Eine Kardansperre kann bei Gyroskopen, Teleskopen und anderen Geräten auftreten, die sich in mehrere Richtungen bewegen, und wird verursacht, wenn die Kardanringe oder Halterungen so ausgerichtet sind, dass sich das Gerät nicht in die gewünschte Richtung bewegen kann. Ein Gyroskop ist ein sich drehendes Rad, das in einer Reihe von Käfigen oder Halterungen getragen wird und in Flugzeugen und Schiffen zur Navigation verwendet wird. Jeder Käfig ermöglicht eine Bewegung in eine von drei Richtungen, wodurch das Gyroskop in einem sich bewegenden Schiff oder Flugzeug montiert werden kann, während eine waagerechte Ausrichtung beibehalten wird.
Gyroskope wurden erstmals im 18. Jahrhundert in der Literatur diskutiert, praktische Instrumente für Schiffe aus dem 19. Jahrhundert. Elmer Sperry baute Anfang des 20. Jahrhunderts das erste Gyroskop für die Autopilot-Steuerung von Flugzeugen. Der Vorteil der Verwendung von Gyroskopen für die Navigation besteht darin, dass das sich drehende Gyroskoprad unabhängig von der Bewegung des Schiffes oder Flugzeugs eine waagerechte Ausrichtung beibehält. Das Anschließen des Gyroskops an Instrumente kann einen „künstlichen Horizont“ oder eine Instrumentenansicht des Pegels selbst bei Stürmen auf See oder Flugzeugturbulenzen bieten.
Alle Objekte im Raum können durch eine Kombination von drei Winkeln beschrieben werden, die durch eine mathematische Formel namens Euler-Winkel definiert werden. Diese drei Winkel werden oft mit den Begriffen x-, y- und z-Achse beschrieben. Ein Gerät hat drei Freiheitsgrade, wenn es sich nach oben oder unten, nach links oder rechts und nach innen oder außen drehen kann. Gyroskope, die in drei Käfigen montiert sind, die sich jeweils in einem der drei Winkel drehen, können sich theoretisch in jede für die Navigation erforderliche Richtung drehen.
Die Wirkung der Gimbal-Sperre kann in einem Gyroskop gesehen werden, kann aber bei weniger komplizierten Geräten auftreten. Beispielsweise erreicht ein Betrachter, der mit einem Teleskop einen Satelliten über Kopf verfolgt, einen Punkt, an dem das Teleskop gerade nach oben zeigt. An diesem Punkt dreht der Betrachter das Teleskop um 180° und kann den Satelliten weiter verfolgen, während er sich in die entgegengesetzte Richtung zum Horizont bewegt.
Gimbal Lock tritt auf, wenn sich das verfolgte Objekt, z. B. ein Flugzeug, über Kopf bewegt und dann die Richtung um 90° ändert und sich entfernt. An diesem Punkt kann sich das Teleskop nicht seitwärts drehen, da die Montierungen oder Kardanringe eine Bewegung in diese Richtung verhindern. Das Gerät muss gedreht oder auf seiner Basishalterung gedreht werden, um das Problem zu beheben.
Der Mensch kann sich an diese Situationen anpassen, da er möglicherweise erkennt, dass das Teleskop das Flugzeug nicht weiter verfolgen kann, es sei denn, das Teleskop wird um 90° gedreht. Das Problem ist, dass oft die Objektverfolgung verloren geht, bis der Betrachter sie im Teleskopokular wiederfindet. Dies kann auch bei Radarantennen auftreten, die verwendet werden, um Flugzeuge zu verfolgen, die sich drehen, wenn sie sich über der Antenne befinden. Computersoftware muss geschrieben werden, um den Verlust des Trackings aufgrund der Gimbal-Sperre zu kompensieren.
Bei Gyroskopen gibt es mehrere Winkel, in denen die Gimbal-Verriegelung auftreten kann, wenn die Käfige ausgerichtet werden, wodurch verhindert wird, dass sich das Gyroskop dreht. Wie beim Teleskop-Beispiel wird das Gyroskop jetzt an einer freien Bewegung gehindert und wird als „gyro-locked“ bezeichnet. Flugzeuge, die Kunstflug oder Drehungen und Drehungen in ungewöhnliche Richtungen ausführen, können dieses Verhalten in ihren Navigationsinstrumenten verursachen. Piloten, die diese Manöver durchführen, werden die Kreiselinstrumente vor dem Kunstflug oft manuell sperren, um ein Einrasten des Kardanrahmens und eine Belastung der Kreisel zu verhindern.
Die Navigation von Raumfahrzeugen verwendet Gyroskope, um einen bekannten Bezugspunkt aufrechtzuerhalten. Es gibt keinen Horizont im Weltraum, und die Position muss durch seine Position relativ zu bestimmten Sternen bestimmt werden, eine Technik, die als Himmelsnavigation bezeichnet wird. Wenn ein Raumfahrzeug stürzt oder die Richtung ändert, können die Gyroskope, die die „ebene“ Ausrichtung beibehalten, kardanisch verriegeln und einen Referenzverlust verursachen.
Astronauten mussten die Navigationssterne visuell referenzieren und das Gyroskop zurücksetzen, um Navigationsfehler zu vermeiden. Eine Möglichkeit, das Problem zu lösen, bestand darin, einen vierten Freiheitsgrad hinzuzufügen, einen weiteren Käfig, der in einer anderen Ausrichtung oder einem anderen Winkel als die anderen Käfige montiert wurde. Dies sorgte auch dann für Bewegung, wenn zwei Käfige kardanisch verriegelt waren, so dass das Instrument weiter navigieren konnte.