Интересные факты о компасе коротко. Старт в науке

История создания первого магнитного компаса уходит вглубь веков и по-прежнему во многих моментах остается загадкой. До нас в основном доходят лишь обрывки тех историй, с которыми можно было бы связать появление первого магнитного компаса. На звание страны, в которой появился первый компас, претендуют Греция, Китай и Индия, но и здесь все не так однозначно.

Предлагаю вместе рассмотреть дошедшие до нас благодаря скрупулезной работе историков сведения, на основании которых можно будет получить представление о том, где и когда появился один из первых навигационных приборов, который и по сей день пользуется большой популярностью и используется как моряками, так и любителями путешествий по суше.

Одна из «моделей» старинных компасов, вполне исправно работающая и сегодня.

Поскольку изобретение магнитного компаса тесно связано с открытием и изучением магнетизма, дальнейший наш рассказ будет параллельно рассматривать и это явление.

Первый китайский компас

По мнению некоторых исследователей, впервые явление магнетизма открыли древние греки. Однако есть и другая точка зрения, отдающая авторство открытия китайцам.

Ученые, отдающие предпочтение «китайскому открытию», ссылаются на летопись, сделанную в третьем тысячелетии до нашей эры, хотя предполагается, что сам магнитный железняк (он же - магнетит) был открыт китайцами на тысячелетие раньше.

В летописях, на которые ссылаются ученые, предполагается, что уже китайский император Хуан-ди во время своей битвы для навигации использовал компас. Однако по другой версии вместо компаса на его повозках использовалось устройство в виде колесницы, на которой миниатюрная фигурка человека показывал направление на юг.

Реконструкция такой колесницы показана на фото ниже:

Эта колесница устанавливалась на транспортное средство и соединялась с его колесами таким образом, что благодаря налаженному механизму шестеренок при повороте повозки колесница начинала вращаться в противоположном направлении. Таким образом миниатюрная фигурка человека на колеснице всегда неизменно показывать на юг, независимо от поворота транспорта. Вообще, конечно, фигурка эта показывала бы и в любом другом направлении: все зависело от того, куда ее изначально направят. Сама же колесница не была в состоянии ориентироваться по сторонам света, как это делает стрелка магнитного компаса.

Интересно, что один из первых китайских компасов, представлявший собой ложку, изготовленную из магнитного материала и вращающуюся на гладкой доске, применялся не по прямому назначению, а в магический ритуалах для предсказаний. Такое использование магнита имело место в третьем тысячелетии до нашей эры, хотя по другой версии магнитные свойства ферромагнетика использовали в древнем Китае уже в четвертом тысячелетии до нашей эры в обрядах феншуя, объясняя магнетизм проявлением высших сил.

К концу же второго тысячелетия до нашей эры китайские моряки уже в полной мере пользовались магнитными компасами по прямому назначению - для ориентирования на морских просторах.

Первый компас в Индии

Независимо от Китая, магнетизм был открыт и в Индии. Открытие это произошло благодаря горе, расположенной возле реки Инд. Местные жители обратили внимание на то, что эта гора способна была притягивать к себе железо.

Магнитные свойства породы нашли применение в индийской медицине. Так, Сушрута - индийский врач - использовал магнит для хирургических манипуляций.

Как и в Китае, в Индии магнитом научились пользоваться моряки. Их компас выглядел, как самодельная рыба, голова которой была выполнена из материала, обладающего магнитными свойствами.

Таким образом, индийская рыбка и китайская ложка стали прародителями современного компаса.

Компас и Древняя Греция

Древняя Греция, как и предыдущие две страны, не отставала в научной сфере. Греки независимо от других ученых самостоятельно обнаружили и исследовали явление магнетизма, а после - создали свой первый компас.

В VII–VI веках до нашей эры древними греками, а именно Фалесом Милетским, было обнаружено, что известный на протяжении нескольких веков магнетит способен притягивать железо.

Объяснялось это явление по-разному: кто-то полагал, что магнетит имеет душу, которая тянется к железу, кто-то - что железо обладает влажностью, которую в свою очередь и поглощает магнит. Но, как понимаем, такие объяснения были еще очень далеки от истины.

Позже Сократ открыл явление намагничивания железа, притянутого к магниту. А еще некоторое время спустя было обнаружено, что магниты могут не только притягиваться, но и отталкиваться.

Именно благодаря открытию Сократа сегодня работают не только компасы, но и огромное количество других приборов.

Так постепенно раскрывались все грани магнетизма, которые в дальнейшем позволили раскрыть его природу. Но на этом этапе еще было рано говорить о чем-то, подобном компасу.

Дальнейшая история

В средние века ничего особо нового в плане обнаружения новых свойств магнетизма и работы с магнитами не открывалось. Появились лишь новые объяснения этому явлению, в основном связанные с теми же сверхъестественными силами. Так, например, монахи проявление магнетизма объясняли, опираясь на учение о теологии.

Если говорить о Европе, то здесь впервые упоминания о компасе встречаются в трудах Александра Неккама и датируются 1187 годом. Хотя, возможно, использование компаса здесь и на территории Средиземноморья началось значительно раньше - еще во втором тысячелетии до нашей эры, о чем свидетельствуют косвенные указания античных историков. Предполагается, что упоминания компаса не сохранились, поскольку у компаса попросту не было своего названия, чтобы вписать его в исторический документ.

Тремя столетиями позже во время своих плаваний известный моряк Христофор Колумб заметил, что во время морского путешествия магнитная стрелка отклоняется от направления север-юг. Так было открыто магнитное склонение, значения которого по-прежнему используются моряками и указываются на некоторых картах.

По предложению Ломоносова были созданы обсерватории для систематического изучения магнитного поля Земли и его изменений. Однако произошло это уже не при жизни великого русского ученого, но, как говорится, «лучше позже, чем никогда».

Позже Декартом и рядом других ученых была разработана подробная научная теория магнетизма, а также были открыты магнитные свойства и других материалов, не относящихся к ферромагнетикам - пара- и диамагнетиков.

Еще некоторое время спустя были найдены точки магнитных полюсов Земли, где магнитная стрелка имеет наклонение равное 90°, то есть располагается перпендикулярно горизонтальной плоскости.

На полюсах компас будет показывать только в случае, если его расположить вертикально.

Параллельно с изучением магнитов и особенностей проявления их магнитного поля в разных условиях происходило совершенствование конструкции магнитных компасов. Кроме того, были изобретены и другие типы компасов, работающие на принципах, не связанных с магнетизмом. О них мы рассказывали в

Современные модели магнитных компасов сильно отличаются от их предшественников. Они более компактны, легки, позволяют работать быстрее и дают более точные результаты при измерениях. Кроме того, такие модели зачастую снабжены вспомогательными элементами, расширяющими возможности прибора при работе с картой и на местности.

Не стоит забывать и о компасах, работа которых основана не на магнитных свойствах стрелки. На сегодняшний день таких компасов известно множество, что позволяет пользователю подобрать наиболее удобный для условий эксплуатации вариант.

Как видим, история на данный момент не может дать четкий и однозначный ответ на вопрос, где появился и кем был придуман самый первый компас в мире. Будем надеяться на то, что в скором времени историки смогут смахнуть скрывающую факты пелену древности и у них появится больше данных для того, чтобы выяснить страну первооткрывателей. А нам остается только ждать, учиться и пользоваться знаниями, которые пришли из прошлого и в полной мере используются человечеством на современном этапе развития.

Моё знакомство с этим нехитрым и загадочным прибором состоялось в далёком прекрасном детстве, когда мы всей семьёй пошли за грибами. Мне был выдан простенький ученический компас и произведён инструктаж по ориентированию на местности . Успешно заблудившись, я вытащил навигационное устройство, освободил заветную стрелочку – и пошёл в указанном ею направлении. Дело, к счастью, закончилось благополучно – меня нашли. Давайте же вместе разберёмся, что же такое этот компас, а также, с его помощью, совершим небольшое путешествие в прошлое.

Что такое компас?

Это специальное устройство, обладающее способностью указывать направление на магнитные полюса Земли независимо от своего местоположения. Моряки, чтобы подчеркнуть своё отличие от сухопутных обывателей, щеголяют произношением «компАс».

Конструктивно компасы бывают:

• магнитные . Самый распространённый и лёгкий в изготовлении компас. Его действие основано на одном из свойств магнита – стрелка устройства всегда располагается параллельно линиям магнитного поля планеты (помните школьные опыты с железными стружками?);
• электромагнитные . Эти компасы работают подобно электрогенераторам и, в отличие от вышеназванных, не подвержены влиянию других магнитов . Впервые такое устройство было успешно опробовано в 1927 году Чарльзом Линдбергом в его знаменитом перелёте через Атлантический океан;
• гирокомпасы . Основанные на принципе гироскопа , такие устройства широко используются в морской навигации. Обладают важной особенностью указывать не на магнитный, а географический полюс .

Изобретение компаса

Есть несколько теорий относительно появления компаса (например, последователи самофракийских мистерий ещё в III веке до н.э. знали о свойствах магнита и использовали его в своих ритуалах, а раскопки становищ кочевых народов Средиземноморья свидетельствуют об их знакомстве с «волшебной стрелкой»), но, тем не менее, пальму первенства в данном вопросе удерживает . Первый магнитный компас увидел свет во времена правления династии Сун (960-1279 гг. н.э.) . Несмотря на подробное описание его устройства учёным Шэнь Ко, настоящий изобретатель гениального устройства, увы, неизвестен.

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.

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.

Несмотря на полумифические упоминания о навигационном приборе у древних китайцев, самофракийцев и греков, более интересен вопрос - кто изобрел компас и когда в его современном виде? Если в XII – XIII веках данное устройство представляло собой намагниченную иголку, вставленную в кусок коры пробкового дерева, плавающего в воде, то около 1300 года житель итальянского города Амальфи, известный в то время капитан Флавио Джойя, придал этому навигационно-географическому аксессуару вид, максимально приближенный к современному. Он одел намагниченную стрелку на острие иглы и разместил эту конструкцию в круглой коробке, на днище которой были нанесены 16 румбов. Два века спустя мореплаватели стали использовать компасы с тридцатидвухрумбовой разбивкой. Для повышения точности навигационных наблюдений в XVII веке прибор оснастили «прицелом», который представлял собой два диаметрально противоположных визира, закрепленных на свободно поворачивающейся линейке, которая имела центр вращения над иглой магнитной стрелки.

В это же время компас получил множество полезных дополнений, одним из которых считается кардановый подвес, снижающий влияние качки корабля на

показания стрелки прибора.

Где изобрели компас гироскопического типа

Первый гироскопический компас был запатентован в 1908 году немецким инженером Германом Аншютц-Кемпфе. Его показания не зависят от расположения магнитных полюсов Земли, и он не подвержен действию магнитных бурь и геомагнитных аномалий. Сегодня гироскопические навигационные