История появления компаса. История создания компаса
У современных людей нет никаких проблем в том, чтобы с высокой точностью определить своё местоположение — можно, например, использовать приборы, оснащённые датчиком GPS или ГЛОНАСС. Однако в древности при путешествиях на большие расстояния у людей возникали проблемы. Особенно сложно было ориентироваться при путешествии по пустыням или плавании в открытом море, где не было каких-то известных ориентиров. В результате путешественники легко могли заблудиться и погибнуть. Уже после начала эпохи великих географических открытий в 16-17 вв. мореплаватели нередко теряли уже открытые острова или наносили их на карту несколько раз, что уж говорить о древних мореплавателях.
Конечно, ещё в древности люди нашли всё-таки способы определять стороны света, в этом помогало прежде всего наблюдение за Солнцем и звёздами. Уже давно было замечено, что, хотя звёзды меняют своё положение, одна из звёзд, а именно Полярная звезда, всегда находится на одном месте. По этой звезде стали определять направление на север. Но как быть, если небо закрыто облаками, и ни Солнца, ни звезд не видно? Направление движения определить нельзя, корабль сбивается с курса и может уплыть совсем не туда, куда нужно. Поэтому далёкие экспедиции были очень опасным делом, пока не появился компас, и не случайно лишь после того, как мореплаватели стали его использовать, были открыты и изучены все уголки нашей планеты. А когда же и кем был изобретён компас?
Принцип действия компаса основан на том, что земля обладает магнитным полем и представляет собой как бы один большой магнит. Компас же имеет магнитную стрелку, которая в магнитном поле Земли всегда указывает направление на магнитные полюса, находящиеся недалеко от географических. Таким образом, при помощи компаса можно определять направление на стороны света. В природе есть материал, обладающий магнитными свойствами, а именно магнетит (магнитный железняк).
магнетит
Свойство кусочков магнетита притягиваться друг к другу, а также к железным предметам было давно замечено людьми. Например, об этом написал в своих трудах ещё древнегреческий философ Фалес Милетсикй в 6 в. до н. э., однако он не нашёл магнитам практического применения. А нашли его китайцы.
Достоверно неизвестно, когда китайцы изобрели компас, но первое его описание, дошедшее до наших дней, относится к 3му веку до н. э. Древний китайский компас представлял из себя что-то вроде ложки из магнетита, установленную на отполированную медную пластинку. Выглядел он так:
древний китайский компас
Ложку раскручивали и она через некоторое время останавливалась так, что её конец указывал на юг. Причём изначально компас в Китае использовали вовсе не для навигации, а в мистической системе фэншуй. В фэншуй очень важно правильно ориентировать предметы по сторонам света, для этого и использовали компас.
Прошло немало времени, прежде чем компас усовершенствовали и стали использовать в путешествиях сначала на суше, а потом и на море. Вместо куска магнетита стали использовать намагниченную железную иглу, которая подвешивалась на шёлковой нити либо опускалась в сосуд с водой, где плавая на поверхности, разворачивалась в направлении магнитного полюса. Важные усовершенствования компаса, а также описание магнитного склонения (т. е. отклонения направления на магнитный полюс и географический) сделал китайский учёный Шень Гуа в 11 в. Именно после этого компас стали активно использовать китайские мореплаватели. От них компас стал известен арабам, а в 13 в. известный путешественник Марко Поло привёз компас из Китая в Европу.
В Европе компас усовершенствовали. Стрелку стали устанавливать на шпильку, добавили шкалу, разделённую на румбы, чтобы более точно обозначать направление. В более поздних версиях компас стали устанавливать на специальном подвесе (т. н. кардановом), чтобы качка судна не влияла на показания.
старинный корабельный компас
Появление компаса дало огромный толчок развитию мореплавания в Европе и помогло европейским мореплавателям пересечь океаны и открыть новые континенты.
Самое древнее устройство, облегчающее ориентирование на местности – это компас. Его стрелки указывают на магнитные полюса Земли. Каждый школьник знаком с этим нехитрым прибором. Удивительно, но он был изобретен задолго до нашей эры.
История компаса
Предположительно, история компаса начинается с III века до Рождества Христова. Древние китайцы первыми догадались об удивительном свойстве магнетита показывать полюса Земли.
Для передвижения по пустыне они изобрели прибор, мало похожий на современный компас, но принцип действия его был таким же. Древний компас напоминал ложку, лежащую на отполированной пластине. Черенок этой ложки из магнетита свободно вращался, и, останавливаясь, указывал на юг.
Намного позже, в XI веке нашей эры китайцы придумали компас с плавающей стрелкой в виде рыбы. Арабам очень понравился этот прибор, и они стали применять его для нахождения верного направления в далеких морских путешествиях.
В XIII в. похожим устройством стали пользоваться и европейцы. А в XIV в. компас приобрел вид, схожий с современным. Магнитную стрелку закрепляли шпилькой на дне сосуда или на бумажном основании.
Итальянец Флавио Джойо усовершенствовал прибор, снабдив его круглой картушкой с 16-ю ромбами (по 4 на каждую сторону света). Еще позже круг разделили на 32 части. К XVIII в. компас уже представлял собой сложное устройство, которое показывало не только направление движения, но и время.
А что сейчас
Сейчас существует множество разновидностей компаса:
- электромагнитный,
- электронный,
- гирокомпас.
Они более совершенные и используются на кораблях и самолетах. Однако, старый добрый магнитный компас продолжает жить, являясь самым удобным и надежным прибором для геологов, альпинистов и простых любителей путешествий.
Согласно историческим данным, изобретение компаса произошло в эпоху правления китайской династии Сун и было связано с необходимостью ориентироваться в пустыне. В III веке до н.э. китайский философ Хэнь Фэй-цзы описал устройство компаса его эпохи следующим образом: он представлял собой шарообразную, тщательно отполированную в выпуклой части, разливательную ложку, состоящую из магнетита с тонким черенком.
На тщательно отполированную медную или деревянную пластину устанавливалась своей выпуклой частью так, чтобы черенок не касался пластины, а располагался свободно над ней. При этом ложка должна свободно вращаться вокруг оси своего основания.
На пластину наносятся обозначения сторон света, представляющие зодиакальные знаки. Ложку приводили во вращение, подталкивая черенок ножки. Когда ложка остановится, черенок, выполняющий роль магнитной стрелки, указывает точно на юг.
Таково было устройство самого древнего прибора, выполняющего функции компаса. В ХI веке в Китае появляется плавающая стрелка для компаса, выполненная из искусственного магнита. Обычно она изготавливалась в форме рыбки, которую опускали в сосуд с водой. В воде она свободно плавала, направляя голову в сторону юга. Китайские снабжались плавающими компасами. Их устанавливали на носу и на корме, чтобы капитанам было удобно ориентироваться в путешествии в любую погоду.
Таким компас дошёл до арабов в XII веке, а в начале XIII века - до европейцев. Первыми «плавающую иглу» у арабов переняли итальянские моряки, позднее - испанцы, португальцы и французы, а ещё позже - немцы и англичане. Изначально компас представлял собой намагниченную иголку и кусочек дерева, плававшие в сосуде с водой. Вскоре сосуд стали прикрывать , чтобы защитить механизм от воздействия ветра. В середине XVI века магнитную стрелку стали помещать на острие в середину круга.
Значительно усовершенствованный вид компас приобрёл в начале XIV века благодаря итальянцу Флавио Джойя. Он надел магнитную стрелку на вертикальную шпильку, а стрелку 
прикрепил к лёгкому кругу - картушке, разбитому по окружности на 16 румбов. А в XVI веке картушку и коробку со стрелкой поместили в кардановый подвес, чтобы избежать влияния качки корабля на показания компаса.
Коммпас (в профессиональной речи моряков: компамс) -- устройство, облегчающее ориентирование на местности.
История компаса начинается в Китае. В III веке до н.э. китайский философ Хэнь Фэй-цзы так описывал устройство современного ему компаса, который назывался сынань, что означает "ведающий югом”: он имел вид разливательной ложки из магнетита с тонким черенком и шарообразной, тщательно отполированной выпуклой частью. Этой выпуклой частью ложка устанавливалась на столь же тщательно отполированной медной или деревянной пластине, так что черенок не касался пластины, а свободно висел над ней, и при этом ложка легко могла вращаться вокруг оси своего выпуклого основания. На пластине были нанесены обозначения стран света в виде циклических зодиакальных знаков. Подтолкнув черенок ложки, ее приводили во вращательное движение. Успокоившись, компас указывал черенком (который играл роль магнитной стрелки) точно на юг. Форма ковшика была выбрана не случайно. Она копировала форму созвездия Большой Медведицы, называемого в Китае "Небесным Ковшом” (Тянь доу). Таким был самый древний прибор для определения сторон света. Недостатком такого компаса было то, что магнетит плохо обрабатывается и очень непрочен. К тому же "ведающий югом” был недостаточно точен, по причине сильного трения между ковшиком и поверхностью доски.
В XI веке в Китае появилась плавающая стрелка компаса, изготовленная из искусственного магнита. Китайцы обнаружили, что эффект намагничивания наблюдается как при соприкосновении железа с магнитом, так и при охлаждении разогретого до красноты железного куска. Изготавливался намагниченный компас в виде железной рыбки. Она нагревалась докрасна и опускалась в сосуд с водой. . Здесь она свободно плавала, указывая своей головой в ту сторону, где находился юг. При вторичном нагревании рыбка теряла свои магнитные свойства. Упоминание о таком компасе имеется в трактате "Основы военного дела” ("У цзинь цзуняо”), написанном в 1044 г.
Несколько разновидностей компаса придумал в том же XI веке китайский ученый Шэнь Гуа (1030-1094), который много работал над исследованием свойств магнитной стрелки. Он предлагал, например, намагнитить о природный магнит обычную швейную иглу, затем прикрепить ее с помощью воска в центре корпуса к свободно висящей шелковой нити. Этот компас указывал направление более точно, чем плавающий, так как испытывал гораздо меньшее сопротивление при своем повороте. Другая конструкция компаса, предложенная Шэнь Гуа, была еще ближе к современной: намагниченная иголка здесь насаживалась на шпильку. Во время своих опытов Шэнь Гуа установил, что стрелка компаса показывает не точно на юг, а с некоторым отклонением, и правильно объяснил причину этого явления тем, что магнитный и географический меридианы не совпадают между собой, а образуют угол. Ученые, которые жили после Шэнь Гуа, уже умели вычислять этот угол (его называют магнитным склонением) для различных районов Китая. В Европе явление магнитного склонения было впервые подмечено Колумбом во время его плавания через Атлантический океан, т.е. на четыре столетия позже, чем его описал Шэнь Гуа.
В Европе изобретение компаса относят к XII--XIII вв., однако устройство его оставалось очень простым -- магнитная стрелка, укрепленная на пробке и опущенная 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 лёгкий круг -- картушку, разбитую по окружности на 16 румбов. В XVI в. ввели деление картушки на 32 румба и коробку со стрелкой стали помещать в кардановом подвесе, чтобы устранить влияние качки корабля на компас. В XVII в. компас снабдили пеленгатором -- вращающейся диаметральной линейкой с визирами на концах, укрепленной своим центром на крышке коробки над стрелкой.
С помощью компаса можно ориентироваться в любом пространстве: на море, в воздухе, на суше. В зависимости от цели его использования компас имеет следующие разновидности:
- а) гирокомпас. Он необходим для ориентации в Мировом океане. Представляет собой свободно подвешенный диск, который сохраняет неизменным направление оси своего вращения при изменении курса корабля;
- б) радиокомпас. Он обеспечивает корректировку направления приема определенных радиоволн; компас навигация
- в) астрокомпас. Он указывает направление относительно положения Солнца или звезд на небесном своде;
- г) буссоль. Она применяется для измерения азимутов линий на местности. Ей пользоваться удобнее, чем простым компасом.
- д) горный компас. Он необходим для маршрутов геологов и географов. У этого компаса есть специальное приспособление для измерения углов наклона поверхности земли и горных пластов. У горного компаса, в отличие от всех остальных, деления на градусном кольце пронумерованы против часовой стрелки. Это сделано для удобства определения азимутов простирания или наклона пластов.
Прототип современного гирокомпаса первым создал Г. Аншюц-Кэмпфе (запатентован в 1908), вскоре подобный прибор построил Э. Сперри (запатентован в 1911). В последующие годы разрабатывалось множество гирокомпасов различных модификаций, но наиболее удачные из них принципиально почти не отличались от устройств Аншюца и Сперри. Приборы современной конструкции значительно усовершенствованы по сравнению с первыми моделями; они отличаются высокой точностью и надежностью и удобнее в эксплуатации. 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.
История создания электронного компаса тесно связана с системами спутниковой навигации.
Уже в глубокой древности люди научились определять свое положение в пространстве, ориентируясь по четырем сторонам горизонта. Известно, что точки соприкосновения солнца с горизонтом во время восхода и захода показывают направления на восток и запад, юг определяется положением солнца в зените, а север находится противоположно югу. По этим четырем направлениям были сориентированы уже жертвенники трипольской культуры VI-III тысячелетий до н. э. Можно определить направление также по положению звезд , кроме того, есть достаточно примет-указателей, основанных на наблюдениях за природой. Но как сориентироваться, к примеру, в пасмурный день в море или в пустыне, где нет ни деревьев, ни муравейников?
В этом случае невозможно обойтись без компаса прибора для ориентирования относительно сторон горизонта, который указывает направление географического или магнитного меридиана.
Компас «колесница, указывающая на юг».
Все многочисленные разновидности компасов можно разделить на магнитные и немагнитные. Традиционно считается, что сначала были изобретены магнитные компасы, действие которых основано на взаимном притяжении или отталкивании двух магнитов. Однако существует китайская легенда об изобретенной гораздо раньше «колеснице, указывающей на юг», первом немагнитном компасе.
Согласно этой легенде, Желтый император Хуан-ди начал войну с племенем императора Янь-ди . Во время боевых действий колдун Чи Ю напустил густой туман, чтобы люди Хуан-ди заблудились. Но с помощью колесницы, указывающей на юг, они нашли правильный путь и в конечном итоге одержали победу. По преданию, это произошло около 2600 г. до н. э., но реальные исторические сведения относят изобретение устройства к III в. Суть его в том, что на колеснице устанавливалась фигурка человека, которая указывала на юг независимо от направления движения. Сложный зубчатый механизм колесницы учитывал разницу в количестве оборотов ее колес при поворотах и разворачивал фигурку лицом к югу.
Простейший магнитный компас состоит из намагниченной стрелки, которая свободно вращается в горизонтальной плоскости и ориентируется вдоль магнитного меридиана. Наша планета также является магнитом. Противоположные полюса магнитов притягиваются, одноименные отталкиваются. При ориентировании с помощью современного компаса за точку отсчета берется север, поэтому традиционно считается, что стрелка компаса как раз и показывает на север, хотя на самом деле это не совсем так. Концы магнитной стрелки указывают на магнитные полюса Земли, которые не совпадают с географическими, да еще и медленно дрейфуют. До сих пор условно полагают, что Северный магнитный полюс находится на острове Сомерсет, в 2100 км от географического Северного полюса, хотя это было справедливо полвека назад. К тому же на точность показаний компаса влияют находящиеся вблизи металлические предметы или магниты, электронные приборы, залежи металлических руд, а также магнитные бури.
Остров Сомерсет в окружении других островов. Спутниковый снимок.
Первый, довольно примитивный, магнитный компас, о котором имеются достоверные исторические данные, был изобретен в Китае. Когда именно это произошло, точно неизвестно, но в III в. до н. э. философ Хэнь Фэй-цзы так описывал устройство современного ему компаса, который назывался «сынань», что означает «ведающий югом»: он имел вид ложки из магнетита с тонким черенком и шарообразной, тщательно отполированной выпуклой частью. Выпуклой частью ложка устанавливалась на столь же тщательно отполированной медной или деревянной пластине так, чтобы черенок не касался пластины, при этом ложка легко могла вращаться вокруг оси своего выпуклого основания.
На пластину были нанесены обозначения стран света. Подтолкнув черенок ложки, ее приводили во вращательное движение. Остановившись, компас указывал черенком, который играл роль магнитной стрелки, в сторону юга.
В XI в. было сделано следующее наблюдение: эффект намагничивания проявляется не только при соприкосновении магнита с железом, но и при охлаждении железа, раскаленного докрасна. Это открытие легло в основу компаса, изготовленного в виде железной рыбки, которую нагревали и опускали в сосуд с водой. Рыбка плавала в воде, поворачиваясь головой в сторону юга. Если же ее нагревали повторно, она теряла магнитные свойства. Такой компас упоминается в трактате «Основы военного дела» («У цзинь цзуняо»), написанном в 1044 г.
Китайские мореплаватели раньше других начали ориентироваться по магнитным компасам.
Китайский магнитный компас.
Если оказаться с магнитным компасом между северным географическим полюсом и северным магнитным полюсом, северный конец стрелки будет показывать на юг, а южный на север. В районе магнитного полюса стрелка, подвешенная на нити, стремится развернуться вниз, вдоль магнитных линий Земли.
Примерно в это же время несколько разновидностей компаса изобрел китайский ученый Шэнь Гуа. Он предлагал, например, намагнитить о природный магнит обычную швейную иглу, затем за середину прикрепить ее с помощью воска к свободно висящей шелковой нити. Этот компас указывал направление более точно, чем плавающий, так как испытывал гораздо меньшее сопротивление при повороте. Другая конструкция компаса, предложенная Шэнь Гуа, была еще ближе к современной: намагниченная иголка в нем насаживалась на шпильку. Во время своих опытов Шэнь Гуа установил, что стрелка компаса показывает не точно на юг, а с некоторым отклонением, и правильно объяснил причину этого явления тем, что магнитный и географический меридианы не совпадают, а образуют угол (его называют магнитным склонением).
Вскоре большинство китайских кораблей были оснащены компасами, состоящими из намагниченной иголки и кусочка пробки, плававшего в сосуде с водой. В таком виде китайский компас в XII в. заимствовали арабы, а еще через сто лет «плавающая игла» стала известна европейцам. Первыми ее переняли у арабов итальянские моряки. Именно они начали закрывать сосуд стеклом, чтобы защитить поплавок от действия ветра. Европейское название этого устройства предположительно происходит от вульгарного латинского compassare «измерять».
В середине XIV в. магнитную стрелку поместили на острие в середине бумажного круга картушки. Затем итальянец Флавио Джойя усовершенствовал компас, разделив картушку на 1 б частей (румбов) по четыре на каждую страну света. Позднее круг был разделен на 32 равных сектора. В XVI в. для уменьшения воздействия качки стрелку стали крепить на кардановом подвесе, а еще век спустя компас снабдили пеленгатором вращающейся линейкой с визирами на концах, что позволило точнее отсчитывать направление. Компас произвел такой же переворот в мореплавании, как порох в военном деле. Вооружившись компасом, испанские и португальские моряки в конце XV в. отважились на далекие плавания через океан.
В настоящее время магнитные компасы используются в основном туристами, топографами, геологами, а также в спортивном ориентировании и в качестве дополнительного средства морской навигации. С начала XX в. в мореплавании начали употреблять немагнитные гирокомпасы. В отличие от магнитных они указывают точно на географические полюса Земли, к тому же не испытывают влияния внешних магнитных полей.
Принцип действия гирокомпаса основан на свойствах гироскопа и суточном вращении Земли. Фактически гирокомпас и есть гироскоп вращающийся ротор, установленный в кардановом подвесе, дающем оси ротора возможность свободно изменять положение в пространстве. При вращении ротор сохраняет свою пространственную ориентацию в силу закона сохранения момента импульса. Сам по себе вращающийся гироскоп не является навигационным средством. Чтобы возникла процессия, ось ротора, например с помощью груза, удерживают в горизонтальном положении по отношению к поверхности Земли. При этом сила тяжести создает крутящий момент, в результате чего ось ротора поворачивается на истинный север.
Гироскоп был изобретен Иоганном Боненбергером предположительно в 1813 г. В 1852 г. французский ученый Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления. Первый несовершенный гирокомпас был создан в 1885 г. датчанином Мариусом Герардусом ван ден Босом. Через 20 лет немецкий ученый Герман Аншютц-Кем-пфе на его основе создал и запатентовал свою модель гирокомпаса, рассчитывая использовать его при путешествии к северному полюсу на субмарине.
Еще через пять лет очередной вариант гироскопа запатентовал американец Элмер Сперри, основавший для его производства компанию Sperry Gyroscope. И все бы ничего, но Сперри рискнул предложить свою разработку германскому военно-морскому флоту, после чего Аншютц-Кемпфе обратился
в суд с иском о нарушении американцем патентного законодательства. В качестве патентного эксперта был приглашен сам Альберт Эйнштейн, который, хотя и после некоторых колебаний, подтвердил авторское право Аншютц-Кемпфе. В дальнейшем Эйнштейн участвовал в других разработках немецкого изобретателя, в частности в создании двухроторного гироскопического прибора, названного компасом Эйнштейна Аншютца.
Леон Фуко.
В последние годы широкое распространение получили электронные компасы, оснащенные блоком магниторезисторов микроэлектромеханических систем, определяющих свое относительное положение в магнитном поле Земли. Также к электронным средствам навигации можно отнести устройства, определяющие координаты посредством спутниковых систем (GPS, ГЛОНАСС). Такие навигаторы определяют местоположение объекта, измеряя расстояние до него от точек с известными координатами от спутников, находящихся на околоземной орбите. Строго говоря, эти устройства не являются компасами в классическом смысле, поскольку представляют собой всего-навсего приборы с индикацией путевого угла. Тем не менее ожидается, что развитие навигации в будущем будет происходить именно в этом направлении.
Группа ученых из России и США изобрела световой компас: луч, проходящий через облако атомов рубидия, точно определяет размер и ориентацию магнитного поля. В присутствии магнитного поля ориентация атомов менялась тем или иным способом, и эти изменения были хорошо видны в свете, свидетельствуя и об определенной величине, и о направлении магнитного поля.
