En topografía , una giroteodolito (también: topografía gyro ) es un instrumento compuesto de un girocompás montado en un teodolito . Se utiliza para determinar la orientación del norte verdadero . Es el principal instrumento de orientación en el levantamiento de minas [1] y en la ingeniería de túneles, donde las miras de estrellas astronómicas no son visibles y el GPS no funciona.
Historia
En 1852, el físico francés Léon Foucault descubrió que un giróscopo con dos grados de libertad apunta al norte. Este principio fue adaptado por Max Schuler en 1921 para construir el primer giróscopo topográfico. En 1949, el giroscopio-teodolito - en ese momento llamado "puntero de meridiano" o "indicador de meridiano" [2] - fue utilizado por primera vez por la Academia de Minería de Clausthal bajo tierra. Varios años más tarde se mejoró con la adición de telescopios de autocolimación . En 1960, la empresa Fennel Kassel produjo el primero de la serie KT1 de giroscópicos teodolitos. [3] Fennel Kassel y otros más tarde produjeron accesorios de giro que se pueden montar en teodolitos normales. [4]
Operación
Un giroscopio está montado en una esfera, revestida con Mu-metal para reducir la influencia magnética, conectado por un huso al eje vertical del teodolito. La rueda giroscópica alimentada por batería gira a 20.000 rpm o más, hasta que actúa como un giroscopio que busca el norte. [2] Un sistema óptico separado dentro del accesorio permite al operador rotar el teodolito y, por lo tanto, hacer que una marca cero en el accesorio coincida con el eje de giro del giroscopio. Al seguir el eje de giro a medida que oscila alrededor del meridiano, se puede determinar un registro del azimut de una serie de puntos estacionarios extremos de esa oscilación mediante la lectura del círculo de azimut del teodolito. Posteriormente, se puede calcular un punto medio a partir de estos registros que representa una estimación refinada del meridiano. Una configuración cuidadosa y observaciones repetidas pueden dar una estimación que se encuentra dentro de unos 10 segundos de arco del meridiano verdadero. [5] Esta estimación del meridiano contiene errores debido a que el par cero de la suspensión no está alineado con precisión con el meridiano verdadero ya errores de medición de los extremos de oscilación ligeramente amortiguados. Estos errores se pueden moderar refinando la estimación inicial del meridiano a unos pocos minutos de arco y alineando correctamente el par cero de la suspensión. [6]
Cuando la rueda giratoria se libera de la restricción con su eje de rotación alineado cerca del meridiano, la reacción giroscópica del giro y la rotación de la Tierra da como resultado la precesión del eje de giro en la dirección de alineación con el plano del meridiano. Esto se debe a que la rotación diaria de la Tierra está inclinando continuamente el eje este-oeste de la estación. El eje giratorio luego acelera y sobrepasa el meridiano, luego se desacelera hasta detenerse en un punto extremo antes de girar de manera similar hacia el punto inicial de liberación. Esta oscilación en azimut del eje de la ruleta alrededor del meridiano se repite con un período de unos minutos. En la práctica, la amplitud de oscilación solo se reducirá gradualmente a medida que se pierda energía debido a la mínima amortiguación presente. [4] Los giroteodolitos emplean un sistema oscilante no amortiguado porque se puede obtener una determinación en menos de 20 minutos, mientras que el asentamiento asintótico de un girocompás amortiguado tomaría muchas veces más que antes de que pudiera hacerse una determinación razonable del meridiano. [1]
Cuando no está en funcionamiento, el conjunto de giroscopio está anclado dentro del instrumento. El giroscopio eléctrico se enciende mientras está sujeto y luego se suelta para su funcionamiento. Durante el funcionamiento, el giroscopio se sostiene dentro del conjunto del instrumento, generalmente sobre una cinta vertical delgada que restringe el eje giratorio del giroscopio para que permanezca horizontal. Se permite que la alineación del eje de giro gire en azimut solo la pequeña cantidad requerida durante la operación. Se necesita una estimación aproximada inicial del meridiano. Esto podría determinarse con una brújula magnética , a partir de una red de levantamiento existente o mediante el uso del giroteodolito en un modo de seguimiento extendido.
Usos
Los giroteodolitos se utilizan principalmente en ausencia de visores de estrellas astronómicas y GPS . Por ejemplo, cuando un conducto debe pasar por debajo de un río, un eje vertical a cada lado del río podría estar conectado por un túnel horizontal. Se puede operar un giroteodolito en la superficie y luego nuevamente al pie de los ejes para identificar las direcciones necesarias para hacer un túnel entre la base de los dos ejes. [7] Durante la construcción del Túnel del Canal de la Mancha , que corre bajo el Canal de la Mancha desde Francia hasta el Reino Unido, se utilizaron giroscópicos teodolitos para alinear los túneles. [8]
Limitaciones
Aunque funciona una giroteodolito en el ecuador y en los hemisferios norte y sur, no se puede utilizar ya sea en el Polo Norte o el Polo Sur , donde el eje de la Tierra es precisamente perpendicular al eje horizontal de la ruleta y el meridiano no está definido . Los giroteodolitos no se utilizan normalmente a unos 15 grados del polo, donde el ángulo entre la rotación de la tierra y la dirección de la gravedad es demasiado pequeño para que funcione de forma fiable.
A diferencia de un horizonte artificial o un sistema de navegación inercial , un giroscopio teodolito no se puede reubicar mientras está en funcionamiento. Debe reiniciarse nuevamente en cada sitio.
Cuando están disponibles, las miras de estrellas astronómicas pueden dar el rumbo del meridiano a más de cien veces [ cita requerida ] la precisión del giroscopio-teodolito. Cuando no se requiere esta precisión adicional, el giroscopio-teodolito puede producir un resultado rápidamente sin la necesidad de observaciones nocturnas.
Referencias
- ^ a b Wang Hong-lan (septiembre de 1987), "Análisis del movimiento de un giroscopio-teodolito", Matemáticas y mecánica aplicadas , 8 : 889–900, doi : 10.1007 / BF02019527
- ^ a b Staley, William Wesley (1964), Introducción a la prospección de minas , Stanford University Press, págs. 169-170, ISBN 0-8047-0361-2
- ^ Deumlich, Fritz (1982), Topografía , Walter de Gruyter, p. 18, ISBN 3-11-007765-5
- ^ a b Heribert Kahmen, Wolfgang Faig (1988), Topografía , Walter de Gruyter, págs. 112-116, ISBN 3-11-008303-5
- ^ Smith, James Raymond (1997), Introducción a la geodesia: la historia y los conceptos de la geodesia moderna , Wiley-IEEE, p. 174, ISBN 0-471-16660-X
- ^ Wilfred Schofield, Mark Breach (2007), Ingeniería topográfica , Butterworth-Heinemann, págs. 519–533, ISBN 0-7506-6949-7
- ^ N. Korittke; H. Klapperich (1998), "Aplicación de giroscopios de alta precisión en túneles", en Arsenio Negro; Argimiro A. Ferreira (eds.), Túneles y metrópolis: actas del Congreso Mundial de Túneles'98 sobre túneles y metrópolis: Sao Paulo, Brasil, 25-30 de abril de 1998 , Taylor & Francis, págs. 823–827, ISBN 90-5410-936-X
- ^ Kirkland, Colin J. (1995), Engineering the Channel Tunnel , Taylor & Francis, págs. 55–56, ISBN 0-419-17920-8