И еще раз про магнитный компас
15.05.2020
И еще раз про магнитный компас
Предположительно, магнитный компас был изобретен в Китае при династии Сун и использовался для указания направления движения по пустыням.
В Европе изобретение компаса относят к XII—XIII вв., однако устройство его оставалось очень простым — магнитная стрелка была закреплена на пробке и опущена в сосуд с водой. В воде пробка со стрелкой ориентировалась нужным образом. В начале XIV в. итальянец Флавио Джойя значительно усовершенствовал компас. Магнитную стрелку он надел на вертикальную шпильку, а к стрелке прикрепил легкий круг — картушку, разбитую по окружности на 16 румбов. В XVI в. ввели деление картушки на 32 румба и котелок со стрелкой стали помещать в кардановом подвесе, чтобы устранить влияние качки корабля на компас. В XVII в. компас снабдили пеленгатором. Казалось бы, идея дальнейшего совершенствования конструкции МК себя исчерпала.
Однако и в настоящее время выпускается большое количество моделей компасов, различающихся по конструкции. В современных судовых компасах также как и в VII в. применяется картушка с магниточувствительным элементом, положение которого, относительно корпуса и определяет магнитный курс судна. Однако все эти МК не приспособлены для работы в высоких широтах т.к. чувствительности их магнитной системы не достаточно для создания момента на картушке, что связано с малой горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Это физическое явление сильно ограничивает применение компасов в высоких широтах.
В соответствии с требованиями международной конвенции СОЛАС 74 магнитными компасами должны быть оборудованы все без исключения суда. А что же делать, если маршрут судна как раз и пролегает в высоких широтах? Активизация Российского присутствия в арктической зоне сделала актуальной задачу создания отечественного главного магнитного компаса, работающего в условиях широт выше 70 градусов в широком диапазоне температур.
Решение поставленной задачи потребовало новых идей и научных разработок. Схема работы новой системы коррекции магнитного компаса была предложена В.М. Зиненко. Она была закреплена патентом №2688900 и заключалась в оснащении компаса гироскопическим датчиком угловой скорости, позволяющим после интегрирования сигнала измерить угол рыскания судна. Таким образом, магнитный компас получил дополнительную систему коррекции, благодаря которой приобрел свойства гиромагнитного компаса. Кроме того, предложенное решение позволило уменьшить погрешность компаса на качке.
За основу конструкции нового компаса, получившего название «Азимут КМ–05Д», был взят серийно выпускаемый нашим предприятием магнитный компас «Азимут 125М».
С помощью специалистов завода штурманских приборов была переработана магнитная система компаса, ставшая боле чувствительной к магнитному полю. Переделана на отечественную элементную базу и сервисная электроника прибора, который теперь может в автоматическом режиме вводить поправку на магнитное склонение в зависимости от широты места судна. Эту информацию прибор получает от спутниковых систем GPS, ГЛОНАСС. Конструкция прибора упростилась, по сравнению с магнитным компасом «Азимут 125М».
Регулировка нового компаса потребовала создания специальных стендов и организации новых проверок, в том числе проверки работы системы коррекции. В конце 2018 года прошли первые конструкторские испытания, которые подтвердили адекватность принятых технических решений. А осенью 2019 года в акватории Ладожского озера на катере «Азимут» проведены первые натурные испытания, которые показали, что характеристики «Азимут КМ–05Д» соответствуют заданным в техническом задании. Наряду с этим были выявлены особенности работы системы коррекции, которые были учтены в программном обеспечении прибора по результатам первых испытаний.
В 2020 году получено свидетельство регистра о типовом одобрении прибора, что позволяет приступить к его серийному выпуску и поставкам на суда. Сегодня опытный образец изделия прошел все виды стендовых испытаний. Свой труд в создание этого прибора внесли многие сотрудники предприятия, однако основными разработчиками стали А.А. Молочников, И.В. Сергачёв, И.В. Короленко, Ю.В. Матвеев, С.В. Чередниченко. Учитывая особую важность в использовании главного компаса на судне, а также ответственность разработчиков перед моряками, принято решение о продолжении натурных испытаний в 2020 г.
Д.Г. Грязин,
главный конструктор компаса «Азимут КМ–05Д»
Возврат к списку
Компас. История техники и изобретений
Компас — это устройство, указывающее направление на стороны света (север, юг, запад, восток). Компас изобрели китайцы в II-I тыс. до н. э., а его первое описание сделал китайский философ Хэнь Фэй-цзы в III в.
до н. э. В XI в. китайцы усовершенствовали компас и широко использовали его в мореплавании. От китайцев о компасе узнали арабы, а в Европе он появился в XIII в.
Английский компас. 1750 г.
Ложка, рыбка и иголка
Китайский компас III в. до н. э. — это ложка из магнитного железняка (магнетита, природного минерала), лежащая на пластине с обозначением сторон света. Ложка вращалась и останавливалась, указывая черенком на юг. Повернув пластину так, чтобы обозначение юга совпало с указаниями черенка, моряки определяли направления всех сторон света и устанавливали курс корабля. Компас-ложка был не точен — на вращение ложки влияло трение о пластину, и она могла остановиться, не «докрутившись» до юга.
В XI в. китайский ученый Шэнь Гуа открыл, что магнетит намагничивает железо. И китайцы сделали водяной компас с намагниченной стрелкой-рыбкой, плавающей в миске с водой — в воде сила трения меньше, и стрелка крутится почти беспрепятственно.
Тогда же появился и игольчатый компас — стрелкой стала намагниченная стальная игла, тонкая и лёгкая, почти не испытывающая сопротивления при вращении и концами точно указывающая на юг и север.
Китайский компас-ложка
Путь иглы
В XII в. китайскую «плавающую иглу» заимствовали арабы. От них компас достался итальянским морякам, потом испанцам, португальцам, французам, немцам и англичанам. В Россию компас попал при Петре I, русские моряки уважительно называли его «маткой». В Европе намагниченную стрелку насадили на остриё в центре бумажной картушки (круга с обозначениями сторон света). Итальянец Ф. Джулио разделил картушку на 16 частей, нанеся на неё помимо 4 сторон света промежуточные направления — румбы.
Ориентировка стала точнее — например, кораблю теперь задавали направление зюйд-зюйд-вест (юго-юго-запад) — промежуточное между юго-западом и югом. Потом картушку разделили на 32 румба.
В XVI в. для уменьшения воздействия качки стрелку укрепили на кардановом подвесе — в таком виде магнитный компас дожил до наших дней. Подвес и коробку компаса делали из материалов, не поддающихся воздействию магнита — например, из бронзы. Компас произвёл переворот в мореплавании, благодаря ему началась эпоха Великих географических открытий — с компасом моряки стали пересекать океаны, не боясь потеряться без береговых или звёздных ориентиров.
Китайский компас. XIX в.
Магнит — земля-компас
Магнетит и намагниченное железо — это постоянные магниты — тела, обладающее магнитным полем и способные долго его сохранять. Полем называется область пространства, которая воздействует на другие тела. Магнитное поле изображают силовыми линиями, выходящими из северного магнитного полюса N и замыкающимися, входя в южный магнитный полюс S, направление магнитного поля определяется направлением его полюсов — от N к S.
Земля — это гигантский магнит. Южный магнитный полюс S Земли примерно совпадает с географическим Северным полюсом, а северный магнитный полюс N — с географическим Южным полюсом. Одинаковые магнитные полюса (S и S или N и N) двух магнитов отталкиваются, а противоположные (S и N) — притягиваются. Поэтому полюс N любого магнита будет тянуться к полюсу S Земли, и сам магнит, если его не сдерживают другие силы, повернётся полюсом N к географическому Северному полюсу. Так действует и магнитная стрелка компаса — своим магнитным полюсом N она всегда указывает на географический север.
Магнитный и географический полюса Земли не совсем совпадают, угол между направлением на географический север и на магнитный северный полюс называется магнитным склонением. В каждой точке Земли этот угол разный. По картам магнитных склонений разных точек Земли мореходы уточняют определённый компасом курс корабля.
Как появляются магниты
Молекулы веществ состоят из атомов, вокруг ядер которых вращаются элементарные частицы — электроны.
Вращением вокруг ядра электрон создаёт своё крошечное магнитное поле. В обычных веществах направления магнитных полей электронов в атоме различно, и их магнетизм взаимно уничтожается. Но в атомах веществ ферромагнетиков, например в атомах железа, электроны образуют общее магнитное поле вокруг своих атомов. Под воздействием другого магнита (внешнего магнитного поля) атомы железа разворачиваются так, что направления их магнитных полей совпадают, образуя общее магнитное поле тела. Железо намагничивается и долго сохраняет это состояние, превращаясь в постоянный магнит.
Развитие идеи
Магнит и железо взаимно притягиваются, и в этом недостаток магнитного компаса. Железные детали на корабле притягивают стрелку — магнит и отклоняют её от точного курса. При дальних переходах даже небольшое отклонение от курса приводит корабль в точку, удалённую от места назначения. Точность компаса приобрела особую важность с развитием авиации и с освоением космоса, когда человек стал преодолевать огромные расстояния.
В 1927 г. при перелёте через Атлантику впервые использовали электромагнитный компас, не поддающийся внешним воздействиям. Ещё раньше появился гирокомпас, действие которого основано на гироскопическом эффекте. Гирокомпас точно удерживает заданное направление без поправок на магнитные склонения.
Современный гирокомпас
Поделиться ссылкой
История компаса
Подписаться
Apple | Гугл | Спотифай | Амазонка | Player.FM | TuneIn
Castbox | Сшиватель | Подкаст Республика | RSS | Патреон | Подвинье | Goodpods
Одним из важнейших изобретений раннего человечества был компас. Компас веками помогал человеку ориентироваться вокруг Земли.
Несмотря на то, что это была критически важная технология в развитии транспорта, на самом деле прошли столетия между открытием ее основных принципов и ее окончательным использованием в качестве практического инструмента для навигации.
Несмотря на то, что компасы были обнаружены более 2000 лет назад, они по-прежнему являются жизненно важным инструментом.
Узнайте больше о компасе и о том, как он помог человечеству найти свой путь, в этом выпуске «Все повсюду ежедневно».
Прежде чем я перейду к истории компаса, я должен немного объяснить, как он работает.
Уверен, вы все знаете, что в компасе используется магнитный металлический кусок металла, который ориентируется в присутствии магнитного поля. Этот эффект будет проявляться при наличии любого магнитного поля, в том числе и искусственно созданного.
Однако, если вы не окажетесь рядом с чем-то магнитным, металлический объект выровняется с естественным магнитным полем Земли.
Землю можно представить как гигантский стержневой магнит. Так же, как у стержневого магнита есть северный и южный полюса, у Земли тоже есть.
Северный и южный магнитные полюса Земли — это не то же самое, что географические полюса. Географические полюса устойчивы, но магнитные полюса обычно находятся на некотором расстоянии от географических полюсов и всегда движутся.
Таким образом, компас — это просто маленький магнит, который выравнивается с очень большим магнитом, которым оказывается Земля.
Эффект компаса, который я только что описал, был впервые обнаружен во времена династии Хань в Китае около 2000 лет назад. В отличие от других великих китайских изобретений, кто открыл эффект компаса и когда именно он был открыт, точно неизвестно.
Что мы знаем, так это то, что китайцы обнаружили, что если магнитный камень повесить на веревке, он всегда указывает на юг.
Это было известно как «Рыба, указывающая на юг».
Здесь я должен отметить очевидное, что китайцы определяли направление, в котором указывала скала, как «юг». Сегодня мы обычно определяем направление стрелки компаса как «север».
Ни одно из этих утверждений находятся в конфликте. Стрелка компаса выравнивается по оси север/юг. Таким образом, он всегда указывает и на север, и на юг, и на чем вы решите сосредоточиться, это просто вопрос условности.
Магнит, порода, проявляющая такое поведение, имеет высокую концентрацию железа, в частности оксида железа, известного как магнетит. Железо имеет два распространенных типа оксидов: магнетит, черный и сильно магнитный, и гематит, окрашенный в цвет ржавчины и не такой магнитный.
Гематит имеет два атома железа и три атома кислорода, а магнетит имеет три атома железа и четыре атома кислорода.
Открытие китайцами эффекта компаса было в основном просто новинкой на протяжении веков. Интересно, что этот камень всегда указывал в определенном направлении, но практического применения от него не было.
Основное использование «рыбы, указывающей на юг» было для гадания в форме геомантии и фэн-шуй. Геомантия просто использует знаки на земле, чтобы предсказать судьбу. Фэн-шуй — это древнее искусство расположения вещей в соответствии с энергетическими линиями, и для этого вам нужно знать направление.
Прежде чем продолжить рассказ об истории компаса, я должен отметить, что эффект компаса — это естественное явление.
В отличие от других китайских изобретений, таких как печатный станок или порох, это было обнаружено, а не изобретено.
Это означает, что другие цивилизации тоже могли обнаружить этот эффект.
Есть свидетельства того, что эффект компаса мог быть открыт древними ольмеками в Центральной Америке, возможно, за тысячу лет до китайцев.
Если да, то, вероятно, они использовались в целях геомантии, как в Китае.
Следующим достижением после рыбы, указывающей на юг, была магнитная блесна. Это были в буквальном смысле ложки, сделанные из магнитного камня, которые могли балансировать на дне чаши. Ложка вращалась до тех пор, пока не указывала с севера на юг.
Однако древние формы гадания и ложки не являются причиной того, что компас достоин эпизода.
Это связано с навигацией.
Это началось с открытия во времена династии Тан в 7 веке, что если железную иглу потереть магнитом, то она тоже станет намагниченной.
Намагниченная игла была намного проще в использовании, чем камень или ложка.
Более того, игла была достаточно мала, чтобы ее можно было заставить плавать в воде, используя либо поверхностное натяжение воды, либо плавать на чем-то легком, например на листе или листе бумаги.
Плавающая намагниченная стрелка известна как мокрый компас.
Точно так же иглу можно повесить на кусок шелковой нити, что позволит достичь той же цели. Это известно как сухой компас.
Тем не менее, эти намагниченные стрелки снова впервые использовались для геомантии, а не для навигации.
Первое свидетельство использования намагниченных игл для навигации по суше было зарегистрировано в 11 веке, а первое использование на море — в 12 веке.
Китайский историк Чжу Юй написал в своей книге Застольные беседы в Пинчжоу, « Пилоты корабля ознакомлены с конфигурацией берегов; ночью они следуют по звездам, а днем по солнцу. В темную погоду они смотрят на стрелку, указывающую на юг».
Вот почему компас известен как одно из четырех великих изобретений Китая.
Здесь я должен отметить, что компас помогал ориентироваться, но не отвечал за навигацию. У многих древних мореплавателей не было компаса, особенно у полинезийцев. Если вы помните мой эпизод о полинезийских мореплавателях, они могли плавать в открытом океане без компаса.
Тем не менее, наличие компаса было большим достижением.
С компасом не обязательно видеть берег, солнце или даже звезды. Это может, по крайней мере, помешать вам ходить по кругу.
Как компас распространился за пределы Китая, остается загадкой.
Период времени между появлением навигационного компаса в китайской литературе и его появлением в европейской литературе довольно короткий.
Первое письменное упоминание о компасе в Европе принадлежит английскому писателю Александру Неккаму, который в начале 13 века написал: Кроме того, моряки, когда они плывут по морю, когда в облачности они не могут больше пользоваться светом солнца, или когда мир окутан мраком ночных теней, и они не ведают на какую точку компаса направлен курс их корабля, они касаются магнита иглой, которая (стрелка) вращается по кругу до тех пор, пока, когда ее движение не прекратится, ее острие не будет смотреть прямо на север.
Это описание компаса поразительно похоже на описание Чжу Юя менее века назад.
Еще одна странность заключается в том, что компас появился в Англии еще до того, как он появился в мусульманском мире. К XII и XIII векам все, что попадало из Китая в Европу, должно было пройти через Халифат.
Итак, то ли компас как-то проскочил мимо мусульманского мира, что кажется очень маловероятным, то ли по какой-то причине он просто не появился в письменном виде.
Когда исламский мир получил компас, он использовался не только для навигации, но и для определения киблы, то есть направления на Мекку, которое использовалось для молитвы.
Примерно в это же время китайцы все еще использовали мокрые компасы для навигации. Они работали, но имели серьезные ограничения. Вода плескалась по кораблю, так что пользоваться им было практически невозможно.
В Европе в компас было внесено несколько нововведений. Первым был практически работающий сухой компас. Китайский сухой компас был просто иглой на нитке.
Европейский сухой компас представлял собой чувствительную вращающуюся стрелку на штифте, которую можно было сбалансировать и поместить в стеклянный футляр.
Это не так уж далеко от того, как устроено большинство современных компасов.
Вторым большим нововведением стало создание розы ветров. Это основа компаса, показывающая основные направления север-юго-восток и запад, включая пеленги между ними. Часто имеет форму звезды. Это позволяло ориентироваться практически в любом направлении. В конечном итоге это превратилось в геральдическую лилию, которая стала символом Франции и Святых Нового Орлеана.
Наконец, для кораблей деревянный ящик, в котором находилась игла, был помещен в карданный вал, который был помещен в другой карданный вал. Это позволяло компасу оставаться на одном уровне, даже когда корабль подбрасывало.
Были также европейские мокрые компасы, разработанные для целей астрономии, которые не должны были двигаться.
Со временем появились мокрые навигационные компасы, в которых жидкость содержалась в коробке, что обеспечивало дополнительную устойчивость стрелки.
Эти европейские новшества в компасе в конце концов вернулись в Китай через Японию, когда европейцы начали посещать Азию, как бы замкнув петлю компаса.
Одной из вещей, которые требовались для точного использования компаса, была компенсация магнитного склонения. Магнитное склонение было открыто китайцами, когда они еще использовали рыбу, указывающую на юг.
Поскольку магнитный северный полюс не совпадает с географическим северным полюсом, часто существует разница между тем, куда указывает стрелка, и истинным севером. Эта разница углов известна как магнитное склонение или магнитное отклонение.
Эта разница менялась в зависимости от того, где вы были. Склонение в Лондоне не будет таким, как, например, в Копенгагене. Более того, поскольку магнитные полюса блуждают, магнитное склонение может меняться со временем.
Это привело к созданию карт склонения, которыми могли пользоваться навигаторы.
В 1830-х годах британцы начали так называемый магнитный крестовый поход, который представлял собой всемирную попытку создать полную карту магнитных склонений.
Магнитные компасы усовершенствовались, но они по-прежнему не сильно отличаются от компасов, существовавших столетия назад. Принципы по-прежнему в основном те же. Если вы купите компас сегодня, это, вероятно, все еще будет магнитная стрелка или карта, плавающая в жидкости для стабильности, заключенная в стекло или пластик.
Одним из нововведений, использованных в ручных компасе, были прицелы, которые позволяли определять более точные пеленги.
Первоначально он предназначался для использования в военных целях, но также привел к развитию такого вида спорта, как спортивное ориентирование.
Спортивное ориентирование зародилось в Швеции в конце 19 века как соревновательное военное упражнение. Первое крупномасштабное соревнование было организовано шведским майором Эрнстом Килландером в 1919 году.
Этот вид спорта прижился в Скандинавии и Восточной Европе, а оттуда распространился по всему миру.
Сегодня спортивное ориентирование представляет собой нечто среднее между навигацией и гонками по пересеченной местности.
Здесь требуется и скорость, и точность. Ежегодно проводится кубок мира по спортивному ориентированию, в рамках которого проводится несколько мероприятий по четырем дисциплинам: пешеходное ориентирование, ориентирование на горных велосипедах, лыжах и трейловое ориентирование.
Уже много лет ведутся дискуссии о том, чтобы сделать спортивное ориентирование олимпийским видом спорта.
Есть большая вероятность, что у вас есть компас на смартфоне, который вы сейчас слушаете именно этот подкаст. Однако это не компас с магнитной стрелкой. Он использует компьютерный чип, называемый магнитометром, который действует так же, как компас.
Если вы используете iPhone, на нем есть приложение компаса, если вы им раньше не пользовались.
Аналогично, многие самолеты имеют гироскопический компас, который определяет ориентацию без использования магнетизма. Он достигает того же, но без магнетизма.
Устройство GPS на самом деле не может дать вам направление, оно может только определить местоположение.
Однако он может указать направление, если вы движетесь, так как может просто сравнить разницу между двумя местоположениями.
Старые добрые магнитные компасы все еще используются регулярно. Геологи должны научиться пользоваться так называемым компасом Брантона, который предназначен для полевых геологических работ. Однажды летом мне пришлось научиться пользоваться им, когда я занимался картированием геологических полей.
Точно так же их все еще можно найти на кораблях. Однажды мне удалось побывать на мостике авианосца, когда он был в море. Несмотря на все передовое навигационное оборудование, имевшееся в их распоряжении, у них все же был магнитный компас.
Несмотря на легкий доступ к системам GPS и компьютерным картам, научиться пользоваться бумажной картой и компасом — полезный навык. Обладание этими знаниями не только полезно, но и сделает вас частью давней традиции, уходящей корнями в 2000-летнюю историю древнего Китая.
Every Everywhere Daily — это подкаст Airwave Media.
Исполнительный продюсер Дарси Адамс.
Ассоциированные продюсеры Тор Томсен и Питер Беннетт.
Сегодняшний обзор исходит от слушателя Скотта Моффатта из Podcast Republic. Они пишут:
Гэри рассказывает интересные истории и факты по различным темам так подробно, чтобы тема не стала скучной. Этот подкаст абсолютно лучший в своем роде, который я нашел.
Спасибо, Скотт! Я рад, что вы считаете шоу лучшим в своем роде, и я обещаю, что всегда буду стараться, чтобы оно не было скучным.
Помните, что если вы оставите отзыв, бустаграмму или отправите мне электронное письмо, вы тоже сможете прочитать это шоу.
История китайского компаса: изобретение, династия и навигация
Используемые в Древнем Китае еще при династии Цинь (221 г. до н. э. – 207 г. до н. э.) или раньше, китайские компасы были изобретены не только для того, чтобы помогать людям ориентироваться во время путешествий. Компасы изначально были разработаны для выравнивания зданий по направлениям (север, юг, восток или запад) и как инструмент, используемый в гадании.
Оригинальная конструкция китайского компаса
Древнекитайский компас изготавливался из оксида железа, минеральной руды. Оксид железа также известен как магнетит и магнетит.
В самом популярном стиле первого китайского компаса использовался магнит (который автоматически указывает на юг) и бронзовая пластина. Магнит был вырезан в форме ложки. Ложка помещалась на плоскую бронзовую пластину. Когда бронзовая пластина была перемещена, магнит повернулся и остановился в направлении с севера на юг, а ручка указывала на юг. «Намагниченный» магнит выровнялся с магнитным полем Земли. Этот тип компаса назывался «южным указателем». Бронзовая пластина также была отмечена созвездиями, сторонами света и другими символами, важными для древних китайцев.
Другой вид компаса был сделан путем помещения железной иглы, натертой магнитом, на кусок дерева и опускания дерева в чашу с водой. Вода позволяла дереву двигаться или вращаться, пока игла оксида железа не указывала на юг.
Как использовались китайские компасы
Древние китайские компасы изначально использовались для поддержания гармонии и процветания с окружающей средой и для предсказания будущего.
Если бы ваш дом или бизнес были расположены в правильном направлении, у вас была бы хорошая жизнь, хорошее здоровье и большое богатство. Сегодня мы знаем эту практику как фэн-шуй.
Если вы хотели узнать лучшее время и место для свадьбы или похорон, то гадалка использовала доску для предсказаний, которая включала магнит, чтобы дать вам необходимую информацию.
Кроме того, древние китайцы использовали компас для навигации — чтобы найти дорогу домой во время путешествия. Использование компаса для путешествий также давало возможность путешествовать независимо от погодных условий. Если бы облака или туман скрывали солнце или звезды, вы все равно могли бы путешествовать, потому что компас указывал бы вам правильное направление.
Сравнение древнекитайских компасов и современных компасов
Между древнекитайским компасом и современным компасом есть одно существенное различие: направление на юг (древнекитайский) и направление на север (современный компас).