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Ein Kreiselinstrument, auch Kreiselstabilisator oder Gyroskop (aus dem Altgriechischen gûros, "Kreis" und skopéō, "zu schauen") ist eine Vorrichtung zur Messung von Orientierung und Winkelgeschwindigkeit. Es besteht aus einer Scheibe, bei der die Drehachse (Spinachse) frei ist, jede Orientierung selbst vorzunehmen. Beim Drehen wird die Ausrichtung dieser Achse durch Kippen oder Drehen der Halterung nicht beeinflusst, entsprechend der Erhaltung des Drehimpulses.

Jeder rotierende Körper, der zwei grundlegende Eigenschaften aufweist: gyroskopische Trägheit oder Richtungsstabilität und Präzession, das Kippen der Achse im rechten Winkel zu jeder Kraft, deren Einwirken zu einer Veränderung der Rotationsebene führt. Diese Eigenschaften weisen alle rotierenden Körper auf, auch die Erde selbst. Der Ausdruck Kreisel wird gewöhnlich für kugelförmige, radförmige oder scheibenförmige Körper verwendet. Sie können sich frei in jede Richtung drehen und werden zur Demonstration der genannten Eigenschaften oder für die Anzeige von Bewegungen im Raum benutzt. Ein Kreisel, der davon abgehalten wird, sich um eine andere als die Rotationsachse zu drehen, wird auch als Gyrostat bezeichnet. In fast allen praktischen Anwendungen wird ein Gyroskop auf diese Weise festgehalten oder kontrolliert. Die Vorsilbe Gyro- bzw. das Wort Kreisel- wird der Bezeichnung für die Anwendung vorangestellt, wie z. B. in Kreiselkompass, Kreiselstabilisator und Kreiselpilot.

Gyroskopische Trägheit (Kreiselträgheit)

Die Richtungsstabilität eines Kreisels ist eine Folge des ersten Newtonschen Bewegungsgesetzes (siehe Mechanik). Es besagt, dass ein Körper bestrebt ist, im Zustand der Ruhe oder einförmigen Bewegung zu verharren, wenn keine Kräfte von außen auf ihn einwirken. Daher beharrt das Rad eines sich drehenden Kreisels in seiner Bewegung in der gleichen Ebene um die gleiche Achse im Raum. Ein Beispiel für diese Beharrung ist eine Gewehrkugel, die beim Flug aufgrund ihrer Rotation Kreiselträgheit aufweist und daher dazu neigt, eher eine gerade Flugbahn einzuhalten als ohne Rotation. Kreisel sind z. B. Bestandteil automatischer Steuerungs- oder Trägheitslenkungssysteme in Flugzeugen, Schiffen, Lenkraketen, Raketen und U-Booten. Die Trägheitslenkungen in diesen Systemen umfassen Kreisel und Beschleunigungsmesser, die kontinuierlich die genaue Geschwindigkeit und Richtung des Flugkörpers oder Schiffes auf seinem Weg berechnen. Diese Signale werden in einen Computer eingelesen, der sie aufzeichnet und Kursabweichungen ausgleicht. Moderne Forschungsflugzeuge, -schiffe und -raketen werden auch durch so genannte Laserkreisel gelenkt. Sie stellen im engeren Sinne keine Trägheitsgeräte dar, sondern messen Änderungen in gegeneinander rotierenden Laserstrahlen, die durch Richtungsänderungen verursacht werden. Ein anderes modernes System, das als elektrisch aufgehängter Kreisel bezeichnet wird, verwendet eine hohle Berylliumkugel, die in einer magnetischen Wiege aufgehängt ist. Die folgenden Erläuterungen behandeln konventionelle Kreisel.

Präzession

Wenn eine Kraft so auf einen Kreisel einwirkt, dass sie die Richtung seiner Rotationsachse verändert, so bewegt sich die Achse rechtwinklig zur Richtung, in der die Kraft einwirkt. Diese Bewegung wird gemeinsam vom Drehimpuls des rotierenden Körpers und der einwirkenden Kraft hervorgerufen. Ein einfaches Beispiel für Präzession kann an einem rollenden Reifen beobachtet werden: Um den Reifen dazu zu bringen, dass er seine Bewegungsrichtung ändert, wird der zur Lenkung notwendige Druck nicht vorne oder hinten am Reifen angewendet, wie man erwarten könnte, sondern oben. Obwohl dieser Druck um eine horizontale Achse angewendet wird, wirft er den Reifen nicht um, sondern verursacht eine Präzession um die vertikale Achse. Sie bewirkt, dass sich der Reifen dreht und in eine neue Richtung weiterrollt.

Anwendungen des Kreisels

Die charakteristischen Eigenschaften der Kreiselträgheit und der Schwerkraft können verwendet werden, um dem Kreisel die Funktion eines Richtungsanzeigers oder Kompasses zu geben. Ein Kreisel auf dem Äquator der Erde, dessen Rotationsachse in der Ost-West-Ebene liegt, behält seine Achse bei, während sich die Erde von Westen nach Osten dreht. Daher bewegt sich das östliche Ende von der Erde weg, obwohl es im Raum stets in die gleiche Richtung zeigt. Wenn eine teilweise mit Quecksilber gefüllte Röhre so am Rahmen einer Kreiselvorrichtung angebracht wird, dass sie sich mit der Kreiselachse neigt, übt das Gewicht des Quecksilbers auf der unten liegenden Westseite eine Kraft um die horizontale Achse des Kreisels aus. Der Kreisel reagiert auf diese Kraft mit einer Präzession um die vertikale Achse in Richtung des Meridians. Im Kreiselkompass werden die steuernden Kräfte automatisch in der richtigen Richtung und im richtigen Verhältnis angewendet, so dass die Kreiselachse den wahren Meridian sucht und hält, d. h. nach Norden und Süden zeigt. Der Kreiselkompass wird weltweit auf Seefahrzeugen eingesetzt. Er ist frei von den Störungen, denen der magnetische Kompass unterliegt. Ein Kreiselkompass zeigt den wirklichen geographischen Norden und nicht den magnetischen Norden an. Außerdem verfügt er über eine ausreichende Steuerungskraft, um den Betrieb von Zusatzgeräten wie Kursschreibern, Kreiselpiloten und abhängigen Kompassen zu ermöglichen. Der in der Schifffahrt verwendete Kreiselpilot besitzt keinen Kreisel, sondern nimmt über elektrische Signale jede Abweichung von einem vorgegebenen Referenzkurs auf, der vom Kreiselkompass zur Verfügung gestellt wird. Diese Signale werden verstärkt und an die Steuereinrichtung des Schiffes weitergeleitet, die das Ruder so stellt, dass das Schiff auf seinen richtigen Kurs zurückkehrt.