Як винайшли компас: історія створення

Визначити сторони світу у населених пунктах чи у лісі можливо за орієнтацією деяких споруд, оцінивши зростання моху на деревах та в крайньому разі за розташуванням мурашників.

В океані чи пустелі за умови ясної погоди у визначенні напряму вдень допоможе Сонце, вночі — зірки. Але найчастіше необхідність уточнення власного розташування виникає під час туману або в негоду. У мандрівників виникла потреба у приладі, який міг би визначити правильний курс незалежно від погодних умов. Таким приладом став компас.

Слово “компас” бере свій початок від давньоанглійського “compass”, що означало “коло”. Поряд з порохом, друкарством і папером компас по праву належить до найбільших китайських винаходів.

Історія створення компаса

Перші згадки про цей прилад належать до періоду китайської династії Сун (X-XII століття нашої ери).

Але ще в стародавньому Китаї (200-265 н.е.) на замовлення імператора Мін-Ді майстер Ма Цзюнь створив немагнітний навігаційний прилад (“колісниця, що вказує на південь”), принцип дії якого ґрунтується на зворотному зв’язку. Фігурка людини з витягнутою вперед рукою, внаслідок підбору розмірів коліс та передавальних чисел диференціальних передач, постійно зорієнтована в один бік, незалежно від напрямку руху самої колісниці.

Винахід простішого і точнішого магнітного компаса поставило хрест на розвитку цього механізму. Крім того, компас дозволяв визначати точний напрям не тільки на суші, а й на морі, що дало істотний поштовх розвитку мореплавання у середні віки.

Перший компас був схожий на ложку, виготовлену з магнетиту яка була встановлена на немагнітній підставці (дерев’яна, мідна або бронзова пластина). Для полегшення обертання дно кулястої основи було ретельно відполіроване, а ніжка залишалася на вазі шляхом балансування. Після приведення в обертання живець зупинявся в одному і тому положенні, вказуючи у напрямку півдня. Пристрій отримав назву “синань”(що означає “той, що керує півднем”).

Сила тертя вносила неточність у показання, тому з часом магніт, який терся, був замінений на такий, що плавав. Пізніше плавучий магніт змінила легка стрілка, підвішена на нитку, через кілька років нитку замінили на тонку шпильку.

Більшість дослідників, спираючись на літописи Стародавнього Китаю, вказують країною походження магнітного компаса Китай. Проте дослідження природи магнетизму активно проводилися у Стародавній Греції, зокрема Сократ встановив здатність магнітів притягуватися і відштовхуватися друг від друга. Жителі невеликого індійського села поблизу річки Інд також помітили здатність гори притягувати до себе залізні предмети, після чого магнітні властивості стали застосовуватися в медицині, а потім і в судноплавстві.

В XII-XIII ст. магнітна стрілка у вигляді риби, закріпленої на пробці, була занурена до чаші заповненої водою. Її голова безпомилково вказувала напрямок на північ. Це був перший, як його ще називають “мокрий” прообраз магнітного компаса, яким ми користуємося і сьогодні. Згодом чаша з водою була замінена на нитку, потім стрілку встановили на гостру шпильку — так з’явився “сухий” компас.

В XIV ст. суттєвий внесок у вдосконалення компаса зробили італійські мореплавці в особі шкіпера та винахідника Флавіо Джої. З його подання стрілка була встановлена ​​на вістря голки та поміщена в коробку. На дні коробки було розташоване паперове полотно із 16 відмітками, які відповідали сторонам світла, коробка закривалася кришкою виконаною із прозорого матеріалу. Таким чином компас отримав захист від дощу та вітру. Але хитавиця та шторм не дозволяли повноцінно використовувати прилад у морі. Розв’язанням проблеми стало розміщення пристрою на універсальних шарнірних опорах (так званий “кардановий підвіс”). 

У XVII столітті прилад доповнили лінійкою та візиром, що у кілька разів підвищило точність визначення курсу. З того часу істотних змін конструкція компаса не зазнавала.

У вік електроніки, супутникової навігації та електронних карт компас рано списувати в “утиль”. Основна відмінність звичайного магнітного компаса від його численних сучасних аналогів — висока точність показань за умов повної енергонезалежності. Він не потребує стабільної електромережі, а батарея, яка “сіла”, збій зв’язку із супутником, відмова електроніки ніяк не вплинуть на точність та швидкість роботи приладу.

Принцип роботи компаса

Багато живих організмів Землі використовують для орієнтації у просторі магнітне поле Землі. Так під кутом до силових ліній магнітного поля розташовуються деякі придонні морські бактерії, мухи сідають упоперек або вздовж магнітних меридіанів, колонії термітів, перебуваючи на відпочинку, розташовуються головами в одному напрямку.

Перелітні птахи використовують магнітне поле як орієнтир, і навіть темпи зростання рослин безпосередньо залежать від його напруженості.

Ядро нашої планети є рідким та являє собою сплав різних металів, переважно заліза. Внаслідок обертання Землі навколо своєї осі, рух електронів, що входять до атомів цих металів (кругові струми) породжує магнітне поле, яке не є симетричним.

З погляду фізики однополярні магніти відштовхуються, різнополярні притягуються. Тому магнітна стрілка, яка має орієнтацію на “північ” може притягуватися лише магнітним полем, яке має “південну” орієнтацію. Тому “магнітний” і “географічний” полюси Землі, строго кажучи, не відповідають своїм назвам.

“Південний магнітний (S)” полюс розташований поблизу “Північного географічного” (неподалік від північного берега озера Вікторія в Канаді). Відповідно, “Північний магнітний (N)” — поблизу “Південного географічного”, поблизу берегів Антарктиди.

“Географічні” полюси — точки виходу на поверхню уявної осі, навколо якої Земля здійснює своє обертання. Це “нульові” точки перетину меридіанів, які розташовані навпроти один одного, саме вони відзначені на картах.

“Магнітний” полюс — точка, де силові лінії магнітного поля спрямовані вертикально вниз. Наприклад, якщо помістити компас строго на географічний Північний полюс, стрілка вкаже на острів Елсмір, розташований неподалік берегів Канади. Кут між напрямком на магнітний та географічний полюси називається “магнітним відмінюванням”. При цьому магнітний Північний полюс постійно рухається. Щодня вчені фіксують його переміщення еліптичною траєкторією (близько 80 км від центральної точки). Те ж саме можна відзначити й у Південній півкулі, щодо Південного полюса.

Показання стрілки компаса повністю відповідають напряму географічного меридіана “Північ-Південь” на більшій частині планети. Але в умовах наближення до полюсів внаслідок магнітного відмінювання результати вимірів можуть відрізнятися від реальних. Ця похибка обов’язково враховується при прокладанні далеких курсів на навігаційних картах у судноплавстві та авіації.

Для зменшення впливу цієї похибки виробник оптимізує компас для роботи в Північній або Південній півкулі. У цьому випадку до найменування виробу додаються абревіатури “NH” (Північна півкуля) або “SH” — Південна, відповідно.

За часів вітрильного флоту рульові системи суден були досить примітивні та для зняття показань зі шкали компаса достатньо було четвертої системи відліку. Весь обрій ділився на чотири основні напрями по осях: північ-південь та схід-захід. Але на практиці цього виявилося замало, тоді для уточнення курсової навігації кожну чверть обрії європейські мореплавці розбили ще на 8 частин, які назвали “румбами”. Усього вийшло 32 румби, система отримала назву “румбової”. При цьому напрями північ (норд, N), схід (ост, O,E), південь (зюйд, S) та захід (вест, W) отримали назви “основних” румбів.

Крім чотирьох основних румбів з’явилися проміжні, які отримали назви за початковими літерами головних румбів, між якими вони розташовані:

• четвертні, які ділять чверті дві частини — NE (Північний схід), SE (Південний схід), SW (Південний захід), NW (Північний захід);
• трилітерні, розташовані між найближчим головним і четвертим румбами — NNE, ENE, ESE, SSE, SSW, WSW, WNW, NNW (вони ж парні проміжні);
• непарні проміжні — 1-й у чверті NE став NtE, 3-й – NEtN, 5-й – NEtE, 7-й – EtN тощо.

Читаються трилітерні та четвертні румби відповідно: “NNE — північно-північний схід (норд-норд-ост, відповідає 22,5⁰), NE — північний схід (норд-ост — 45⁰)” і т.д.

У найменування непарних проміжних румбів додається голландське слово “ten” (у напрямку до…), тому їх ще називають “тіньовими”. Напрямок 11,25⁰ (1-й румб NtE) звучить як норд-тінь-ост, а 56,25⁰(5-й румб NEtE) – норд-ост-тінь-ост.

Від використання румбової системи відмовилися вже на початку XX століття і зараз вона використовується лише для приблизного позначення напряму, наприклад, вітру, течії, географічного орієнтира: “…вітер зюйд-зюйд-ост 5 балів”, або “..ост-норд від мису Браун…).

Набагато простіша та зручніша у використанні кругова система. Показання компаса зчитуються за стрілкою зі спеціальної шкали, що називається “карту́шка”. Ця кругова шкала, розбита на 360 поділів, кожен з яких відповідає одному градусу. Відлік ведеться від “0⁰”, що відповідає напрямку на північ (норд, N). Значення “90⁰” відповідає східному напрямку (ост, O, E), “180⁰” — південному (зюйд, S), “270⁰” — Західному (вест, W).

Види компасів

За принципом дії виділяють два види компасів:

• магнітні — прості, енергонезалежні прилади, що безпосередньо взаємодіють з магнітним полем Землі;
• електронні — визначають напрямок шляхом використання електромагнітних датчиків, інформації, що отримується від супутникових систем, записують та прогнозують маршрут слідування, мають вищу точність визначення координат на місцевості та включають до себе безліч додаткових функцій.

Залежно від сфери застосування та розв’язуваних завдань магнітні та електронні компаси мають різноманітні варіанти виконання.

Магнітні компаси:

• механічний — найбільш популярний серед туристів, намагнічена стрілка, яка розташована на голці, дозволяє досить точно визначити місце розташування;
• для військових — цей пристрій додатково забезпечується збільшувальною лінзою, лінійкою та візиром (мушкою та цілком), внаслідок чого підвищується точність наведення приладу на орієнтири;

• геологічний — інша назва “гірський”, специфіка приладу у тому, що градуювання лімба виконане проти годинникової стрілки, як правило, додатково оснащується клінометром і напівлімбом, які допомагають визначити кути падіння гірських порід, та спрогнозувати схід сніжної лавини у горах;
• гіроскопічний — як випливає з назви до складу приладу входить один або кілька гіроскопів, внаслідок чого показання не збиваються навіть під час розгойдування, крім того, цей компас з максимальною точністю показує напрямок саме на географічний, а не на магнітний полюс;
• астрономічний — дозволяє визначити напрямок, використовуючи положення різних астрономічних об’єктів (знаючи точний час, та своє географічне положення можна з високою точністю навести прилад на астрономічне тіло, тим самим визначивши сторони світла), прилад незамінний у полярних регіонах та умовах Космосу, де використання дії магнітного поля Землі або пов’язане з великою похибкою або просто неможливе;
• для спортивного орієнтування — основними вимогами до приладу є максимальна швидкодія, надійність та зручність використання. З цією метою магнітна стрілка поміщається в колбу, заповнену в’язкою рідиною, внаслідок чого стрілка швидко встановившись на напрямок практично не коливається під час бігу або їзди на велосипеді.

Електронні компаси:

• радіокомпас — використовується в авіації, показуючи напрямок на об’єкт, що випромінює радіохвилі;
• туристичний електронний компас — не має магнітної стрілки, визначає сторони горизонту використовуючи спеціальний магнітний датчик та електронні схеми;
• супутниковий компас — вказує напрямок на справжні полюси (географічну північ та географічний південь) виходячи з даних, що приймаються від супутникових систем GPS, крім того, може видавати інформацію про погоду, поточні координати, висоту над рівнем моря тощо.

Як вибрати компас

Найбільш функціональними на сьогодні є електронні компаси. Вони забезпечують високу точність показань, багатий набір додаткових функцій, зручність уявлення результатів вимірювань, прості у використанні. У продажу є захищені від ударів, пило-водонепроникні моделі, пристрої, на які не впливають критичні температури. Але в умовах “далеких від цивілізації” всі ці переваги нівелюються кінцевою місткістю заряду акумулятора. Самий “просунутий” GPS-навігатор з розрядженою батареєю перетворюється на “цеглу” максимум через 6 днів експлуатації, якщо відсутня можливість підзарядки акумулятора. Це не становить проблеми, якщо планується подорож автомобілем, моторною яхтою або іншим засобом пересування, здатним забезпечити підзарядку пристрою “у чистому полі”. Але на жаль, не кожен автомобіль проїде лісовими стежками, не кожен квадроцикл підніметься на гірський схил та не кожна яхта здатна спуститися гірською річкою. Адже саме такі місця і приваблюють шукачів пригод.

Саме в цьому випадку і варто згадати про старий добрий магнітний компас, який протягом сотень років не перестає розвиватися.

Залежно від завдань та умов експлуатації виробники розширюють функціонал приладу, вводячи додаткові опції та допоміжні пристрої. Найбільш поширені:

• рідинний бульбашковий рівень — служить для вирівнювання опорної площини горизонтальному напрямку;
• орієнтовна стрілка — необхідна для фіксації відхилення маршрутного азимута від напрямку на магнітний меридіан: в конструкцію вводиться додатковий покажчик, який встановлюється за курсом на кінцеву або поворотну точку маршруту, позбавляючи необхідності постійно справлятися з картою і перераховувати відхилення від напрямку на північ;
• оптична лінза — встановлене на корпусі збільшувальне скло дасть можливість розглянути дрібні топографічні знаки на карті;
• флуоресцентна розмітка — крапки, що світяться, нанесені на кінчик стрілки та символи на шкалі допоможуть зорієнтуватися в умовах недостатньої освітленості та поганої видимості;
• лінійка, розташована на корпусі — дозволить точно розрахувати маршрут, не заглиблюючись в обчислення масштабу;
• клінометр (індикатор вертикалі) — допоможе у вимірі кута нахилу схилу, в горах полегшить оцінку ймовірності сходу лавини;
• прицільне дзеркало — не завжди зручно одночасно утримувати напрямок на орієнтир та спостерігати за стрілкою, яка вказує на північ, але нахиливши дзеркало у зручне положення в прорізі можна «навівши погляд» на бажаний орієнтир, одночасно побачити відображення відхилення стрілки стосовно до цього азимуту;
• глобальна стрілка — бюджетний компас, який чудово справляється зі своїм завданням у Північній півкулі, у Південній може просто “заблукати” (причина – природні відхилення магнітних полів Землі), а ось прилад з “глобальною стрілкою”, внаслідок зваженого балансування та правильного намагнічування стрілки впевнено розв’яже цю проблему.

Визначившись з типом приладу і підібравши конкретну модель, перш ніж вирушати в подорож, не зайвим буде провести тестові випробування на вже знайомій місцевості.

Цікаві факти про компас

1. Щоб втрачати менше води опівдні, коли сонце перебуває у зеніті, листя деяких рослин розгорнуто відповідно до сторін світла: грані повернуті із півночі на південь, а плоскі частини — із заходу на схід. Зокрема, у Європі такою властивістю володіє компасний латук, у Північній Америці — сильфіум, в Австралії — евкаліпт. Місцеві мешканці використовують ці рослини для орієнтування на місцевості
2. Не завжди північ на географічних картах позначався зверху. Це було характерно лише для Середземномор’я античних часів — саме Середземне море вважалося центром світу, і північні частини були найбільше досліджені картографами. У той самий період на китайських картах зверху розташовувався південь, в арабських — схід. У Європі в середні віки схід також розташовувався зверху, бо за версією богословів саме там розташовувався рай. Тільки починаючи з XV століття північ знову “переїхав” нагору карт, чому значною мірою посприяло розповсюдження компаса з магнітною стрілкою, яка вказує на північ.
3. Стародавні вікінги впевнено орієнтувалися на море навіть у похмуру погоду, не маючи жодного уявлення про існування магнітного компаса. Прокласти правильний курс їм допомагав “сонячний камінь” — так розповідає давня ісландська сага. Вчені з лабораторії біологічної оптики Будапештського університету в ході експедиції в Арктику підтвердили, що мінеральний поляризатор світла, наведений на небо при суцільній хмарності, дозволяє точно визначити напрямок на Сонце, а значить і визначити сторони обрію. Найімовірніше вікінги застосовували з цією метою ісландський шпат.
4. В ранніх компасах призначених для морських подорожей магнітна стрілка була у формі риби, та поміщалася у чашу з водою. Такі компаси отримали назву “мокрих”. Трохи пізніше для подорожей суходолом стали застосовуватися “сухі” компаси — фігурку риби замінила черепаха, а з чаші зникла вода, її замінила гостра голка.
5. Магнітний компас стабільно працює в районі екватора, розташованому на значній відстані від магнітних полюсів. У міру наближення до них стрілка починає дрейфувати та може почати рухатися не лише по колу, а й догори-униз. Тому перебуваючи на полюсі визначити напрямок по магнітному компасу неможливо.
6. Не завжди компас використовується з метою визначення сторін світу та орієнтації на місцевості. Існують компаси фен-шуй. Вони використовуються в даоській практиці освоєння простору за допомогою символів. По цьому приладу послідовники визначають найбільш вдале розташування вікон та дверей, а також він допомагає відлякувати злих духів та залучати удачу. Фахівці називають такий компас “Лопань”.
7. Під час Другої світової війни уніформа деяких пілотів ВПС Великобританії була суттєво доопрацьована. Ні, вона зовсім не виділялася на тлі мундирів інших країн, виняток становили лише гудзики. При знятті одного гудзику та з’єднанні його з іншим виходив повноцінний компас. Такою формою забезпечувалися переважно льотчики та диверсанти, оскільки саме вони частіше за інших військових опинялися в тилу ворога і потребували орієнтирів, щоб повернутися до своїх.
8. Яким би не був точним компас, але в авіації цей прилад здатний вказати курс лише у прямому напрямку (Європа — Америка), детально координують політ наземні служби (диспетчери).
9. Один із найнезвичайніших компасів — мусульманський компас Кібла. Кібла це точний напрямок з будь-якої точки Земної кулі у бік священної Кааби, розташованої в аравійській Мецці. Це найбільша святиня Ісламу, яка об’єднує мусульман усього світу, незалежно від місця проживання.