История создания компаса будет интересна не только специалистам. Компас можно смело занести в перечень величайших открытий человечества. Благодаря ему позднее была создана картография, позволившая человеку узнавать о новых Именно компасу мы обязаны Ведь до его появления путешественники ориентировались только по звездам и географическим объектам. Но названные ориентиры сильно зависели от погоды. Обычные облака могли легко обезоружить путника. С момента изобретения компаса указанные проблемы исчезли. Но история создания компаса требует более детального рассказа. Что ж, начнем!
Компас: история его открытия
Само слово «компас» произошло от древнебританского «compass», означавшего «круг». Большинство современных историков утверждает, что компас был изобретен в Китае в I в. до н. э. Хотя есть свидетельства, что данный прибор существовал еще во 2-м тыс. до н. э. В любом случае тогда компас являл собой небольшой кусок намагниченного металла, который был прикреплен к деревянной планке, находившейся в сосуде с водой. Такой компас использовался при движении по пустыням. Также им пользовались астрологи.
История открытия компаса гласит, что в арабском мире он появился в VIII в., а в - только в XII в. Первыми названный прибор переняли у арабов итальянцы. Затем компас начали использовать испанцы, португальцы и французы. Последними о новом приборе узнали немцы и англичане. Но и в то время устройство компаса оставалось максимально простым: магнитная стрелка укреплялась на пробке и опускалась в воду. Именно в воде пробка, дополненная стрелкой, ориентировалась соответствующим образом. В XI в. все в том же Китае появилась стрелка компаса, которую изготовляли из искусственного магнита. Как правило, ее делали в форме рыбки.
История создания компаса была продолжена в XIV веке. Эстафету принял итальянец Ф. Джойя, который сумел значительно усовершенствовать этот прибор. В частности, он решил надеть магнитную стрелку на вертикальную шпильку. Это нехитрое, на первый взгляд, приспособление помогло значительно улучшить компас. Кроме того, к стрелке была прикреплена катушка, разбитая на 16 румбов. Спустя два столетия деление катушки уже составляло 32 румба, а коробку со стрелкой начали помещать в специальном карданном подвесе. Таким образом, качка корабля переставала влиять на компас. В XVII в. компас оборудовали вращающейся линейкой, что помогло более точно отсчитывать направление. В XVIII в. у него появился пеленгатор.
Но на этом история создания компаса не заканчивается. В 1838 г. был найден способ нейтрализации влияния на данное устройство железных изделий корабля. А в 1908 г. появился гирокомпас, ставший основным навигационным прибором. Именно он всегда указывает на север. Сегодня точное направление движения можно узнать при помощи спутниковой навигации, тем не менее много судов оснащены Их используют для дополнительной проверки или на случай технических неполадок. Таким образом, история создания компаса насчитывает даже не сотни, а тысячи лет.
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.
Одним из величайших открытий человечества является изобретение компаса . Трудно переоценить его значение, он произвел настоящий переворот в истории мореплавания. Компас стал первым навигационным прибором, который позволил отважным морякам оставить морские берега и выйти в открытое море. Уже в III веке до н. э. в Китае был изобретен прибор, указывающий стороны света. Древний компас имел вид ложки с тонким черенком и шарообразной выпуклой частью, сама ложка была изготовлена из магнетита. Хорошо отполированная выпуклая часть ложки устанавливалась на медную или деревянную пластину, которая была также тщательно отполирована. Черенок ложки свободно висел над пластиной, а сама ложка свободно вращалась вокруг оси установленного выпуклого основания. На пластине были обозначены страны света в виде циклических знаков Зодиака. Роль магнитной стрелки выполнял черенок ложки. Если черенок привести во вращательное движение, а затем немного подождать, то остановившаяся стрелка (ее роль играет черенок ложки) будет указывать точно на юг. Это был самый первый древний компас, названный сынань — «ведающий югом» и описанный китайским философом Хэнь Фэй-цзы. Конечно, такой компас был далек от совершенства, имел много недостатков: магнетит был непрочен и плохо поддавался обработке, а трение между поверхностью доски и выпуклой частью ложки приводило к небольшим отклонениям от направления на юг.
В ХI веке в Китае изобрели плавающую стрелку компаса, ее делали из искусственного магнита. Намагниченный железный компас, обычно в форме рыбки, нагревался до красноты, а затем опускался в сосуд с водой.
Здесь она начинала свободно плавать, а ее голова поворачивалась в сторону юга. Ученый Шэнь Гуа, живший и творивший в Китае в том же ХI веке, долгое время изучал свойства магнитной стрелки. Им было предложено несколько разновидностей компаса. Используя намагниченную иглу, которую нужно прикрепить воском в центре корпуса к висящей шелковой нити, он установил, что такой компас более точно указывает направление по сравнению с плавающим. Им была предложена и более усовершенствованная конструкция, в которой намагниченная иголка крепилась на шпильку. Тот факт, что стрелка компаса указывала направление на юг с небольшим отклонением, ученый объяснил не совпадением географических и магнитных меридиан, они образуют угол, который позже научились вычислять и назвали магнитным отклонением. На многих китайских кораблях уже в ХI веке были установлены плавающие компасы.
В ХII веке китайская игла стала использоваться арабами, от них в ХIII веке она стала известна итальянским морякам, затем испанцам, португальцам и французам. Немцы и англичане начали пользоваться компасом позже. Если вначале компас представлял собой намагниченную иглу и кусок дерева, плавающего в сосуде с водой, то позже сосуд стали закрывать стеклом, чтобы защитить поплавок от воздействия ветра.
В 14 веке магнитную стрелку разместили на острие в середине бумажного круга, названного картушкой. Позже итальянец Флавио Джулио сделал огромный шаг на пути усовершенствования компаса, поделив картушку на 16 частей (румбов). Позже круг разделят на 32 сектора. В 16 веке стрелку начали крепить на кардановый подвес, что уменьшило воздействие качки, а в 17 веке компас усовершенствовали вращающейся линейкой с визирами для более точного расчета направления.
(слово "кибернетика" в переводе с греческого означает «кормчий» или «рулевой»). Эта наука потребовала появления специальных приборов, которые бы помогали путешественникам находить правильный путь. Одним из них был компас - прибор, указывающий направление географического или магнитного меридиана. Современные компасы бывают магнитные, механические, радио- и другие.
Слово «компас», по-видимому, происходит от старинного английского слова compass , означавшего в XIII-XIV вв. «круг».
Первые упоминания об изобретении компаса в Европе относятся к XII веку. Этот прибор представлял собой просто железную намагниченную стрелку, укрепленную на пробке, плавающую в сосуде с водой. Затем придумали укреплять стрелку на оси, закрепленной на дне чаши.
Однако в Китае компас был известен намного раньше. Его называли "чи-ан". Китайские летописи приписывают его изобретение полумифическому богдыхану (императору) Хуан-ди, царствовавшему за 2600 лет до нашей эры.
В китайских летописях сохранилась такая легенда. Император Хуан-ди воевал с одним монгольским ханом. После поражения монголы стали отступать в пустыню, а китайские войска долго преследовали их. Однако монгольские всадники устроили хитрость: они подняли такую пыль, что она заслонила солнце. Когда же пыль рассеялась, монголы уже скрылись из виду. Преследователи бросались то в одну, то в другую сторону, но нигде не встречали даже признаков человеческого жилья. Они поняли, что заблудились. У них кончалось продовольствие, они стали страдать от невыносимой жажды. И тогда император Хуан-ди вспомнил про крошечного железного человечка, которого ему подарил один мудрец. Этот человечек, как его ни поставь, всегда показывал рукой на юг. Император установил человечка на своей колеснице и повел измученное войско в ту сторону, куда указывала рука человечка. И скоро все увидели знакомые места.
Легенда, конечно, не может служить достоверным источником. Но есть и другие сведения о том, что компас действительно изобрели в Китае, примерно за 100-200 лет до нашей эры - на 3 тысячи лет позже, чем указывается в легенде. Но даже в этом случае первооткрывателями компаса все равно остаются китайцы.
Модель компаса эпохи китайской династии Хань.
Известно также, что примерно 800 лет назад арабские моряки пользовались компасом. Возможно, они переняли это изобретение у китайцев, все корабли которых в XI веке были снабжены компасами. Арабский прибор был сделан в виде железной рыбки. Намагниченную рыбку опускали на воду, и она всякий раз неизменно поворачивалась головой на север. От арабов, вероятно, об этом приборе узнали венецианские купцы, которые привезли его в Италию. Отсюда компас стал известен во всех странах Средиземноморья, а оттуда - и всей Европе. Во всяком случае, первое упоминание об использовании магнитной иглы в мореплавании встречается в труде англичанина Александра Неккама, написанном в 1180 г., причем он пишет о ней, как о вещи уже известной.
Прототип современного компаса был изобретен итальянцем Флавио Джойя в XIV веке (называют даже точный год - 1302). До этого компас служил лишь для определения направления север-юг. А Джойя предложил делить круг компаса на 16 частей (румбов) для определения других сторон света. Кроме того, он надел стрелку компаса на шпильку для ее лучшего вращения.
В Италии существует красивая легенда, связанная с именем Флавио Джойя.
Давным-давно, когда город Амальфи стоял, как и Венеция, на берегу моря, жил в нем бедняк Флавио Джойя, ювелир и инкрустатор. Он был влюблен в красавицу Анджелу, дочь богатого рыбака Доменико. Суровый Доменико считал людьми второго сорта тех, кто не выходил в море на веслах или под парусами, не испытал себя в штормах и бурях. А Флавио Джойя, к несчастью, относился как раз к этой категории людей. Доменико не хотел иметь такого зятя, но отказать претенденту на руку дочери он решил дипломатично и поэтому поставил условие: Флавио должен хотя бы один раз ночью или в туман проплыть на лодке строго по прямой линии. По тем временам такая задача была невыполнимой. Это не удавалось даже его товарищам, бывалым морякам.
Но Флавио принял вызов. Он взял продолговатый магнитный камень, который он укрепил горизонтально на круглой плоской пробке. На верхнюю поверхность пробки он установил диск с делениями. Так получился чувствительный элемент магнитного компаса - картушка.
Чтобы картушка могла поворачиваться в горизонтальной плоскости, Флавио проткнул ее вертикальной осью с острыми концами, которые упирались в опоры, установленные в корпусе прибора - чашке. Однако из-за давления картушки на нижнюю опору возникал большой момент трения, который препятствовал вращению картушки и вызывал большие ошибки прибора. Тогда Флавио налил в чашку воды. Пробка всплыла, давление на нижнюю опору снизилось, вращение картушки стало плавным и свободным. В одном месте на краю чашки Флавио провел тонкую черту, а всю окружность диска картушки разделил на 16 равных частей - румбов.
Настал день испытаний. Флавио сел в лодку и установил свой прибор так, чтобы тонкая черта на чашке совпадала с продольной осью лодки. Картушка, покачавшись вокруг оси, остановилась в таком положении, что один конец продолговатого магнитного камня указывал на север. Флавио заметил румб, который установился против тонкой черты на чашке, и отправился в путь. Ему лишь нужно было вести лодку так, чтобы во время движения против тонкой черты на чашке стоял один и тот же румб.
Так Флавио справился с заданием и женился на Анджеле.
Многие исследователи полагают, что Флавио Джойя - фигура вымышленная... Однако это не помешало благодарным итальянскиим потомкам воздвигнуть изобретателю компаса целых два памятника: в Неаполе и на родине Джойя - в городе Амальфи.
Памятник Флавио Джойя в Амальфи (Италия)
Да-да, это не ошибка: наука о закономерностях процессов управления и передачи информации - кибернетика - получила свое название по древнегреческому названию искусства судовождения!
Инструкция
Идея создания компаса принадлежит древним китайцам. В III веке до н.э. один из китайских философов описывал компас того времени следующим образом. Это была разливательная ложка из магнетита, у которой был тонкий черенок и хорошо отполированная шарообразная выпуклая часть. Опиралась ложка своей выпуклой частью на такую же тщательно отполированную поверхность медной или деревянной пластины, при этом черенок пластины не касался, а свободно висел над ней. Таким образом, ложка могла вращаться вокруг своего выпуклого основания. На самой пластине были нарисованы стороны света в виде зодиакальных знаков. Если специально подтолкнуть черенок ложки, она начинала вращаться, при этом, останавливаясь, черенок всегда указывал точно на юг.
Все в том же Китае в XI веке придумали плавающую стрелку компаса. Делали ее из искусственного магнита, обычно в форме рыбки. Ее помещали в сосуд с водой, где она свободно плавала, а остановившись, также всегда указывала головой на юг. Другие формы компаса в том же веке были придуманы китайским ученым Шэнь Гуа. Он предлагал намагнитить обычную швейную иглу о природный магнит, а затем прикрепить эту иглу в центре корпуса к шелковой нити с помощью воска. Так получалось меньшее при повороте иглы, чем в воде, а потому компас показывал более точное направление. Еще одна модель, предложенная ученым, предполагала крепление не к шелковой нити, а к шпильке, что больше напоминает современную форму компаса.
Почти на всех китайских кораблях в XI были установлены плавающие компасы. Именно в таком виде они распространились в мире. Сначала их в XII веке переняли арабы. Позже магнитная игла стала известна и в европейских странах: сначала - в Италии, затем - в Португалии, Испании, Франции, позднее - в Англии и Германии. Сначала намагниченная игла на кусочке дерева или пробки плавала в сосуде с водой, позже сосуд догадались закрыть стеклом, а еще позже магнитную стрелку догадались размещать на острие в центре бумажного круга. Затем компас был усовершенствован итальянцами, к нему была добавлена катушка, которая делилась на 16 (позже - 32) равных секторов, указывающих на стороны света (сначала по 4, а позже по 8 секторов для каждой из сторон).
Дальнейшее развитие науки и техники сделало возможным создание электромагнитного варианта компаса, который более совершенен в том плане, что не предусматривает отклонений из-за наличия ферромагнитных деталей в том транспортном средстве, на котором он используется. В 1908 году немецкий инженер Г. Аншютц-Кэмпфе создал прототип гирокомпаса, преимуществом которого стало указание направления не на магнитный северный полюс, а на истинный географический. Для навигации и управления крупными морскими судами почти повсеместно используется именно гирокомпас. Современная эра новых компьютерных технологий позволила придумать электронный компас, создание которого связано, прежде всего, с развитием системы спутниковой навигации.