Из чего состоит компас, Магнитный компас
Длинную сторону его прикладывают к линии простирания и отсчитывают по северному же концу стрелки на лимбе азимут простирания слоя. Их используют для дополнительной проверки или на случай технических неполадок. Когда в XIX веке суда стали строить из стали, то выяснилось, что это столь сильно влияет на компас, что ошибки в его показаниях магнитная девиация просто неизбежны. Последними о новом приборе узнали немцы и англичане. Но чаще приходится совершать движения не по направлениям сторон горизонта, а по другим направлениям.
Такое приспособление рассматривается как прообраз магнитных компасов современной системы [8]. В Европе изобретение компаса относят к XII—XIII векам, однако устройство его оставалось очень простым — магнитная стрелка, укреплённая на пробке и опущенная в сосуд с водой.
В воде пробка со стрелкой ориентировалась нужным образом. Считается, что первое в европейской литературе описание компаса даёт английский гуманист XII века, писатель-энциклопедист Александр Никкам.
Он упоминает об этом изобретении в двух своих трактатах, а De Naturis rerum указывал: «Моряки в море, если из-за пасмурной погоды днём скрыто солнце или из-за темноты ночи они теряют понятие о том, в какую сторону света направляются, дотрагиваются магнитом до иглы, которая будет крутиться до тех пор, пока, по прекращении движения, не укажет остриём на север» [9].
Приводит описание компаса и французский хронист Жак де Витри в своей «Восточной истории» — [10]. Магнитную стрелку он надел на вертикальную шпильку, а к стрелке прикрепил лёгкий круг — картушку , разбитую по окружности на 16 румбов.
В XVI веке ввели деление картушки на 32 румба , и коробку со стрелкой стали помещать в кардановом подвесе , чтобы устранить влияние качки корабля на компас. В XVII веке компас снабдили пеленгатором — вращающейся диаметральной линейкой с визирами на концах, укреплённой своим центром на крышке коробки над стрелкой.
Когда в XIX веке суда стали строить из стали, то выяснилось, что это столь сильно влияет на компас, что ошибки в его показаниях магнитная девиация просто неизбежны. В результате слева и справа от компаса стали размещать массивные железные шары, которые можно передвигать и закреплять поближе и подальше от компаса. Внутри нактоуза , в который вмонтирован компас, стали помещать целый набор магнитов, которые тоже можно передвигать и закреплять. Изменение взаимного расположения этих шаров и магнитов почти полностью уничтожает девиацию [11].
По имеющимся данным, изобретён в Китае примерно в году до н. Александр Неккам рассказывал о магнитном компасе и его употреблении в навигации в трактате «О природе вещей» De naturis rerum [12]. В свою очередь древнегреческий учёный Геродот писал: «Итак, о гипербореях сказано достаточно. Я не хочу ведь упоминать сказание об Абарисе, который, как говорят, также был гипербореем: он странствовал по всей земле со стрелкой в руке …».
Хотя официально считается, что использование магнитного компаса в Европе для навигации началось приблизительно в XII веке нашей эры, тем не менее, судя по косвенным указаниям античных историков средиземноморья, магнитный компас использовался для ориентации в пространстве различными народами Средиземноморья и Европы ещё во втором тысячелетии до нашей эры.
То, что в те годы для этого прибора не было определённого общепринятого названия, и авторы описывали этот прибор в разных терминах, позволяет сделать предположение, что секрет навигации по компасу хранился в строгой тайне и передавался только избранным.
Широкому распространению использования компаса, вероятно, мешало и то, что намагниченный материал был в то время большой редкостью. Следует добавить, что, тем не менее, древние индийцы знали о намагниченном железе, а Ayas-kanta означает на санскрите магнит.
Принцип действия основан на взаимодействии поля постоянных магнитов компаса с горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Свободно вращающаяся магнитная стрелка поворачивается вокруг оси, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля.
Таким образом, стрелка всегда параллельна направлению линии магнитного поля. На магнитном полюсе Земли силовые магнитные линии перпендикулярны поверхности. Из-за этого вблизи от магнитных полюсов Земли в пределах км магнитный компас бесполезен для определения направления [13]. Магнитный компас начинает давать неверные показания вблизи магнитов, месторождений железа и других ферромагнитных минералов , а также предметов из ферромагнитных материалов железных, стальных и пр.
Рассмотрим для примера компас Адрианова. Он состоит из корпуса, в центре которого на острие иглы помещена магнитная стрелка. В разарретированном состоянии стрелки её северный конец обычно красного цвета устанавливается приблизительно в направлении на Северный магнитный полюс , а южный — на Южный магнитный полюс.
В нерабочем состоянии стрелка закрепляется тормозом арретиром Внутри корпуса компаса помещена круговая шкала лимб , разделённая на делений. Шкала имеет двойную оцифровку. Внешняя оцифровка шкалы нанесена против хода часовой стрелки через 5 больших делений угломера 10 делений шкалы. Для визирования на местные предметы ориентиры и снятия отсчетов по шкале компаса на вращающемся кольце компаса закреплено визирное приспособление мушка и целик и указатель отсчетов.
Электромагнитный компас является «развёрнутым» электрогенератором , в котором магнитное поле Земли играет роль статора, а одна или несколько рамок с обмотками — ротора. Соотношение напряжений, наводимых в обмотках при движении в магнитном поле, показывает курс, либо одна обмотка устанавливается под заранее заданным углом к продольной оси самолёта или корабля, и для поддержания курса пилоту или рулевому следует рулём направления удерживать стрелку на нуле.
Преимущество электромагнитного компаса перед обычным магнитным — в отсутствии девиации от ферромагнитных деталей транспортного средства, так как они неподвижны относительно обмоток и не наводят в них токов.
Для работы простого варианта электромагнитного компаса с индикатором в виде гальванометра требуется быстрое движение, поэтому первое применение электромагнитный компас нашёл в авиации. Был использован Чарльзом Линдбергом при перелёте через Атлантику в году. Гирокомпас — прибор, указывающий направление на земной поверхности; в его состав входит один или несколько гироскопов.
Используется почти повсеместно в системах навигации и управления крупных морских судов; в отличие от магнитного компаса его показания связаны с направлением на истинный географический а не магнитный Северный полюс.
Обычно гирокомпас применяется как опорное навигационное устройство в судовых рулевых системах с ручным или автоматическим управлением, а также при решении различных задач иного рода, например, для определения точного направления при наводке орудия боевого корабля. Морской гирокомпас, как правило, очень тяжёл; в некоторых конструкциях вес гироскопического ротора превышает 25 кг.
Для нормальной работы гирокомпаса необходимо устойчивое основание, не испытывающее ускорений и фиксированное относительно земной поверхности, причём скорость его перемещения должна быть пренебрежимо мала по сравнению со скоростью суточного вращения Земли на данной широте.
Прототип современного гирокомпаса первым создал Герман Аншютц-Кэмпфе запатентован в , вскоре подобный прибор построил Э. Сперри запатентован в году. В последующие годы разрабатывалось множество гирокомпасов различных модификаций, но наиболее удачные из них принципиально почти не отличались от устройств Аншютца и Сперри [14]. Приборы современной конструкции значительно усовершенствованы по сравнению с первыми моделями; они отличаются высокой точностью и надёжностью и удобнее в эксплуатации.
Простейший гирокомпас состоит из гироскопа , подвешенного внутри полого шара, который плавает в жидкости; вес шара с гироскопом таков, что его центр тяжести располагается на оси шара в его нижней части, когда ось вращения гироскопа горизонтальна.
Предположим, что гирокомпас находится на экваторе, а ось вращения его гироскопа совпадает с направлением запад — восток; она сохраняет свою ориентацию в пространстве в отсутствие воздействия внешних сил. Но Земля вращается, совершая один оборот в сутки.
Так как наблюдатель, находящийся рядом, вращается вместе с планетой, он видит, как восточный конец E оси гироскопа поднимается, а западный W опускается; при этом центр тяжести шара смещается к востоку и вверх позиция б.
Однако сила земного притяжения препятствует такому смещению центра тяжести, и в результате её воздействия ось гироскопа поворачивается так, чтобы совпасть с осью суточного вращения Земли, то есть с направлением север — юг это вращательное движение оси гироскопа под действием внешней силы называется прецессией.
Когда ось гироскопа совпадет с направлением север — юг N — S, позиция в , центр тяжести окажется в нижнем положении на вертикали и причина прецессии исчезнет. Поставив метку « Север » N на то место шара, в которое упирается соответствующий конец оси гироскопа, и, соотнеся ей шкалу с нужными делениями, получают надёжный компас.
В реальном гирокомпасе предусмотрены компенсация девиации компаса и поправка на широту места. Действие гирокомпаса зависит от вращения Земли и особенностей взаимодействия ротора гироскопа с его подвесом. В геодезии и строительстве для определения углов применяют буссоли — особый вид компаса повышенной точности. Буссоль имеет визирное приспособление, например, диоптр. Для повышения точности отсчётов плоская магнитная стрелка может устанавливаться на ребро.
Затем повернуть компас Адрианова так, чтобы северный конец магнитной стрелки оказался против буквы «С», тогда буквы «В», «3», «Ю» укажут направления на восток, запад, юг. И в любом из этих направлений можно выбрать на местности ориентир, который будет использован нами в дальнейшем ориентировании на местности.
Так, например, если нам надо двигаться в восточном направлении, то мы выбираем удаленный ориентир, расположенный на востоке по компасу , и двигаемся к нему, то есть идем на восток. Но чаще приходится совершать движения не по направлениям сторон горизонта, а по другим направлениям.
Как в этом случае пользоваться компасом? Для определения азимута направления на какой-либо местный предмет надо стать лицом к нему, отпустить тормоз магнитной стрелки и ориентировать компас Адрианова, то есть совместить конец стрелки с нулевым делением градусного кольца компаса. Затем, держа компас Адрианова на уровне глаз и не сбивая ориентировки компаса, осторожно повернуть крышку компаса так, чтобы прорезь на ней была направлена к нам, а мушка — точно в сторону ориентира.
Такое положение крышке можно придать, если посмотреть через прорезь и мушку на наблюдательный предмет. При этом нужно все время следить, чтобы северный конец стрелки совпадал с нулевым делением шкалы.
Этот прием хорошо выполняется, если компас Адрианова держать не на уровне глаз при визировании, а на 10—15 см ниже. Визирование осуществляют по положению карандаша или любой палочки, установленной в прорезь и мушку, и мысленно продолжая эту линию, направляют ее на выбранный ориентир. Хорошо это выполнять вдвоем. Когда один точно следит за ориентированием компаса, а второй определяет положением крышки направление на ориентир. После этого против указателя мушки отсчитывают магнитный азимут.
Так, например, на рисунке ниже, магнитный азимут на отдельное дерево равен градусов. С помощью компаса Адрианова можно решать и обратную задачу, то есть по заданному магнитному азимуту найти на местности нужное направление для движения.
Такие задачи приходится часто решать на практике при движении по азимутам. В этом случае, чтобы найти на местности заданное направление, необходимо указатель мушки установить на заданный магнитный азимут и отпустить тормоз магнитной стрелки.
Затем, установив компас Адрианова в горизонтальном положении, сориентировать его. Не сбивая ориентировки компаса, надо посмотреть на местность через прорезь и мушку и на этой линии заметить какой-либо ориентир. Направление от точки своего местонахождения на этот ориентир и будет соответствовать заданному магнитному азимуту.
Если магнитный азимут задан в лесу, где дальний ориентир выбрать невозможно, то запоминают какое-либо дерево, расположенное как можно дальше по видимости на данном направлении, и двигаются к нему.
