En topografía , un giroteodolito (también: giroscopio topográfico ) es un instrumento compuesto por un compás giroscópico montado en un teodolito . Se utiliza para determinar la orientación del norte verdadero . Es el principal instrumento de orientación en topografía minera [1] y en ingeniería de túneles, donde no se pueden ver estrellas astronómicas y el GPS no funciona.
En 1852, el físico francés Léon Foucault descubrió que un giroscopio con dos grados de libertad apunta hacia el norte. Este principio fue adaptado por Max Schuler en 1921 para construir el primer giroscopio de topografía. En 1949, el giroteodolito, en aquel entonces llamado "puntero meridiano" o "indicador meridiano" [2] , fue utilizado por primera vez en la Academia de Minería de Clausthal. Varios años después, fue mejorado con la incorporación de telescopios autocolimadores . En 1960, la empresa Fennel Kassel produjo el primero de la serie KT1 de giroteodolitos. [3] Fennel Kassel y otros produjeron más tarde accesorios para giroscopios que pueden montarse en teodolitos normales. [4]
Un giroscopio se monta en una esfera, revestida con Mu-metal para reducir la influencia magnética, conectada por 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 ese modo, hacer que una marca cero en el accesorio coincida 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 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 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 y a errores de medición de los extremos de oscilación ligeramente amortiguados. Estos errores se pueden moderar refinando la estimación inicial del meridiano hasta 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 dan como resultado 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 se acelera hacia el meridiano y lo sobrepasa, luego se desacelera hasta detenerse en un punto extremo antes de oscilar de manera similar hacia el punto inicial de liberación. Esta oscilación en acimut del eje del rotor alrededor del meridiano se repite con un período de unos pocos minutos. En la práctica, la amplitud de oscilación solo se reducirá gradualmente a medida que se pierda energía debido a la amortiguación mínima 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 una brújula giroscópica amortiguada tomaría mucho más tiempo antes de que se pudiera hacer una determinación razonable del meridiano. [1]
Cuando no está en funcionamiento, el conjunto del giroscopio está anclado dentro del instrumento. El giroscopio eléctrico se pone en marcha mientras está sujeto y luego se libera para su funcionamiento. Durante el funcionamiento, el giroscopio se sostiene dentro del conjunto del instrumento, normalmente sobre una cinta vertical delgada que restringe el eje de rotación del giroscopio para que permanezca horizontal. La alineación del eje de rotación solo puede rotar en acimut la pequeña cantidad necesaria durante el funcionamiento. Se necesita una estimación aproximada inicial del meridiano. Esto se puede determinar con una brújula magnética , a partir de una red de estudio existente o mediante el uso del giro-teodolito en un modo de seguimiento extendido.
Los giroteodolitos se utilizan principalmente en ausencia de miras astronómicas y GPS . Por ejemplo, cuando un conducto debe pasar por debajo de un río, se puede conectar un pozo vertical a cada lado del río mediante un túnel horizontal. Se puede utilizar un giroteodolito en la superficie y luego nuevamente al pie de los pozos para identificar las direcciones necesarias para hacer un túnel entre la base de los dos pozos. [7] Durante la construcción del Túnel del Canal de la Mancha , que corre 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 los hemisferios norte y sur, no se puede utilizar ni en el Polo Norte ni en el Polo Sur , donde el eje de la Tierra es exactamente perpendicular al eje horizontal del rotor y el meridiano no está definido. Los giroteodolitos normalmente no se utilizan a menos de 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 manera confiable.
A diferencia de un horizonte artificial o un sistema de navegación inercial , un giroteodolito no puede reubicarse mientras está en funcionamiento. Debe reiniciarse nuevamente en cada sitio.
Cuando están disponibles, los visores astronómicos de estrellas pueden proporcionar la orientación meridiana con una precisión cien veces superior a la del giroteodolito. Cuando no se requiere esta precisión adicional, el giroteodolito puede producir un resultado rápidamente sin necesidad de realizar observaciones nocturnas .