Кто изобрел первый компас. Что такое компас? Где и когда появился первый компас? Китайская династия Сун

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.

Человек начал путешествовать очень давно. Еще древние племена кочевали с места на место в поисках пропитания. Развиваясь, люди начали передвигаться не только по суше, но и по морю. С возникновением мореплавания, перед путешественниками встал вопрос ориентации в пространстве. Вначале это происходило по звездам и по солнцу, но в пасмурную погоду в океане нет возможности определить направление. Множество первых морских путешественников сбивалось с курса. Человек понял, что без специального прибора он обречен на долгие поиски верного пути, а может быть и на гибель. Сейчас любой ребенок знает, как определить верное направление при помощи компаса. А вот кто изобрел компас, известно далеко не всем.

История возникновения компаса

Примерно 3 тысячи лет назад человек заметил, что намагниченная железная стрелка всегда показывает на север. Предположительно, первый прототип современного компаса появился в древнем Китае во время правления династии Сун. Но эти сведения не точны. По некоторым данным, компас был изобретен гораздо позже – за 100-200 лет до нашей эры, правда, тоже китайцами. Конечно, древний прибор был далек от современных устройств. Но свои функции он исполнял исправно. Кстати, древние китайцы использовали компас для передвижения по пустыням. Несколько позже, моряки стали брать его с собой в плавание. Уже в XI веке н.э. китайцы изобрели прибор с плавающей стрелкой в виде рыбки. Новое изобретение очень понравилось арабам, которые стали использовать компас на своих торговых кораблях.

В Европе компас появился довольно поздно. С ним европейцев познакомили торговцы из восточных стран. Только в XII веке первый примитивный прибор стал использоваться испанцами и итальянцами в мореплавание. Европейский компас представлял собой намагниченную железную полоску, которая крепилась к пробке, плавающей в воде. Затем, стрелку стали закреплять на тонкой шпильке, которая устанавливалась на дно какого-нибудь сосуда. Вскоре ни один мореплаватель не выходил в открытое море без этого прибора.

Приблизительно в XIV веке итальянский ювелир и изобретатель Флавио Джойя придумал, как усовершенствовать компас. Он разделил его на 16 румбов по 4 для каждой из сторон света. Новый прибор позволял легче ориентироваться в пространстве. Сразу же после этого в Португалии и Испании мореходство стало развиваться бурными темпами. Теперь моряки спокойно отправлялись в дальние плавания, не боясь потеряться на просторах океана. Уже к XVIII веку компас становится довольно сложным прибором, указывающим не только направление, но и время.

Современный компас

Современные приборы получили много новых функций, а их внешний вид мало напоминает древних собратьев. Их принцип работы основан уже не на магнитной стрелке, а на сложных электронных схемах, при помощи которых определяется магнитное поле Земли. Многие приборы ориентируются через спутники. Сейчас даже в простых моделях телефонов присутствуют GPS-приемники, которые через спутник определяют точное местонахождение человека с точностью до градуса.

Идея создания спутниковой навигации возникла еще в 50-е годы прошлого века сразу же после запуска первых искусственных спутников. Но реализовать на практике эту мысль удалось только в 1973 году. Изначально, система спутниковой навигации GPS разрабатывалась исключительно для военных. Но постепенно она пришла и в гражданскую жизнь. Современные системы навигации в мореплавании и авиации немыслимы без систем спутниковой связи и ориентации. Такие системы применяют и в других областях. Например, в геодезии и картографии.

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.

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.

Согласно историческим данным, изобретение компаса произошло в эпоху правления китайской династии Сун и было связано с необходимостью ориентироваться в пустыне. В III веке до н.э. китайский философ Хэнь Фэй-цзы описал устройство компаса его эпохи следующим образом: он представлял собой шарообразную, тщательно отполированную в выпуклой части, разливательную ложку, состоящую из магнетита с тонким черенком.

На тщательно отполированную медную или деревянную пластину устанавливалась своей выпуклой частью так, чтобы черенок не касался пластины, а располагался свободно над ней. При этом ложка должна свободно вращаться вокруг оси своего основания.

На пластину наносятся обозначения сторон света, представляющие зодиакальные знаки. Ложку приводили во вращение, подталкивая черенок ножки. Когда ложка остановится, черенок, выполняющий роль магнитной стрелки, указывает точно на юг.

Таково было устройство самого древнего прибора, выполняющего функции компаса. В ХI веке в Китае появляется плавающая стрелка для компаса, выполненная из искусственного магнита. Обычно она изготавливалась в форме рыбки, которую опускали в сосуд с водой. В воде она свободно плавала, направляя голову в сторону юга. Китайские снабжались плавающими компасами. Их устанавливали на носу и на корме, чтобы капитанам было удобно ориентироваться в путешествии в любую погоду.

Таким компас дошёл до арабов в XII веке, а в начале XIII века - до европейцев. Первыми «плавающую иглу» у арабов переняли итальянские моряки, позднее - испанцы, португальцы и французы, а ещё позже - немцы и англичане. Изначально компас представлял собой намагниченную иголку и кусочек дерева, плававшие в сосуде с водой. Вскоре сосуд стали прикрывать , чтобы защитить механизм от воздействия ветра. В середине XVI века магнитную стрелку стали помещать на острие в середину круга.

Значительно усовершенствованный вид компас приобрёл в начале XIV века благодаря итальянцу Флавио Джойя. Он надел магнитную стрелку на вертикальную шпильку, а стрелку прикрепил к лёгкому кругу - картушке, разбитому по окружности на 16 румбов. А в XVI веке картушку и коробку со стрелкой поместили в кардановый подвес, чтобы избежать влияния качки корабля на показания компаса.