Современный компас. Старт в науке

История изобретения компаса уходит далеко в прошлое. Первое описание компаса сделал в III веке до нашей эры китайский философ Хэнь Фэй-цзы. Это была разливательная ложка, сделанная из магнетита с узкой ручкой, по форме похожая на шар. Ее устанавливали на пластину из меди и дерева, на которой была сделана разметка знаков зодиака. При этом ручка находилась на весу и могла крутиться по кругу. Ложку приводили в движение, и она всегда при остановке указывала на юг. Это был самый первый компас в мире.

В середине XI столетия в Китае изготовили из искусственного магнита плавающую стрелку. Чаще всего она имела форму рыбы. Ее опускали вводу, где она плавала. Голова рыбки всегда указывала на юг. В тоже время ученый из Китая Шэнь Гуа придумал несколько вариантов компаса. Он намагничивал швейную иглу и с помощью воска крепил ее к висящей нити из шелка. Это был более точный компас, так как было уменьшено сопротивление, возникающее при повороте. В другом варианте он предлагал эту иголку насадить на шпильку. На основании своих опытов изобретатель Шэнь Гуа заметил, что стрелка показывает на юг с небольшим отклонением. Он смог объяснить это разницей между магнитным и географическим меридианом. Позже ученые научились высчитывать это отклонение для разных частей Китая. В XI столетии на многих китайских кораблях стояли плавающие компасы. Их располагали на носу корабля, чтобы капитан всегда мог смотреть на его показания.

В XII веке китайским изобретением воспользовались арабы, а в XIII веке - европейцы. В Европе первыми узнали о компасе итальянцы, потом испанцы, французы, а затем англичане и немцы. Тогда компас представлял собой пробку и намагниченную иголку, плавающую в емкости с водой. Вскоре, чтобы защитить от ветра, ее стали прикрывать стеклом.

В начале XIV века намагниченную стрелку установили на круг из бумаги, а через некоторое время итальянец Флавио Джойя разделил круг на 16 частей, а затем на 32 сектора. В середине XVI столетия стрелку закрепили на карданном подвесе, для снижения влияния качки, а через столетие в истории компаса отмечено появление вращающейся линейки, что увеличило точность показаний. Компас стал первым прибором навигации для прокладывания пути в открытом море. Это позволило морякам отправляться в далекие плавания через океан.

Порох, книгопечатание, бумага и компас... Считается, что именно эти вещи были «четырьмя великими китайскими изобретениями», которые повлияли на сегодняшнюю картину цивилизованного мира. Отрицать пользу прибора, способного определять стороны света, нелепо, но так ли нужен компас сейчас, когда спутниковая связь, навигаторы, гео-таргетирование в каждом смартфоне и общий уровень развития технологий предлагают совершенные способы решения тех же задач? Может, место компаса в музее, рядом с астролябией и моделью древней галеры?

Историческая справка

Этот предмет известен человечеству очень давно: первые упоминания о компасе относятся к временам китайской династии Сун (10-13 века н.э.), когда насаженная на вертикальную ось стрелка стала помогать ориентироваться в пустыне.

Морской компас впервые был описан в XIII веке, и уже со времен Средневековья стал активно использоваться европейскими корабелами в путешествиях. До того, как научиться использовать магнитное притяжение Земли в своих целях, китайцы делали так называемые «колесницы, указывающие на юг» ‒ сложнейшие немагнитные навигационные приборы, действие которых основывалось на принципе обратной связи. С изобретением компаса стало возможно быстро и просто понять, в какую сторону двигаться.

Как устроен компас

Происхождением современное название обязано староанглийскому слову «compass», в XIII-XIV веках обозначавшему «круг». Даже второклассникам сегодня известно, что «компас показывает, где Север», но как же он это делает?

Существованием прибор обязан наличию у Земли магнитного поля, вдоль силовых осей-линий которого (параллельно им) вытягивается стрелка компаса. Этому способствуют магниты, расположенные внутри прибора. Собственно, металлическая стрелочка ‒ и есть этот магнит, одной стороной отталкивающийся, а другой ‒ притягивающийся к планете, как два маленьких магнитика в детской игре. В зависимости от вида компаса, стрелка может плавать в жидкости (известный фокус с иголкой и бумажкой, по сути, примитивный навигационный приборчик), работать с помощью рамок с обмотками (как электрогенератор) или гироскопов.

Классический магнитный компас ‒ это пластиковая или латунная коробочка округлой формы. В ее центре - штырь из стали, на котором вращается стрелка (она намагниченная). На нем обычно установлен кусок агата или другого материала, уменьшающий трение между штырьком и стрелочкой. Закрывается конструкция стеклом, а под указателем-стрелкой есть тормозной рычажок, неподвижно закрепляющий ее в нерабочем положении.

На «циферблате», то есть дне коробки, располагается лимб ‒ разметка с делениями от 0 до 360° (с шагом 5-15°), сторонами горизонта и диаметрами, перпендикулярными друг другу. Традиционно стрелку окрашивают в два цвета: холодный синий будет указывать на север, а красный ‒ на жаркий юг, но бывают стрелки, просто заостренные или маркированные с одной стороны. Стороны света чаще всего обозначаются латинскими буквами: N ‒ север, S ‒ юг, W ‒ запад и E ‒ восток.

Виды компасов

Часто маленькие компасы снабжают ремешком, чтобы их можно было носить как часы, а крупные - помещают в футляр-кожух, оберегающий прибор от повреждений и влаги. Определить местоположение просто: нужно отпустить тормоз, и стрелка, перестав вращаться, укажет направление. Стоит помнить о помехах вблизи линий электропередач, полотна железных дорог и т.п.

Кроме базовой, известны и другие разновидности прибора:

• Магнитные компасы. Туристические (например, когда-то популярный компас Андрианова ‒ классический образец магнитных взаимодействий), военные, более точно определяющие азимут. В них, помимо шкалы, есть еще и линейка, визиры, увеличительные линзы.

• Геологические, горные компасы, компас Брантона. В них шкала расположена против часовой стрелки. Монтируется прибор на прямоугольной пластине (латунной или пластмассовой), используется для того, чтобы определять наклонные углы падения слоев горной породы. В таких компасах есть полулимб и клинометр (отвес).

• Гироскопические компасы. Они работают с помощью гироскопов и показывают направление не на магнитный, а на истинный полюс Земли. Устанавливаются такие приборы на морские суда и самолеты, т.к. они устойчивы к тряске, раскачиванию (для этих же целей предназначен пелорус ‒ консоль под компас, который устанавливается на нее в кардановом подвесе);

• Экзотические варианты. Астрономический компас, определяющий положение по звездам, буссоль ‒ геодезическая разновидность для измерения углов при съемке на местности и прочие.

• Электронные современные модификации. Они определяют координаты через навигационные спутниковые системы (нужно минимум три спутника) и оснащены множеством программ, превращающих компас в мощное многофункциональное устройство.

Для чего же нужен компас в современной действительности

Главное свойство, которое отличает обыкновенный магнитный компас от других приборов и делает его незаменимым даже в наш технологичный век, ‒ это его абсолютная независимость от любых внешних источников питания. Чтобы определить местоположение, не понадобится батарейка или электросеть, можно не бояться, что спутниковая система выйдет из стоя, электроника засбоит, а сложные схемы перестанут работать.

Нужен компас, прежде всего там, где нет связи, электричества и цивилизации: в дальних туристических походах, путешествиях в заповедные уголки, малоизученную или незнакомую местность. Чтобы не зависеть от обстоятельств, спортсменам и туристам нужны лишь компас и карта ‒ а обычному человеку, представляющему приблизительно, где он находится, и желающему выйти к цивилизации, можно обойтись и без карт.

Современные компасы с GPS тоже пригодятся в путешествии ‒ стоит запастись и этой, и традиционной разновидностями (если у электронного все же сядут батарейки), а также набором карт. Для того, чтобы обращаться с электронным компасом, нужно иметь навык такой работы, и неподготовленным людям лучше не начинать знакомство с ним прямо в походе. Для гор стоит выбрать спортивно-альпинистские модели, которые предлагают специализированные магазины. Этот незаменимый прибор рано списывать на «свалку» истории ‒ как любое простое и гениальное изобретение, он способен выручить там, где не работают сложные схемы.

Известно, что компас, впрочем как и бумагу, изобрели китайцы. Философ Хэнь Фей-цзы, в 3-м веке до н.э. описал данное устройство так: «Он выглядел как разливная ложка из магнетита, оснащенная тончайшим черенком и тщательно отполированной шарообразной выпуклой частью. Выпуклая часть ложки, монтировалась на отполированной медной, либо деревянной пластине, таком образом, чтобы черенок не прикасался к ней и свободно свисал. При этом сама ложка была способна вращаться по собственной окружности выпуклого основания. На поверхности пластины были указаны страны в виде зодиакальных пометок. Если черенок подтолкнуть, то ложка начинала вращаться. После остановки компас указывал точно на юг». Именно этот прибор и являлся самым древним из известных истории, устройством, для определения сторон света.

В 11 веке, в Китае впервые была создана плавающая стрелка компаса, которую соорудили из искусственного магнита. Достаточно часто ее выплавляли в форме рыбы. Данную рыбу помещали в емкость с водой, где она и «плавала», указывая своей головой в ту или иную сторону, где в этот момент находился юг.

Шэнь Гуа (китайский ученый) примерно в тот же период 11 века разработал несколько вариаций компаса. Он выяснил, что если намагнитить стандартную швейную иглу, а затем присоединить ее посредством воска к шелковой нити в центральной части корпуса, то такой прибор станет показывать направление намного более точно, нежели чем плавающий компас, в силу минимального сопротивления, фиксируемого при повороте. Иной тип компаса, который предложил Шэнь Гуа, очень походил на современный. Здесь намагниченная игла прикреплялась к шпильке. Во всех опытах, которые проводил ученый, выяснилось, что стрелка указывает не точно на юг, а слегка отклоняется в сторону. Он объяснил это тем, что географический и магнитный меридианы образуют угол, вследствие чего не могут совпадать между собой. Потомки Шэнь Гуа сумели вычислить данный угол для всех районов Китая. Его назвали магнитное склонение.
В 11 веке, практически все китайские корабли были оборудованы компасами. Их размещали на корме и на носу судна. Такой подход позволил капитанам беспрепятственно удерживать правильный курс независимо от погодных и сезонных условий.

В 12-м веке, данный компас был заимствован у китайцев арабами. Примерно в этот же период о нем узнали и европейцы. Первыми у арабов компас заимствовали итальянцы. От них он перешел к португальцам, испанцам и французам, а позже к англичанам и немцам. Изначально компас представлял собой кусок пробки и намагниченную иглу, которые плавали в емкости с водой. Чуть позже сосуд стали накрывать стеклом, чтобы устранить внешние явления (ветер). В середине 14-го века магнитную стрелку устанавливали на острие в центре круга из бумаги. Флавио Джойя (итальянец) смог усовершенствовать компас. Он снабдил его бумажным полотном, разделенным на 16-ть румбов (частей), по 4-ре на каждую часть света. В дальнейшем круг уже имел 32-е равные части.

(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.

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.

Да-да, это не ошибка: наука о закономерностях процессов управления и передачи информации - кибернетика - получила свое название по древнегреческому названию искусства судовождения!

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.