Ein Kreiselinstrument (Gyroskop) besitzt als Hauptbauteil einen beweglich gelagerten Kreisel, mit Hilfe dessen es aufgrund der Drehimpulserhaltung seine Ausrichtung im Raum beibehält, auch wenn seine Aufhängung (um den Kreisel herum) gedreht wird. Um den Energieverlust des Kreisels durch Reibung zu kompensieren wird der Kreisel durch einen eigenen Antrieb auf konstanter Geschwindigkeit gehalten.
Drehimpulserhaltung
In der Physik folgt aus den Gesetzen der Mechanik, dass die zeitliche Änderung (Ableitung) des Drehimpulses eines unabhängigen Systems gleich null ist.
Das bedeutet, dass ein rotierender Festkörper, also ein Kreisel, seine Drehachse beibehält, solange keine äußeren Kräfte auf ihn wirken, deren resultierendes Moment eine Komponente orthogonal zur Drehachse erzeugt. Ein Spielzeugkreisel, der sich dreht, kippt also nicht um, wenn seine Drehachse (die Längsachse des Kreisels) bei Ingangsetzung der Drehung (exakt) senkrecht ist. Da die Schwerkraft dann kein Moment auf die Achse ausüben kann, bleibt der Kreisel aufrecht. Bedingt durch unvermeidliche Abweichungen der Drehachse von der Vertikalen und dem damit entstehenden Momenten der Schwerkraft orthogonal zu seiner Drehachse beginnt der Kreisel jedoch eine Präzessionsbewegung. Wenn die Drehung des Kreisels langsamer wird, weil äußere Reibungskräfte auf ihn einwirken, nimmt die Neigung der Achse ständig zu.
Eine aus dem Alltag bekannte technische Anwendung der Drehimpulserhaltung ist das Zweirad: Solange sich seine Räder drehen, kippt es nicht um, und je schneller sich die Räder drehen, desto stabiler ist diese aufrechte Lage, vgl. Gyroskopischer Effekt bei Zweirädern.
Technische Anwendungen
Weit verbreitet sind Kreiselinstrumente in der Luft- und Raumfahrt:
Das in Flugzeugen verwendete Kreiselinstrument wird als dynamischer künstlicher Horizont bezeichnet. Diese Instrumente zeigen eine Linie, die vor dem Start horizontal ausgerichtet wird. Während des Fluges hält das Kreiselinstrument diese Linie in der Horizontalen, selbst wenn das Flugzeug nach vorn, nach hinten und/oder zur Seite geneigt ist. So wird es dem Piloten ermöglicht, die räumliche Lage seines Flugzeuges zu bestimmen, auch wenn Dunkelheit, schlechte Witterung und flugbahnbedingte Fliehkräfte eine unmittelbare Orientierung unmöglich machen.
In unbemannten und nicht ferngesteuerten Fluggeräten, wie z.B. ballistische Raketen, wird das Kreiselinstrument nicht als künstlicher Horizont ausgeführt, da niemand an Bord ist, der das Instrument ablesen könnte. Stattdessen wird das Kreiselinstrument an die Steuerung angeschlossen. Diese Steuerung ist seit etwa der Mitte des 20. Jahrhunderts nicht mehr mechanisch, sondern basiert auf computergesteuerten Regelkreisen. In jedem Fall dient die Steuerung dazu, eine zuvor einprogrammierte Flugbahn einzuhalten, wozu ein Kreiselinstrument zur Überprüfung der räumlichen Lage notwendig ist. In der Raumflugtechnik werden außerdem schwere stark motorisierte Kreisel eingesetzt, die aktiv (Impuls erzeugend) die Bahnstabilisierung bzw. die Ausrichtung von Raumfahrzeugen steuern; siehe hierzu Drallrad.