utilisé en navigation. L'ingrédient supplémentaire crucial nécessaire est un mécanisme qui applique un couple lorsque l'axe du gyroscope ne pointe pas vers le nord.
Une méthode possible est d'utiliser un frottement pour appliquer le couple nécessaire : le gyroscope n'est donc pas totalement libre de se réorienter. Si, par exemple, un dispositif connecté à la tige est immergé dans un fluide visqueux, alors ce fluide résistera à la réorientation de la tige. Ce moment généré par la friction provoquée par le fluide est parallèle à l'axe de rotation de la Terre. Il aura un effet nul dans la direction de rotation du gyroscope, seule la composante orthogonale à cette rotation (et dans le plan commun des deux rotations) entraîne un couple agissant sur l'arbre, le faisant tourner dans le plan commun vers le nord géographique (l'étoile polaire). Une fois que l’axe pointe au nord, il apparaîtra immobile et ne subira aucune force de friction. En effet, le nord géographique est la seule direction pour laquelle le gyroscope peut rester sur la surface de la Terre sans être contraint de changer. Ceci est considéré comme un point d'énergie potentielle minimum.
Dans le schéma ci-contre, le principe de fonctionnement est sensiblement le même : alors que le gyroscope tendrait à rester fixe par rapport aux étoiles, le déplacement de son support terrestre déséquilibre la tension des deux fils et entraîne un moment le faisant tourner vers le plan méridien. Une autre méthode plus pratique consiste à utiliser des poids pour forcer l'axe du gyroscope à rester horizontal par rapport à la surface de la Terre, tout en lui permettant de tourner librement dans ce plan. Dans ce cas, la gravité appliquera un couple, forçant l’axe gyroscopique à faire face au nord. Parce que les poids limiteront l'axe à l'horizontale par rapport à la surface de la Terre, il ne pourra jamais s'aligner sur l'axe de la planète (sauf à l'équateur) et il doit être réaligné lorsque la Terre tourne. Mais en ce qui concerne la surface de la Terre, le gyroscope semblera être stationnaire et pointant à côté de la surface de la Terre en direction du pôle nord géographique.
Le schéma de la figure 2, vu du pôle sud, montre un gyroscope se déplaçant le long de l'équateur. Au départ, son axe de rotation s-n est parallèle à la surface de la Terre. Selon la conservation du moment cinétique, l'axe conserve sa direction même lorsqu'il se déplace vers la deuxième position indiquée. Mais à cause de la suspension spéciale, le gyroscope ne peut tourner librement que suivant la verticale. La force de gravité tend à incliner l'axe le long des flèches marquées D. Le couple généré par celui-ci fait basculer l’axe de rotation hors du plan du dessin et fait précéder le gyroscope. En amortissant le mouvement de rotation autour du point A, le gyroscope finit par s’immobiliser lorsque le couple devient nul, c'est-à-dire lorsque l'axe du gyroscope pointe dans la direction nord-sud.
Cet effet est maximal à l'équateur et varie en suivant la latitude. À proximité des pôles, le gyrocompas ne peut plus fonctionner car l’axe de rotation de la Terre y est presque vertical, et le couple projeté sur le plan horizontal devient très faible. Ces problèmes ont conduit au développement de compas à trois rotors.
Déviations du gyrocompas thumb|Dans le mouvement de précession d'un gyroscope en déséquilibre sous l'action de la gravité, l'écart de l'axe à l'horizontale reste constant.