Niezbędny kompas
Dalekie podróże morskie w okresie, gdy Europejczycy dokonywali wielkich odkryć geograficznych, takich jak chociażby wyprawa Krzysztofa Kolumba w 1492 r. do Indii Zachodnich, byłyby najprawdopodobniej nie do pomyślenia, gdyby nie kompas.
/ Fotolia
Ten najprostszy, a zarazem najważniejszy instrument nawigacyjny, który wykorzystywany jest epoce globalnych i precyzyjnych satelitarnych systemów lokalizacyjno-pozycyjnych, został wynaleziony ponad dwa tysiące lat temu w Chinach, skąd do Europy przywędrował dopiero w XIII wieku za pośrednictwem arabskich handlarzy.
Chiny
Już dwa tysiące lat temu Chińczycy stworzyli pierwowzór dzisiejszego kompasu, który składał się z kawałka magnetytu – rudy żelaza występującej w stanie naturalnym w przyrodzie. Z magnetytu wycinali chochlę, którą kładli na starannie wygładzonej kamiennej płycie. Chochla obracała się w taki sposób, że jej rączka wskazywała południe, ponieważ masa chochli skupiona była w miseczce, dzięki czemu to właśnie ten koniec obracał się ku północy. Chińczycy wybrali specjalnie kształt chochli zamiast klasycznej, smukłej igły, gdyż przypominała ona Wielki Wóz, a – jak wiadomo – skrajne dwie gwiazdy Wielkiego Wozu leżą na jednej linii z Gwiazdą Polarną, która jest uważana powszechnie za główny astronomiczny punkt odniesienia dla nawigatorów.
Pierwsze urządzenie do nowoczesnej nawigacji, które zostało nazwane „sinan”, zostało opisane już w IV w. p.n.e. Niemniej dokładny opis na wskrość nowoczesnego kompasu pojawił się dopiero dużo później, bo ok. 1127 lub 1129 r. w dziele Shi Lin Kuang Ji. Był to już stały kompas ze stałą osią, podobny do współczesnych urządzeń nawigacyjnych, ale zamiast banalnej igły magnetycznej użyto modelu żółwia, w którym ukryty był magnes. Żółw obracał się na bambusowej szpilce.
Kolejnym udoskonaleniem było wprowadzenie przez Chińczyków tarczy podobnej do tej, jaką stosowano we wcześniejszym „sinan”, ale z zaznaczonymi 24 kierunkami, dzięki czemu powstał pierwszy w historii świata kompas stricte żeglarski, którym nawigator mógł pewnie określić kierunek.
W następnych latach Chińczycy za sprawą udoskonalonego instrumentu nawigacyjnego opłynęli wszystkie morza Azji Wschodniej i Południowo-Wschodniej, opisując je w pierwszych na świecie podręcznikach nawigacyjnych, znanych również pod nazwą „przewodników igłowych”, które zawierały sprawdzone i pewne informacje na temat kursów w oparciu o kompas. O wysokim poziomie wiedzy średniowiecznych chińskich nawigatorów może świadczyć fakt, że doskonale zdawali sobie oni sprawę z tego, iż północ geograficzna nie pokrywała się dokładnie z północą magnetyczną. Zjawisko to, znane jako tzw. deklinacja magnetyczna, zostało dostrzeżone w Europie dopiero w 1492 r., podczas wyprawy Krzysztofa Kolumba do Nowego Świata.
Meksyk
Wielce interesującego odkrycia w latach sześćdziesiątych ubiegłego stulecia dokonała grupa archeologów z Michaelem Coe na czele, która poszukiwała pozostałości po cywilizacji Olmeków w San Lorenzo, w rejonie Veracruz na terenie Meksyku. W trakcie owych prac naukowcy przypadkiem natrafili na tajemniczy przedmiot, który był kawałkiem starannie wyciętego pręta z hematytu, o długości ok. 3 cm, z wyżłobionym precyzyjnie wzdłuż rowkiem. Zaintrygowany dziwnym znaleziskiem M. Coe postanowił, znając właściwości magnetyczne hematytu, sprawdzić, jak będzie zachowywał się ów przedmiot, kiedy umieści się go na kawałku korka i wstawi do wody. W ten prosty sposób M. Coe odkrył, że ten niepozorny przyrząd jest pierwowzorem dzisiejszego kompasu, ponieważ pręt, pływając na korku po wodzie, ustawiał się zawsze w tym samym kierunku, nieco na zachód od północy magnetycznej, natomiast po przekręceniu pręt ustawiał się nieco na wschód od północy magnetycznej. Po wielu żmudnych testach i badaniach laboratoryjnych przeprowadzonych przez wybitnego fizyka Johna B. Carlsona udało się stwierdzić ponad wszelką wątpliwość, że odnaleziony w San Lorenzo przez archeologów przedmiot jest kompasem. Wynika z tego, że został on zrobiony co najmniej 1000 lat p.n.e. i w związku z tym wyprzedza najstarszy chiński kompas.
Historia ta jest doskonałym przykładem na to, że identyczne urządzenie nawigacyjne mogło być wynalezione niezależnie od siebie w dwóch skrajnie różniących się od siebie kulturach i epokach.
#NOWA_STRONA#
Żeglarski kociołek
Na jachtach żaglowych oraz motorowych stosuje się wyłącznie tzw. mokry kompas, który składa się z kulistego naczynia – obudowy nazywanej potocznie kociołkiem, wykonanego z materiału niemagnetycznego, np.: wysokoudarowego tworzywa ABS lub mosiądzu. Wewnątrz obudowy znajduje się podparta na osi lub pływaku tzw. róża kompasowa, na której została umieszczona dokładna podziałka w stopniach lub rumbach. Kociołek wypełniony jest płynem – mieszaniną wody, alkoholu i gliceryny, w celu zmniejszenia ciężaru róży oraz jej wahań w czasie silnego kołysania jednostką. Prowadzi to do zwiększenia czułości urządzenia. Płyn pełni również rolę spowalniacza obrotów róży. Poniżej umieszczone są co najmniej dwa magnesy prętowe, odpowiedzialne za ustawienie się róży kompasowej tak, aby oznaczony na niej kierunek północny był styczny do południka magnetycznego. Dalej na wewnętrznej ściance kociołka kompasu jest umieszczona kreska kursowa, która zawsze powinna znajdować się w osi symetrii jednostki. Jest ona skierowana w stronę dziobu, dzięki czemu wyznacza kurs jachtu. W niektórych kompasach znajduje się jeszcze jedna kreska kursowa, która wyznacza tzw. kontrkurs (kurs odwrotny w stosunku do kursu statku), a kreski umieszczone na linii prostopadłej do osi symetrii wyznaczają dodatkowo prawy i lewy trawers. Dodatkowo kociołek jest obciążony ołowiem, zawieszonym na przegubie Cardana, które gwarantuje, że kompas przyjmuje położenie poziome i nie reaguje na gwałtowne ruchy jednostki (nagłe przechyły). Tak funkcjonujący kompas jest jeszcze osadzony na specjalnej podstawie zwanej naktuzem.
W nawigacji opartej o kompas mokry obowiązuje zasada, że kurs jednostki wyznacza się wyłącznie w oparciu o kompas główny, a na kompasie sterowym utrzymuje się jedynie taki kurs, jaki wskazuje ten pierwszy!
Dewiacja kompasu
Należy do najpoważniejszych zakłóceń w pracy kompasu magnetycznego i od zawsze była największym utrapieniem nawigatorów. Fachowo dewiacja jest kątem zawartym pomiędzy kierunkiem północy magnetycznej a kierunkiem północy wskazywanej przez urządzenie.
Kompas nie może wskazywać prawidłowo północy magnetycznej ze względu na różne występujące na pokładzie naszej jednostki pola magnetyczne. Dzieje się tak za sprawą użytych do budowy jednostki elementów żelaznych, wyposażenia oraz takielunku, które następnie magnesują się samoistnie pod wpływem oddziaływania pola magnetycznego Ziemi. Zakłócenia w pracy kompasu mogą również pojawić się wtedy, jeżeli w jego bezpośrednim sąsiedztwie znajdą się inne urządzenia elektrotechniczne, np. niektóre zegarki, telefony komórkowe, lornetki, głośniki lub urządzenia radiowe. Działaniu takiemu sprzyja również długi okres niezmiennego ustawienia jachtu, a nawet wstrząsy mechaniczne. Prowadzi to do powstania znacznych różnic między kierunkami rzeczywistymi a wskazanymi przez kompas główny na pokładzie.
Do metod przeciwdziałania dewiacji zalicza się demagnetyzację jednostki i kompensację dewiacji. Demagnetyzacja polega na tym, że eliminuje się magnetyzm jachtu za pomocą pola magnetycznego wytworzonego przez odpowiednio rozmieszczone uzwojenia, które wytwarzają silne prądy elektryczne. Metodę tę stosuje się wyłącznie na żaglowcach i jachtach metalowych, natomiast w wypadku pozostałych jednostek dewiację kompensuje się. Kompensacja polega na umieszczeniu w pobliżu kompasu głównego dwóch prostopadle ustawionych do siebie magnesów (o kształcie sztabek), tak by ich pole oddziaływało na różę kompasu przeciwnie aniżeli pole magnetyczne jednostki.
Nowoczesne urządzenia
Wśród kompasów pokładowych znany jest również kompas żyroskopowy – elektromechaniczny, który tym różni się od klasycznego magnetycznego, że w ogóle nie reaguje na magnetyzm jednostki. Sercem tego urządzenia dla odmiany jest żyroskop wirujący wokół własnej osi z prędkością dochodzącą do 40 tys. obr./min. Działanie takiego kompasu polega na tym, że oś wirującego żyroskopu zachowuje zawsze stały kierunek w przestrzeni, natomiast urządzenia korekcyjne wymuszają zachowywanie przez oś stałego kierunku względem południka geograficznego.
W kompasy wyposażone są również rozbudowane odbiorniki lokalizacyjno-pozycyjne typu GPS NAVSTAR, mające wbudowany kompas elektroniczny, który – podobnie jak kompas tradycyjny – mierzy pole magnetyczne ziemi. Urządzenie takie każdorazowo automatycznie koryguje pomiar o lokalny kąt deklinacji magnetycznej, dając w ten sposób niezwykle dokładne wskazanie rzeczywiste odczytu.
Przemysław Miller
Artykuł pochodzi z najnowszego numeru "TS" (12/2017) dostępnego także w wersji cyfrowej tutaj.
#REKLAMA_POZIOMA#
Chiny
Już dwa tysiące lat temu Chińczycy stworzyli pierwowzór dzisiejszego kompasu, który składał się z kawałka magnetytu – rudy żelaza występującej w stanie naturalnym w przyrodzie. Z magnetytu wycinali chochlę, którą kładli na starannie wygładzonej kamiennej płycie. Chochla obracała się w taki sposób, że jej rączka wskazywała południe, ponieważ masa chochli skupiona była w miseczce, dzięki czemu to właśnie ten koniec obracał się ku północy. Chińczycy wybrali specjalnie kształt chochli zamiast klasycznej, smukłej igły, gdyż przypominała ona Wielki Wóz, a – jak wiadomo – skrajne dwie gwiazdy Wielkiego Wozu leżą na jednej linii z Gwiazdą Polarną, która jest uważana powszechnie za główny astronomiczny punkt odniesienia dla nawigatorów.
Pierwsze urządzenie do nowoczesnej nawigacji, które zostało nazwane „sinan”, zostało opisane już w IV w. p.n.e. Niemniej dokładny opis na wskrość nowoczesnego kompasu pojawił się dopiero dużo później, bo ok. 1127 lub 1129 r. w dziele Shi Lin Kuang Ji. Był to już stały kompas ze stałą osią, podobny do współczesnych urządzeń nawigacyjnych, ale zamiast banalnej igły magnetycznej użyto modelu żółwia, w którym ukryty był magnes. Żółw obracał się na bambusowej szpilce.
Kolejnym udoskonaleniem było wprowadzenie przez Chińczyków tarczy podobnej do tej, jaką stosowano we wcześniejszym „sinan”, ale z zaznaczonymi 24 kierunkami, dzięki czemu powstał pierwszy w historii świata kompas stricte żeglarski, którym nawigator mógł pewnie określić kierunek.
W następnych latach Chińczycy za sprawą udoskonalonego instrumentu nawigacyjnego opłynęli wszystkie morza Azji Wschodniej i Południowo-Wschodniej, opisując je w pierwszych na świecie podręcznikach nawigacyjnych, znanych również pod nazwą „przewodników igłowych”, które zawierały sprawdzone i pewne informacje na temat kursów w oparciu o kompas. O wysokim poziomie wiedzy średniowiecznych chińskich nawigatorów może świadczyć fakt, że doskonale zdawali sobie oni sprawę z tego, iż północ geograficzna nie pokrywała się dokładnie z północą magnetyczną. Zjawisko to, znane jako tzw. deklinacja magnetyczna, zostało dostrzeżone w Europie dopiero w 1492 r., podczas wyprawy Krzysztofa Kolumba do Nowego Świata.
Meksyk
Wielce interesującego odkrycia w latach sześćdziesiątych ubiegłego stulecia dokonała grupa archeologów z Michaelem Coe na czele, która poszukiwała pozostałości po cywilizacji Olmeków w San Lorenzo, w rejonie Veracruz na terenie Meksyku. W trakcie owych prac naukowcy przypadkiem natrafili na tajemniczy przedmiot, który był kawałkiem starannie wyciętego pręta z hematytu, o długości ok. 3 cm, z wyżłobionym precyzyjnie wzdłuż rowkiem. Zaintrygowany dziwnym znaleziskiem M. Coe postanowił, znając właściwości magnetyczne hematytu, sprawdzić, jak będzie zachowywał się ów przedmiot, kiedy umieści się go na kawałku korka i wstawi do wody. W ten prosty sposób M. Coe odkrył, że ten niepozorny przyrząd jest pierwowzorem dzisiejszego kompasu, ponieważ pręt, pływając na korku po wodzie, ustawiał się zawsze w tym samym kierunku, nieco na zachód od północy magnetycznej, natomiast po przekręceniu pręt ustawiał się nieco na wschód od północy magnetycznej. Po wielu żmudnych testach i badaniach laboratoryjnych przeprowadzonych przez wybitnego fizyka Johna B. Carlsona udało się stwierdzić ponad wszelką wątpliwość, że odnaleziony w San Lorenzo przez archeologów przedmiot jest kompasem. Wynika z tego, że został on zrobiony co najmniej 1000 lat p.n.e. i w związku z tym wyprzedza najstarszy chiński kompas.
Historia ta jest doskonałym przykładem na to, że identyczne urządzenie nawigacyjne mogło być wynalezione niezależnie od siebie w dwóch skrajnie różniących się od siebie kulturach i epokach.
#NOWA_STRONA#
Żeglarski kociołek
Na jachtach żaglowych oraz motorowych stosuje się wyłącznie tzw. mokry kompas, który składa się z kulistego naczynia – obudowy nazywanej potocznie kociołkiem, wykonanego z materiału niemagnetycznego, np.: wysokoudarowego tworzywa ABS lub mosiądzu. Wewnątrz obudowy znajduje się podparta na osi lub pływaku tzw. róża kompasowa, na której została umieszczona dokładna podziałka w stopniach lub rumbach. Kociołek wypełniony jest płynem – mieszaniną wody, alkoholu i gliceryny, w celu zmniejszenia ciężaru róży oraz jej wahań w czasie silnego kołysania jednostką. Prowadzi to do zwiększenia czułości urządzenia. Płyn pełni również rolę spowalniacza obrotów róży. Poniżej umieszczone są co najmniej dwa magnesy prętowe, odpowiedzialne za ustawienie się róży kompasowej tak, aby oznaczony na niej kierunek północny był styczny do południka magnetycznego. Dalej na wewnętrznej ściance kociołka kompasu jest umieszczona kreska kursowa, która zawsze powinna znajdować się w osi symetrii jednostki. Jest ona skierowana w stronę dziobu, dzięki czemu wyznacza kurs jachtu. W niektórych kompasach znajduje się jeszcze jedna kreska kursowa, która wyznacza tzw. kontrkurs (kurs odwrotny w stosunku do kursu statku), a kreski umieszczone na linii prostopadłej do osi symetrii wyznaczają dodatkowo prawy i lewy trawers. Dodatkowo kociołek jest obciążony ołowiem, zawieszonym na przegubie Cardana, które gwarantuje, że kompas przyjmuje położenie poziome i nie reaguje na gwałtowne ruchy jednostki (nagłe przechyły). Tak funkcjonujący kompas jest jeszcze osadzony na specjalnej podstawie zwanej naktuzem.
W nawigacji opartej o kompas mokry obowiązuje zasada, że kurs jednostki wyznacza się wyłącznie w oparciu o kompas główny, a na kompasie sterowym utrzymuje się jedynie taki kurs, jaki wskazuje ten pierwszy!
Dewiacja kompasu
Należy do najpoważniejszych zakłóceń w pracy kompasu magnetycznego i od zawsze była największym utrapieniem nawigatorów. Fachowo dewiacja jest kątem zawartym pomiędzy kierunkiem północy magnetycznej a kierunkiem północy wskazywanej przez urządzenie.
Kompas nie może wskazywać prawidłowo północy magnetycznej ze względu na różne występujące na pokładzie naszej jednostki pola magnetyczne. Dzieje się tak za sprawą użytych do budowy jednostki elementów żelaznych, wyposażenia oraz takielunku, które następnie magnesują się samoistnie pod wpływem oddziaływania pola magnetycznego Ziemi. Zakłócenia w pracy kompasu mogą również pojawić się wtedy, jeżeli w jego bezpośrednim sąsiedztwie znajdą się inne urządzenia elektrotechniczne, np. niektóre zegarki, telefony komórkowe, lornetki, głośniki lub urządzenia radiowe. Działaniu takiemu sprzyja również długi okres niezmiennego ustawienia jachtu, a nawet wstrząsy mechaniczne. Prowadzi to do powstania znacznych różnic między kierunkami rzeczywistymi a wskazanymi przez kompas główny na pokładzie.
Do metod przeciwdziałania dewiacji zalicza się demagnetyzację jednostki i kompensację dewiacji. Demagnetyzacja polega na tym, że eliminuje się magnetyzm jachtu za pomocą pola magnetycznego wytworzonego przez odpowiednio rozmieszczone uzwojenia, które wytwarzają silne prądy elektryczne. Metodę tę stosuje się wyłącznie na żaglowcach i jachtach metalowych, natomiast w wypadku pozostałych jednostek dewiację kompensuje się. Kompensacja polega na umieszczeniu w pobliżu kompasu głównego dwóch prostopadle ustawionych do siebie magnesów (o kształcie sztabek), tak by ich pole oddziaływało na różę kompasu przeciwnie aniżeli pole magnetyczne jednostki.
Nowoczesne urządzenia
Wśród kompasów pokładowych znany jest również kompas żyroskopowy – elektromechaniczny, który tym różni się od klasycznego magnetycznego, że w ogóle nie reaguje na magnetyzm jednostki. Sercem tego urządzenia dla odmiany jest żyroskop wirujący wokół własnej osi z prędkością dochodzącą do 40 tys. obr./min. Działanie takiego kompasu polega na tym, że oś wirującego żyroskopu zachowuje zawsze stały kierunek w przestrzeni, natomiast urządzenia korekcyjne wymuszają zachowywanie przez oś stałego kierunku względem południka geograficznego.
W kompasy wyposażone są również rozbudowane odbiorniki lokalizacyjno-pozycyjne typu GPS NAVSTAR, mające wbudowany kompas elektroniczny, który – podobnie jak kompas tradycyjny – mierzy pole magnetyczne ziemi. Urządzenie takie każdorazowo automatycznie koryguje pomiar o lokalny kąt deklinacji magnetycznej, dając w ten sposób niezwykle dokładne wskazanie rzeczywiste odczytu.
Przemysław Miller
Artykuł pochodzi z najnowszego numeru "TS" (12/2017) dostępnego także w wersji cyfrowej tutaj.
#REKLAMA_POZIOMA#
