Pedoman Gasing (Gyro Compass), Hukum-hukum gasing, Kedudukan Gyro-Scope di Bumi

PEDOMAN GASING (GYRO COMPASS)

PENGERTIAN UMUM
Gyroscope (gasing) berasal dari kata ‘gyros’ yang artinya berputar, dan ‘schopein’ yang artinya melihat.

Pengertian secara umum, bahwa gyro-scope adalah benda yang menyerupai roda yang berputar pada porosnya dengan kecepatan tinggi (6000 putaran per menit atau lebih) dan dapat bergerak bebas sekeliling 3 arah poros yang berdiri tegak lurus satu sama lain, dimana arah poros-poros tersebut saling memotong di titik berat benda.

Syarat-syarat gyro-scope:

1. Resultante semua gaya harus bertumpu pada titik berat gasing
2. Ketiga poros harus berdiri tegak lurus satu sama lain
3. Ketiga poros harus saling memotong di titik berat gasing
4. Kecepatan putar harus cukup besar dan tetap, sehingga dapat berlaku hokum Gasing I (antara 6.000 sampai 13.000 rpm)

Hukum-hukum gasing:

Hukum Gasing I:

Poros suatu gasing yang berputar sangat cepat, yang terpasang bebas dalam 3 bidang, salah satu ujung porosnya akan menunjuk ke suatu titik tetap di angkasa.

Dari hukum gasing I ini diperoleh apa yang disebut INERTIA. Yaitu suatu gaya yang dimiliki oleh sebuah gasing untuk mempertahankan kedudukannya terhadap angkasa raya.

Hukum Gasing II:

Apabila poros sebuah gasing yang berputar sangat cepat bekerja suatu kopel, maka poros itu tidak bergerak dalam bidang kopel tersebut, melainkan bergerak ke suatu arah yang tegak lurus terhadapnya.

Dari hukum gasing II ini diperoleh: PRESESI, yaitu apabila sebuah gasing mendapat gaya dari luar, maka gasing akan bergerak / menyimpang dengan arah tegak lurus terhadap gaya tersebut.

BEBERAPA KEDUDUKAN GYRO-SCOPE DI BUMI.

1. Apabila gyro-scope diletakkan di katulistiwa dengan poros diarahkan ke Timur dan sejajar dengan permukaan bumi, maka seiring dengan perputaran bumi (rotasi), oleh karena gyro-scope selalu mengarah ke suatu titik tetap di angkasa raya, dari pengamatan kita gyro-scope itu akan berobah kedudukan porosnya membuat sudut dengan arah horizontal, dimana perobahannya adalah sebesar 45º setiap 3 jam, atau 15º setiap jam. Dalam waktu 24 jam akan kembali ke kedudukan semula.

Perobahan sudut yang terjadi antara permukaan bumi (arah horizontal) dan poros gyro-scope dalam arah vertical yang disebabkan oleh komponen horizontal dari putaran bumi ini disebut TILTING

Kecepatan tilting dapat ditentukan dengan rumus:

Tilting = w Sin H x Cos L

w = (Omega) 15º / jam adalah arah putaran T – B

H = arah poros gyro-scope terhadap kutub Utara bumi

L = lintang tempat di bumi

2. Apabila gyro-scope diletakkan di kutub Utara bumi pada kedudukan poros mendatar, seiring dengan rotasi bumi, kita amati bahwa seolah-olah poros gyro-scope berputar dengan arah mendatar.

Perobahan sudut yang terjadi antara garis meridian bumi dengan poros gyro-scope dalam arah horizontal yang disebabkan oleh komponen vertical dari putaran bumi ini disebut DRIFTING.

Kecepatan drifting dapat dihitung dengan rumus:

Drifting = w Sin L

3. Apabila gyro-scope diletakkan di katulistiwa dan porosnya menghadap arah Utara-Selatan, maka tidak akan terjadi perobahan sudut baik secara tegak maupun mendatar, atau tidak terjadi TILTING maupun DRIFTING

4. Apabila gyro-scope diletakkan disembarang tempat di bumi diantara katulistiwa dan kutub, kedudukan mendatar dan porosnya mengarah ke kutub utara, maka di lintang utara, seolah-olah ujung poros gyro-scope berputar membentuk sebuah kerucut. Dengan kata lain, akan terjadi tilting dan drifting, yang besarnya tergantung dari lintang tempat di bumi dimana gyro-scope ditempatkan.

Diagram tilting dan drifting pada gyro-scope secara umum

Tilting: Tilting = 0 …………. → gyro di meridian

Tilting positif (+)……→ gyro di meridian barat (bujur barat)

Tilting negative (-) ... → gyro di meridian Timur (bujur timur)

Kecepatan tilting = w Sin H x Cos L

Besarnya kecepatan tilting tergantung dari H (Haluan kapal)

Drifting: Drifting = 0 ………→ gyro di horizon

Drifting positif (+) … → gyro di Utara di atas horizon

Drifting negative (-)…→ gyro di Selatan di bawah horizon

Catatan:

- Arah tilting selalu berlawanan dengan arah putaran bumi (rotasi)

- Agar gasing dapat digunakan untuk pedoman, maka perlu diberikan gerakan 2 tingkat kebebasan dengan tingkat kebebasan ke 3 yang terbatas.

Kita ketahui bahwa gyro-scope memiliki 2 sifat yaitu ‘inertia’ dan ‘precession’. Sedangkan bumi mempunyai ‘gravitasi; yang erat kaitannya dengan besarnya massa gyro-scope, dan ;rotasi; yang berpengaruh pada besarnya tilting dan drifting.

Maka kita dapat menyimpulkan bahwa factor-faktor yang mempengaruhi sifat-sifat gyro-scope adalah:

1. Besarnya massa gyro-scope

2. Kecepatan putar gyro-scope

3. Radius of gyration (jari-jari putaran gyro-scope)

Dengan cara mengkombinasikan antara sifat-sifat gyro-scope dan sifat-sifat bumi, kita dapat membuat pedoman gasing (gyro-compass). Yaitu dengan 2 tingkat kebebasan dan tingkat kebebasan ketiga yang terbatas. Dengan cara ini diusahakan agar poros gasing mendatar dan mengarah ke kutub utara bumi.

Terdapat 2 sistim yang digunakan untuk kepentingan diatas yang dikembangkan oleh para ahli gasing. Yaitu yang dikenal dengan “Top heavy controlled gyro-scope” dan “Bottom heavy controlled gyro-scope”.

1. Top heavy controlled gyro-scope.

Yaitu gasing dengan pengendalian beban atas / puncak sebagai elemen untuk peredaman vertikalnya.

Pengendalian beban atas ini cenderung memperbesar momen senget (tilt). Sistim ini menggunakan apa yang disebut dengan ‘Mercury Balistic’, yaitu bagian yang terdiri dari 2 pasang bejana kecil berisi air raksa. Tiap pasang bejana terdiri dari 2 penampung (reservoir) yang tiap pasangnya dihubungkan dengan 2 pipa penghubung dengan diameter kecil.

Pipa penghubung yang satu dipasang di sebelah atas, yang berguna untuk sirkulasi udara sehingga tidak ada penambahan udara dari luar. Sedangkan pipa penghubung yang bawah berguna untuk menghubungkan air raksa dari tangki penampung (reservoir) yang lain, yaitu apabila gasing mengalami senget.

Pemasangan ‘mercury balistic’ tidak betul-betul tegak lurus, melainkan membuat sudut 1,7º terhadap sumbu vertical, atau secara teoritis =1/40 x R, dimana R adalah Radius of Gyration (jari-jari putaran gasing). Pemasangan separti ini disebut ‘eccentric connection’. Fungsinya adalah untuk menimbulkan ‘presesi sekundair’ (secondary precession).

Dengan mercury-balistic yang dikembangkan khususnya oleh perusahaan pembuat pedoman gasing “Sperry”, dimana titik berat control-element dapat dibuat berimpit dengan titik berat gasing, yaitu dengan menambah atau mengurangi jumlah air raksa pada sisi-sisi yang dikehendaki, sehingga gaya sentrifugal dapat dihilangkan.

2. Bottom heavy controlled gyro-scope:

Yaitu gasing dengan pengendalian beban bawah sebagai elemen pengendalinya (Control elemen). Dengan cara ini dimaksudkan agar apabila ada gaya yang menggerakkan poros gasing (tilting dan drifting), akan dapat diredamkan. Pengendalian beban bawah ini cenderung memperkecil senget (tilting) yang timbul, dimana jumlah momen = momen senget dikurangi momen beban.

Sistim ini dikembangkan antara lain pada pedoman type: Aanschutz, Plath, Microtechnic, dan Tokimec (Tokyo Marine Electric Company).

Pada sistim ini memiliki keuntungan bahwa peredaman dilakukan dalam waktu yang relative singkat, dan apabila terjadi kerusakan listrik kapal, navigator tidak perlu khawatir karena poros gasing akan berhenti pada kedudukan mendatar tanpa harus menguncinya.

Pengaruh elemen pengendali (control element) terhadap gerakan gasing adalah sebagai berikut:

1. Sebelum diberikan elemen pengendali, gerakan edaran gasing berbentuk lingkaran.

2. Edaran gasing setelah diberi elemen pengendali berbentuk ellips. Oleh karena kita dapatkan 3 gaya sebagai berikut:

a. Tilting (senget), yang bekerja pada arah tegak (vertical)

b. Drifting, yang bekerja pada arah mendatar (horizontal)

c. Presesi, yang bekerja pada arah mendatar

Oleh karena adanya 2 gaya mendatar dan satu gaya yang bekerja secara tegak tersebut maka terjadi gerakan edaran berbentuk ellips.

Waktu yang diperlukan untuk proses tersebut secara teoritis adalah 85 menit. Harga tilting, drifting dan presesi tersebut makin mendekati kutub bumi makin mengecil, yang apabila poros gasing menunjuk ke kutub bumi, nilainya adalah 0 (nol).

Kesimpulan:

1. Untuk membuat gasing menjadi sebuah pedoman, diperlukan kombinasi sebagai berikut:

a. Sifat-sifat gasing yaitu ‘Inertia’ dan ‘Presesi’

b. Rotasi dan gravitasi bumi

2. Dua buah vector yang menentukan ujung Utara poros gasing adalah:

a. Arah putaran gasing

b. Kerja dari pada gaya berat pada penataan pengendalian beban atas/bawah

Maksud pemasangan peredam secara excentric connection:

Dengan pemasangan peredam secara eccentric connection dimaksudkan untuk memberikan presesi dengan arah horizontal dan vertical, sehingga dengan demikian terjadi peredaman yang sempurna.

Seperti kita ketahui, bahwa tujuan membuat gasing untuk menjadi sebuah pedoman, sehingga kita harus mengarahkan poros gasing ke arah Utara sejati.

Secara empiris terdapat 2 cara peredaman yaitu peredaman tegak dan peredaman mendatar (vertical damping dan horizontal damping)

Akibat yang ditimbulkan oleh hubungan excentric (excentric connection) adalah membuat edaran poros gasing yang mempengaruhi 3 faktor gaya (tilting, drifting dan presesi utama), menjadi dipengaruhi factor ke 4 yaitu ditambah dengan presesi sekundair, yang bekerja pada arah mendatar dan tegak.

Presesi sekundair ini sesungguhnya tujuan utamanya adalah untuk melawan tilting (senget). Mercury effect (pengaruh air-raksa) adalah akar dari kwadrat presesi utama (pengarah) + kwadrat presesi kedua, dimana presesi utama dengan arah mendatar, dan presesi kedua dengan arah tegak. Faktor peredaman besarnya adalah 66,6% untuk ½ oscilasi.

Akibatnya, edaran poros akan berobah menjadi separti spiral dan akan terhenti bila poros gasing telah mencapai sejajar dengan derajah bumi (busur lingkaran dibumi yang menghubungkan antara kutub Utara dan kutub Selatan Bumi).

Waktu yang ditempuh untuk mencapai keadaan setimbang (arah Utara) adalah sekitar 3 x 65 menit. Selanjutnya waktu 65 menit disebut sebagai 1 (satu) kali oscilasi.

Perhatikan skema dibawah ini:

Peredaman oscilasi model Gyro compass Sperry:

1. Gyro-scope diletakkan di bagian bawah 1/40 x R/senget

2. Mercury-effect menimbulkan presesi sekundair

3. K2 menimbulkan P2 dengan factor peredaman 66 2/3 %

4. Oscilasi diredamkan

Lamanya oscilasi ellips A – C = 85 menit. Setelah diredamkan menjadi 65 menit.

Edaran poros gyro-scope:

1. Sebelum ada elemen pengendali berbentuk lingkaran

2. Oscilasi hasil elemen pengendali sebelum diredamkan berbentuk ellips

3. Oscilasi setelah diredamkan berbentuk spiral

Vertical-damping dan Horizontal-damping

1. Pengaruh vertical damping yang sangat mencolok dapat kita amati pada pedoman type separti Sperry-gyro-compass, yaitu pedoman gasing yang menggunakan pengendalian beban atas (top heavy controlled), yang menggunakan mercury-balistic. Pada percobaan yang telah dilakukan, pada lintang 0º (di Katulistiwa), tidak akan terjadi kesalahan peredaman, sehingga pada pedoman gasing model sperry, kesalahan lintang bila berada di katulistiwa adalah 0 (nol). Namun pada lintang-lintang tinggi, baik di lintang Utara maupun di lintang Selatan, akan terjadi kesalahan peredaman, dimana besar kesalahannya tergantung dari lintang tempat dimana pedoman gasing berada. Kesalahan yang demikian dinamakan ‘kesalahan lintang’

2. Pengaruh horizontal damping yang kuat dapat diamati pada pedoman yang menggunakan penendalian beban bawah separti pada type pedoman buatan Aanschutz, Plath dan Tocimec.

Pedoman dengan menggunakan pengendalian beban bawah menggunakan pipa gelang berongga dengan diberi sekat-sekat dan diisi cairan kental (minyak), atau menggunakangaya torsi (momen kopel) separti yang dikembangkan pada pedoman gasing merk ‘Arma-Brown’.

Peredaman dengan sistim ini mengakibatkan edaran poros gasing untuk beberapa saat membentuk ellips, baru kemudian terjadi presesi sekunder yang sesungguhnya yang mengakibatkan edaran poros gasing berbentuk spiral yang menuju pusat ellips. Secara teoritis sebenarnya dengan peredaman sistim ini diperlukan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan menggunakan mercury-balistic. Namun dengan mengarahkan poros gasing ke kutub utara bumi sebelum pedoman dihidupkan (dioperasikan), maka proses perdaman menjadi lebih cepat karena pada sistim ini tidak terjadi kesalahan peredaman baik di katulistiwa maupun di lintang-lintang tinggi.