giroteodolito

En topografía , un giroteodolito (también llamado giroscopio topográfico ) es un instrumento compuesto por una brújula giroscópica montada sobre un teodolito . Se utiliza para determinar la orientación del norte verdadero . Es el instrumento principal para la orientación en la topografía minera ^{[ 1 ]} y en la ingeniería de túneles, donde no se pueden observar las estrellas de referencia astronómicas y el GPS no funciona.

En 1852, el físico francés Léon Foucault descubrió que un giroscopio con dos grados de libertad apunta al norte. Este principio fue adaptado por Max Schuler en 1921 para construir el primer giroscopio topográfico. En 1949, el giroteodolito —en aquel entonces llamado "puntero meridiano" o "indicador meridiano" ^{[ 2 ]} — fue utilizado por primera vez en la Academia Minera de Clausthal en las minas subterráneas. Varios años después, se mejoró con la adición de telescopios de autocolimación . En 1960, la empresa Fennel Kassel produjo el primero de la serie KT1 de giroteodolitos. ^{[ 3 ]} Posteriormente, Fennel Kassel y otras empresas produjeron accesorios giroscópicos que se pueden montar en teodolitos normales. ^{[ 4 ]}

Un giroscopio está montado en una esfera, revestida con Mu-metal para reducir la influencia magnética, conectada mediante un husillo al eje vertical del teodolito. La rueda del giroscopio, alimentada por batería, gira a 20 000 rpm o más, hasta que actúa como un giroscopio que busca el norte. ^{[ 2 ]} Un sistema óptico independiente dentro del accesorio permite al operador girar el teodolito y, de este modo, hacer coincidir una marca de cero en el accesorio con el eje de giro del giroscopio. Al rastrear el eje de giro mientras oscila alrededor del meridiano, se puede determinar un registro del acimut de una serie de los puntos estacionarios extremos de esa oscilación leyendo el círculo de acimut del teodolito. Posteriormente, se puede calcular un punto medio a partir de estos registros que representa una estimación más precisa del meridiano. Una configuración cuidadosa y observaciones repetidas pueden proporcionar una estimación con una precisión de aproximadamente 10 segundos de arco respecto al 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 y a errores de medición de los extremos ligeramente amortiguados de la oscilación. Estos errores pueden mitigarse refinando la estimación inicial del meridiano a unos pocos minutos de arco y alineando correctamente el par cero de la suspensión. ^{[ 6 ]}

Cuando el rotor se libera de su sujeción con su eje de rotación alineado cerca del meridiano, la reacción giroscópica del giro y la rotación de la Tierra produce una 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 inclina continuamente el eje este-oeste de la estación. El eje del rotor acelera hacia el meridiano y lo sobrepasa, luego se detiene en un punto extremo antes de oscilar de nuevo hacia el punto de liberación inicial. Esta oscilación en el acimut del eje del rotor alrededor del meridiano se repite con un período de unos minutos. En la práctica, la amplitud de la oscilación solo se reduce gradualmente a medida que se pierde 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 unos 20 minutos, mientras que el asentamiento asintótico de una brújula giroscópica amortiguada tardaría mucho más tiempo antes de que se pudiera realizar cualquier determinación razonable del meridiano. ^{[ 1 ]}

Cuando no está en funcionamiento, el conjunto del giroscopio se ancla dentro del instrumento. El giroscopio, alimentado eléctricamente, se pone en marcha mientras está sujeto y luego se libera para su funcionamiento. Durante el funcionamiento, el giroscopio se apoya dentro del conjunto del instrumento, generalmente sobre una cinta vertical delgada que mantiene el eje de rotación del giroscopio horizontal. La alineación del eje de rotación solo puede girar en acimut en la pequeña cantidad necesaria durante el funcionamiento. Se necesita una estimación inicial aproximada del meridiano. Esto puede determinarse con una brújula magnética , a partir de una red de levantamientos topográficos existente o mediante el uso del giroteodolito en modo de seguimiento extendido.

Los giroteodolitos se utilizan principalmente en ausencia de puntos de referencia astronómicos y GPS . Por ejemplo, cuando un conducto debe pasar por debajo de un río, un pozo vertical a cada lado del río podría conectarse mediante un túnel horizontal. Un giroteodolito puede operarse en la superficie y luego nuevamente en la base de los pozos para identificar las direcciones necesarias para excavar el túnel entre la base de ambos pozos. ^{[ 7 ]} Durante la construcción del Túnel del Canal de la Mancha , que pasa por debajo del Canal de la Mancha desde Francia hasta el Reino Unido, se utilizaron giroteodolitos para alinear los túneles. ^{[ 8 ]}

Aunque un giroteodolito funciona en el ecuador y en ambos hemisferios, no puede utilizarse ni en el Polo Norte ni en el Polo Sur , donde el eje terrestre es precisamente perpendicular al eje horizontal del rotor y el meridiano no está definido. Los giroteodolitos no suelen utilizarse a menos de 15 grados del polo, donde el ángulo entre la rotación terrestre 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 giroteodolito no se puede reubicar mientras está en funcionamiento. Debe reiniciarse en cada lugar.

Cuando están disponibles, los visores astronómicos pueden proporcionar la orientación meridiana con una precisión más de cien veces superior a la del giroteodolito. Cuando no se requiere esta precisión adicional, el giroteodolito puede ofrecer un resultado rápidamente sin necesidad de observaciones nocturnas.