Компас

Слово «компас» происходит от итальянского compassare – измерять шагами. Компас предназначен для ориентирования на местности.
Считается, что первый компас был создан более двух тысяч лет тому назад в Китае. В китайских летописях повествуется и о магнитных путеуказательных повозках, в которых фигурка воина или жреца указывала рукой на юг. Это изобретение приписывается императору Чжеу Кунгу, жившему за 1100 лет до н. э. Ему же приписывают и изобретение компаса.
По другим данным, путеводную повозку смастерил в царствование императора Хуан Ди его подданный для поимки отряда железнолобых разбойников. На повозке был установлен маленький железный человечек, укрепленный с помощью иглы на колесике. Он показывал своей рукой не на север или юг, а в сторону этого отряда. Это, несомненно, легенда, поскольку даже современные миноискатели не могут обнаружить железо на расстоянии более 10 метров.
Реконструкция китайских компасов по их описаниям вызывает сомнения в их достоверности. Так, философу Фэй?цзы, жившему в III в. до н. э., приписывается изобретение компаса в виде разливательной ложки из магнетита с тонким черенком и шарообразной, хорошо отполированной выпуклой частью. Этой выпуклой частью ложка устанавливалась на отполированную медную или деревянную пластинку таким образом, чтобы черенок не касался пластинки, а свободно висел над ней. При этом ложка легко вращалась вокруг оси основания. Подтолкнув черенок ложки, ее начинали вращать. После остановки черенок указывал точно на юг.
Такой компас не мог дать нужной точности из?за силы трения, которая пропорциональна весу магнитоуказателя. Это касается и других конструкций китайских компасов, описанных в летописях.
Первые сведения о применении компаса в Европе относятся к XII веку. Первоначально европейские компасы представляли собой швейную иголку, намагниченную при помощи магнитного камня. Ее клали на соломинку или пробочку, последнюю – на воду в круглой чаше. Иголка всей своей длиной становилась в плоскость меридиана. Поскольку железо быстро теряло свой магнетизм, иголку постоянно подмагничивали.
Позже был описан компас, в котором намагниченная иголка пропускалась через ось, оканчивавшуюся вверху и внизу остриями. Этими остриями она свободно поддерживалась в подпятниках, сделанных в дне и прозрачной крышке котелка. Через ту же ось перпендикулярно к первой стрелке пропускалась вторая, медная, стрелка – указатель востока и запада. Этот компас тоже требовал постоянного подмагничивания, которое, судя по описанию, проводилось без вынимания стрелки из котелка поднесением магнитного камня.
Петрус Перигринус в 1269 г. снабдил магнитную стрелку круглой градуированной шкалой и при ее помощи определял направление.
Создание компаса с бумажным кругом, снабженным для удобства ориентирования делениями – картушкой, стальной стрелкой и стойкой, которой картушка накладывается на шпильку, укрепленную в центре котелка, принадлежит, по мнению большинства ученых, итальянцу Флавио Джойя из Амильфи. Он сконструировал его в 1302 г. Компас Джойя представлял собой соединение магнитной иглы с розой ветров. Для обозначения главных точек компаса применялись различные названия ветров и Полярная звезда. Сначала круг делился на 16, а затем на 32 румба.
После появления компаса Джойи на морских картах в важнейших пунктах помещали центры розы ветров, соединяя их между собой лучами. Для прокладки курса от точки нахождения корабля строили направление до ближайшего луча, идущего из нужного центра.
Арабы использовали для обозначения компаса итальянские, а не китайские термины, что также является доводом в пользу европейского происхождения компаса. Склонение стрелки компаса было открыто Колумбом во время его первого плавания через Атлантический океан. Он также обратил внимание на изменение склонения в соответствии с местом. Склонение компаса связано с тем, что географический северный полюс не совпадает с магнитным. Последний находится юго?западнее и постоянно перемещается к югу. Координаты магнитного полюса вычислил в XVI в. фламандский ученый Герард Меркатор.
В 1544 г. пастор из Нюрнберга Гартман, исследуя свойства магнита, обнаружил, что тот не только стремится ориентироваться с севера на юг, но и северный конец его уклоняется книзу.
Один компас без остальных навигационных инструментов – лага, сектанта, точных часов не мог определить положение корабля в океане. В XVI в. для уменьшения воздействия на компас механических колебаний, например качки, его стали укреплять на кардановом подвесе. В XVII в. морской компас был снабжен пеленгатором – вращающейся диаметральной линейкой с визирами на концах. Это позволило точнее отсчитывать направления на объекты – пеленги. Внесенные в конструкцию компаса усовершенствования сделали компас основным навигационным прибором в судовождении. Точность показаний современных магнитных компасов в средних широтах при отсутствии качки составляет 0,3–0,5 градуса.
Авиационный магнитный компас схож по конструкции с судовым, но сделан с учетом условий работы: сильных вибраций и больших ускорений.
Среди недостатков магнитного компаса – необходимость внесения поправок с учетом магнитного склонения данной местности и девиации – отклонения стрелки от направления на магнитный полюс под влиянием намагниченных тел, например стального корпуса судна, а также электромагнитных полей электрических и радиоустановок. Точность магнитного компаса резко снижается вблизи магнитных полюсов и крупных магнитных аномалий, например крупных залежей железной руды.
В XIX в. возросли требования, предъявляемые к компасам. Появление кораблей с металлическими корпусами повлияло на их точность. Кроме того, стали осваиваться высокие широты, где магнитный компас, практически, бесполезен.
Поэтому, в добавление к магнитному, был создан гирокомпас. Его действие основано на использовании свойств гироскопа и суточного вращения Земли.
Принцип работы гироскопа такой же, как у детского волчка: быстро вращающееся твердое тело, ось вращения которого может менять направление в пространстве. Свойства гироскопа проявляются при выполнении двух условий: его ось вращения должна иметь возможность изменять свое направление в пространстве, а угловая скорость вращения гироскопа должна быть намного выше, чем угловая скорость, с которой сама ось меняет свое направление. Основное свойство уравновешенного гироскопа с тремя степенями свободы, позволяющее применять его для определения направления, – стремление его оси сохранять приданное ей первоначальное направление, независимо от перемещения основания и толчков.
Идея гироскопа была предложена французским ученым Фуко. Его гирокомпас представлял собой прибор с двумя степенями свободы, ось которого перемещается в плоскости горизонта благодаря возникающему из?за вращения Земли гироскопическому моменту стремиться к совмещению с плоскостью географического меридиана. Гироскоп Фуко не нашел применения на подвижных объектах из?за подверженности колебаниям. На подвижных объектах применяются гирокомпасы, в которых используются гироскопы с тремя степенями свободы.
Преимущества гирокомпаса по сравнению с магнитным состоят в том, что он показывает направление географического, а не магнитного меридиана, на его работу меньше влияют большие массы металла. Его точность в условиях колебаний намного выше.
Существуют также астрономические компасы, в которых применяются пеленгаторы, постоянно следящие за положением какого?либо небесного светила, например Солнца. Помимо пеленгатора астрономический компас состоит из вычислителя азимута светила и указателя курса. Его принцип – алгебраическое сложение курсового угла и вычисленного азимута светила. Такой компас позволяет определять курс в любом месте Земли, независимо от скорости и высоты.
Радиокомпасы автоматически фиксируют направление на радиомаяк.
Ни один из существующих типов компасов не может обеспечить точного измерения курса в любом месте Земли, независимо от погоды и других факторов. Поэтому компасы разных типов объединяют в единые курсовые системы.