Este artigo trata do dispositivo usado em navios. Para o instrumento giroscópico usado para determinar a proa de aeronaves, veja Indicador de rumo.
miniatura|Corte de uma bússola giroscópica Anschütz miniatura|Repetidor de bússola giroscópica
Uma bússola giroscópica, também chamada girocompasso é um tipo de bússola não magnética que usa um disco em rotação rápida e a rotação da Terra, ou de outro corpo planetário, se usada em outro lugar do universo, para determinar automaticamente uma direção geográfica. Seu funcionamento constitui uma das sete formas fundamentais de determinar o rumo de um veículo. S2CID 53587934. Um giroscópio é um componente essencial de uma bússola giroscópica, mas os dois são dispositivos diferentes. A bússola giroscópica é construída para aproveitar a precessão giroscópica, um aspecto próprio do efeito giroscópico. Cópia arquivada em 4 de março de 2017. Cópia arquivada em 27 de fevereiro de 2017. Bússolas giroscópicas, entre elas a bússola giroscópica de fibra óptica, são muito usadas para fornecer o rumo na navegação de navios.郭素云, ed. 1985. 陀螺仪原理及应用 [The Principle and Application of Gyroscopes], em chinês simplificado. Harbin Institute of Technology Press. 统一书号 15341·26. Google Books. Consultado em 12 de abril de 2025. Elas têm duas vantagens sobre as bússolas magnéticas: determinam o norte verdadeiro, definido pelo eixo de rotação da Terra, diferente do norte magnético e mais útil para a navegação; têm maior precisão, pois não são afetadas por materiais ferromagnéticos, como o aço do casco de um navio, que distorcem o campo magnético.
As bússolas giroscópicas de fibra óptica de nova geração também podem ajudar a proteger navios de posições de GPS potencialmente incorretas causadas por interferência e falsificação de sinais de GNSS. Essas bússolas podem calcular a própria posição tomando como referência dados verificados anteriormente.
Aeronaves costumam usar instrumentos giroscópicos, mas não bússolas giroscópicas, para navegação e monitoramento da atitude. Entre eles estão os instrumentos de voo, em especial o indicador de rumo, e o piloto automático giroscópico.
História A primeira forma de bússola giroscópica, ainda sem uso prático, Cópia arquivada em 2 de março de 2012. foi patenteada em 1885 por Marinus Gerardus van den Bos. Uma bússola giroscópica utilizável foi inventada em 1906, na Alemanha, por Hermann Anschütz-Kaempfe. Após testes bem-sucedidos em 1908, ela passou a ser usada em larga escala pela Marinha Imperial Alemã.Standard 22: Anschütz Gyro Compass System. Consultado em 19 de fevereiro de 2012. Cópia arquivada em 29 de junho de 2015. Anschütz-Kaempfe fundou em Kiel a Anschütz & Co. para produzir bússolas giroscópicas em série. A empresa passou a se chamar Raytheon Anschütz GmbH.Chambers of Commerce and Industry in Schleswig-Holstein. Cópia arquivada em 22 de fevereiro de 2017. Consultado em 22 de fevereiro de 2017. A bússola giroscópica permitiu determinar com precisão, a qualquer momento, a posição de uma embarcação independentemente do movimento do navio, das condições meteorológicas e da quantidade de aço usada em sua construção.
Nos Estados Unidos, Elmer Ambrose Sperry produziu um sistema funcional de bússola giroscópica em 1908, objeto da patente dos Estados Unidos 1.242.065, e fundou a Sperry Gyroscope Company. A Marinha dos Estados Unidos adotou o aparelho em 1911, e ele foi muito usado na Primeira Guerra Mundial. A Marinha também começou a usar o "Metal Mike" de Sperry, o primeiro sistema de governo com piloto automático orientado por giroscópio. Nas décadas seguintes, esses e outros dispositivos da Sperry foram adotados por navios a vapor, como o Queen Mary, por aviões e por navios de guerra da Segunda Guerra Mundial. Após a morte de Sperry, em 1930, a Marinha deu seu nome ao USS Sperry.
Em 1913, a C. Plath, fabricante de equipamentos de navegação de Hamburgo, na Alemanha, entre eles sextantes e bússolas magnéticas, desenvolveu a primeira bússola giroscópica instalada em um navio comercial. A C. Plath vendeu muitas dessas bússolas à Weems' School for Navigation, em Annapolis, Maryland. Pouco depois, os fundadores das duas organizações formaram uma aliança que deu origem à Weems & Plath.The Invention of Precision Navigational Instruments for Air and Sea Navigation, Weems & Plath. Cópia arquivada em 18 de julho de 2011.
miniatura|O giroscópio Dumoulin-Krebs de 1889 Antes do sucesso da bússola giroscópica, houve tentativas na Europa de usar um giroscópio em seu lugar. Por volta de 1880, William Thomson, Lord Kelvin, tentou propor um giróstato à Marinha Real Britânica. Em 1889, Arthur Krebs adaptou um motor elétrico ao giroscópio naval Dumoulin-Froment para a Marinha Francesa. O equipamento permitiu que o submarino francês Gymnote mantivesse uma linha reta debaixo d'água por várias horas e que rompesse um bloqueio naval em 1890.
Em 1923, Max Schuler publicou um artigo no qual observou que uma bússola giroscópica com ajuste de Schuler e período de oscilação de 84,4 minutos, equivalente ao período orbital de um satélite hipotético em órbita da Terra ao nível do mar, poderia tornar-se insensível ao movimento lateral e manter a estabilidade direcional. Cópia arquivada em 7 de julho de 2014.
Funcionamento Um giroscópio, que não deve ser confundido com uma bússola giroscópica, é uma roda giratória montada em um conjunto de cardãs, de modo que seu eixo possa orientar-se livremente em qualquer direção. Quando a roda gira em alta velocidade com o eixo apontado para determinada direção, a conservação do momento angular faz com que ela normalmente mantenha a orientação original em relação a um ponto fixo no espaço sideral, e não em relação a um ponto fixo na Terra. Como a Terra gira, para um observador estacionário em sua superfície o eixo de um giroscópio parece completar uma rotação a cada 24 horas.O efeito não é visível no caso específico em que o eixo do giroscópio está exatamente paralelo ao eixo de rotação da Terra. Um giroscópio desse tipo é usado para navegação em algumas situações, como em aeronaves, onde recebe o nome de indicador de rumo ou giroscópio direcional, mas normalmente não pode ser usado para navegação marítima de longa duração. Para transformar um giroscópio em uma bússola giroscópica, de modo que se alinhe automaticamente ao norte verdadeiro, é necessário um mecanismo que aplique torque sempre que o eixo da bússola não estiver apontado para o norte.
Um dos métodos usa atrito para aplicar o torque necessário.Gyrocompass, Auxiliary Gyrocompass, and Dead Reckoning Analyzing Indicator and Tracer Systems, San Francisco Maritime National Park Association. Cópia arquivada em 1 de junho de 2013. O giroscópio de uma bússola giroscópica não fica completamente livre para se reorientar. Se um dispositivo conectado ao eixo for imerso em um fluido viscoso, por exemplo, o fluido resistirá à reorientação do eixo. A força de atrito causada pelo fluido produz um torque sobre o eixo, fazendo-o girar em uma direção ortogonal ao torque, isto é, sofrer precessão, ao longo de uma linha de longitude. Quando o eixo aponta para o polo celeste, ele parece permanecer estacionário e deixa de sofrer forças de atrito. Isso ocorre porque o norte verdadeiro, ou o sul verdadeiro, é a única direção em que o giroscópio pode permanecer na superfície da Terra sem precisar mudar de orientação. Essa orientação do eixo corresponde a um ponto de mínima energia potencial.
Outro método, mais prático, usa pesos para obrigar o eixo da bússola a permanecer horizontal, perpendicular à direção do centro da Terra, mas permite que ele gire livremente no plano horizontal. A gravidade aplica então um torque que força o eixo da bússola na direção do norte verdadeiro. Como os pesos mantêm o eixo horizontal em relação à superfície terrestre, ele não pode alinhar-se ao eixo da Terra, exceto no equador, e precisa realinhar-se conforme a Terra gira. Em relação à superfície terrestre, porém, a bússola parece estacionária e aponta ao longo da superfície para o Polo Norte verdadeiro.
A função de busca do norte depende da rotação em torno do eixo da Terra, que produz a precessão giroscópica induzida por torque. Por isso, a bússola giroscópica não se orienta corretamente para o norte verdadeiro quando se desloca muito rapidamente de leste para oeste, a ponto de anular a rotação da Terra. Aeronaves, porém, costumam usar indicadores de rumo ou giroscópios direcionais. Esses instrumentos não são bússolas giroscópicas e não se alinham ao norte por precessão. Em vez disso, são alinhados manualmente ao norte magnético de tempos em tempos.NASA, NASA Callback: Heading for Trouble, NASA Callback Safety Bulletin, dezembro de 2005, n.º 305. Cópia arquivada em 16 de julho de 2011. Consultado em 29 de agosto de 2010.Nathaniel Bowditch. American Practical Navigator. Paradise Cay Publications, 2002, pp. 93–94. ISBN 978-0-939837-54-0. Cópia arquivada em 7 de março de 2017.
Erros Uma bússola giroscópica está sujeita a certos erros. Entre eles está o erro de velocidade, no qual mudanças rápidas de rumo, velocidade e latitude causam desvio antes que o giroscópio consiga se ajustar.Gyrocompass: Steaming Error, Navis. Cópia arquivada em 22 de dezembro de 2008. Consultado em 15 de dezembro de 2008. Na maioria dos navios modernos, o GPS ou outros auxílios à navegação fornecem dados à bússola giroscópica, permitindo que um pequeno computador aplique uma correção.
Como alternativa, um projeto baseado em uma arquitetura strapdown, com uma tríade de giroscópios de fibra óptica, giroscópios a laser ou giroscópios de ressonador hemisférico e uma tríade de acelerômetros, elimina esses erros, pois não depende de peças mecânicas para determinar a taxa de rotação.D. J. House. Seamanship Techniques: Shipboard and Marine Operations. Butterworth-Heinemann, 2004, p. 341.
Modelo matemático Considera-se uma bússola giroscópica como um giroscópio livre para girar em torno de um de seus eixos de simetria. O giroscópio em rotação também pode girar livremente no plano horizontal em torno da vertical local. Há duas rotações locais independentes. Além delas, considera-se a rotação da Terra em torno do eixo norte-sul, e o planeta é modelado como uma esfera perfeita. O atrito e a rotação da Terra em torno do Sol são desprezados.
Nesse caso, um observador sem rotação no centro da Terra pode ser aproximado por um referencial inercial. Estabelecem-se coordenadas cartesianas para esse observador, chamado 1-O, e o baricentro do giroscópio fica a uma distância do centro da Terra.
Primeira rotação dependente do tempo Considere outro observador, 2-O, não inercial, no centro da Terra e em rotação em torno do eixo norte-sul com velocidade angular As coordenadas ligadas a esse observador são estabelecidas por
de modo que o versor unitário , , seja mapeado para o ponto . Para 2-O, nem a Terra nem o baricentro do giroscópio se movem. A rotação de 2-O em relação a 1-O ocorre com velocidade angular . Supõe-se que o eixo indique os pontos de longitude zero, o meridiano principal ou meridiano de Greenwich.
Segunda e terceira rotações fixas Faz-se então uma rotação em torno do eixo , de modo que o eixo tenha a longitude do baricentro. Nesse caso,
Com a rotação seguinte, em torno do eixo por um ângulo , a colatitude, leva-se o eixo ao zênite local do baricentro, o eixo . Isso pode ser feito pela matriz ortogonal a seguir, de determinante unitário:
de modo que o versor , , seja mapeado para o ponto
Translação constante Escolhe-se outra base de coordenadas cuja origem fica no baricentro do giroscópio. Isso pode ser feito pela translação a seguir ao longo do eixo do zênite:
de modo que a origem do novo sistema, , fique no ponto e seja o raio da Terra. O eixo aponta então para o sul.
Quarta rotação dependente do tempo