(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

Компас

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 24-10-2014

Метки: , , ,

Исследование новых земель, прокладка торговых путей, развитие отношений с далекими странами – все это требовало усовершенствования методов морской и сухопутной навигации. Как удалось Птолемею создать подробные географические карты множества территорий, не имея компаса? Тем не менее, компаса у Птолемея не было. Не было его и у Пифея, открывшего Великобританию, Северное и Балтийское моря. Не было компаса у греков, в 6 веке до нашей эры впервые обогнувших Африку. Удивительно.

Как же люди определяли стороны света в «докомпасную» эпоху? Очень просто — ориентируясь по расположению звезд (Полярная звезда, к примеру, расположена в северном направлении), по направлению движения Солнца (с востока на запад), по кронам деревьев (с южной стороны листва гуще, с северной – реже). То есть кажется, что просто. А на самом деле… Как быть, скажем, в пасмурную погоду, когда не видно ни солнца, ни звезд, да еще и в открытом море, где нет никаких видимых ориентиров? Вот поэтому-то древние мореходы и совершали свои походы лишь в зоне прямой видимости береговой линии.

Компас, прибор для определения сторон света по стрелке, указывающей направление магнитного меридиана, был изобретен китайцами около 2-3 века нашей эры. Точных исторических свидетельств нет, но известно, что мореплаватели Древнего Китая использовали для определения сторон света кусочки магнитного железняка – руды, обладающей остаточной намагниченностью.

Работает этот маленький прибор на основании физического закона взаимного притяжения разнонаправленных магнитных полюсов. Любой продолговатый металлический предмет – игла или полоска — обладающий остаточной намагниченностью, стремиться сориентироваться таким образом, чтобы  положительно заряженный конец иглы был направлен в сторону Северного магнитного полюса Земли, который имеет отрицательный заряд, а отрицательно заряженный конец иглы, соответственно, был направлен в сторону Южного магнитного полюса Земли, имеющего положительный заряд. При этом игла компаса располагается вдоль магнитного меридиана — воображаемой линии, соединяющей два полюса планеты.

Из-за смещения магнитного поля Земли относительно оси вращения планеты, расположение магнитных полюсов не совпадает с расположением полюсов географических. Поэтому для точного определения азимута движения по географическому меридиану требуется введение корректирующей поправки. Еще одно ограничение применения компаса – прибор не работает вблизи магнитных полюсов, поскольку стрелка стремиться занять вертикальное положение. Наконец, стрелка компаса может показывать неправильное направление в сильном магнитном поле – рядом с намагниченными предметами или в районах залегания магнитного железняка (их называют магнитными аномалиями), основной железосодержащей руды.

Несмотря на простоту устройства, компас не всегда был таким, каким мы знаем его сегодня. Первые приборы, появившиеся в Европе около 12 века нашей эры, представляли собой сосуд с водой, в котором плавал кусочек дерева с закрепленной на нем магнитной стрелкой. К 14 веку конструкция компаса была изменена – стрелку закрепили на вертикальной оси, установленной в центре разграфленного бумажного круга. На круг были нанесены метки сторон света. Позже появилась градусная шкала, облегчающая определение азимута – угла между магнитным меридианом и линией направления движения к наблюдаемому объекту.

Таким образом, были заложены основы конструкций двух основных типов компаса – жидкостного и стрелочного. Стрелочный компас применяется для ориентировки на суше. Он выполняется в виде небольшого карманного прибора, либо крепится ремешком на руке подобно наручным часам. Для правильной работы стрелочный компас следует располагать горизонтально, чтобы в узле сочленения оси и стрелки не возникало перекосов.

В открытом море, когда судно раскачивает на волнах из стороны в сторону, обеспечить горизонтальное положение компаса невозможно, поэтому на кораблях устанавливают жидкостные приборы. Жидкостный компас устроен следующим образом. В герметичную емкость со стеклянной крышкой заливают масло. В закрытой масляной ванне плавает диск из немагнитного материала (дерева или пластика) с вмонтированной в него магнитной стрелкой. Благодаря закрепленному в нижней части диска грузу, стрелка жидкостного компаса сохраняет горизонтальное положение при любом наклоне корпуса прибора. Более того, жидкостный компас более точен, поскольку на стрелку не воздействуют силы трения в узле ее сочленения с осью. А недостатками жидкостного компаса являются стационарная конструкция, большие размеры и вес.

Умение ориентироваться на местности обязательно для любого современного человека. Даже не имея компаса его всегда можно изготовить из обычной швейной иглы и кусочка пробки. Большинство железных предметов обладает остаточной намагниченностью, достаточной для того, чтобы выполнять функцию стрелки компаса.

Однако точность работы компаса оставляет желать лучшего. В самом деле, достаточно приблизить к стрелке намагниченный кусочек железа, как прибор начинает давать сбои – то есть указывает неверное направление. А для прокладки маршрутов самолетов, кораблей, для геодезических работ и в других профессиональных областях точное определение азимута движения имеет огромное значение.

В 80-е годы 20 века в США была разработана и введена в эксплуатацию система глобального позиционирования или GPS. Созданная для военных целей, в начале 90-х годов эта система была открыта для свободного гражданского использования во всех странах мира. Отличие военной системы GPS от ее гражданской части в точности определения географических координат. Если в первом случае погрешность не превышает 1 метра, то в гражданском применении система дает погрешность около 100 метров. Но и это позволяет с предельно большой точностью определять координаты, направление и скорость движения, прокладывать маршруты, согласуя их с топографическими картами, и даже  определять высоту над уровнем моря.

Система глобального позиционирования состоит из спутников, выведенных на гелиостационарную орбиту (то есть располагающихся неподвижно над поверхностью планеты), наземной станции обслуживания и пользовательских приемников, настроенных на определенную радиочастоту. Каждый приемник снабжен жидкокристаллическим экраном, на который выводится цифровая и графическая информация – карта-схема движения владельца приемника GPS. Работает система GPS следующим образом. Каждый спутник получает радиосигнал с наземной станции обслуживания и ретранслирует его на землю. Приемник улавливает сигналы с трех спутников, сравнивает их между собой и с эталонным сигналом, который генерирует колебательный контур самого приемника. При этом компьютер приемника замеряет время сдвига частоты, который происходит при прохождении радиосигнала расстояния от спутника до приемника. На основании замеров сдвига частот радиосигналов от трех спутников и сравнения результатов с эталонным сигналом компьютер приемника вычисляет географические координаты своего расположения – долготу и широту.

Благодаря тому, что приемник получает сигналы сразу с трех спутников, располагающихся на большом расстоянии друг от друга, система GPS обеспечивает замер скорости движения. А синхронизация данных с электронной копией карты, заложенной в память приемника, позволяет выводить на экран карту с нанесенным на нее маршрутом передвижения. Более того, приемники GPS «умеют» рассчитывать время движения, прокладывать сразу несколько вариантов маршрутов, определять возможное время прибытия в конечную точку и выполнять множество вспомогательных функций (например, работать в качестве особо точного электронного компаса).

Сложная в техническом плане спутниковая система глобального позиционирования получила широчайшее распространение. Сегодня карманный  приемник GPS стоит столько же, сколько хороший радиоприемник или портативный магнитофон. Приемники GPS устанавливаются в легковые и грузовые автомобили, ими оснащаются малые и большие суда, не говоря уже о самолетах. Выпускаются и совсем миниатюрные модели, вроде приемников GPS, встроенных в наручные электронные часы и телефоны сотовой связи.

В больших городах приемники GPS позволяют отыскать путь к нужному дому или улице по топографической карте-схеме, которая выводится на экран приемника (причем, с названиями улиц и номерами домов). В сельской местности или в лесу приемник GPS помогает отыскать путь к ближайшим населенным пунктам. Единственное ограничение системы глобального позиционирования – она не работает вблизи полюсов Земли. Дело в том, что все 11 спутников системы располагаются над экватором, поэтому приполярных областей планеты их сигналы не достигают.

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru