Kompas je uređaj koji pokazuje smjer. To je jedan od najvažnijih instrumenata za navigaciju.
Magnetski kompasi najpoznatija su vrsta ovih uređaja. Postali su toliko popularni da se sam izraz gotovo uvijek odnosi na magnetski kompas. Iako su se dizajn i konstrukcija značajno promijenili tijekom stoljeća, koncept njegovog rada ostao je isti. Magnetski kompasi sastoje se od magnetizirane igle koja se može okretati tako da se poravna sa Zemljinim magnetskim poljem. Krajevi pokazuju na ono što je poznato kao magnetski sjever i magnetski jug.
Znanstvenici i povjesničari ne znaju kada su otkriveni principi iza magnetskih kompasa. Stari Grci su razumjeli magnetizam. Već prije 2000 godina, kineski znanstvenici su znali da će trljanje željezne šipke (kao što je igla) prirodnim magnetom privremeno magnetizirati iglu tako da pokazuje sjever i jug.
Vrlo rani uređaji bili su napravljeni od magnetizirane igle pričvršćene na komad drva ili pluta koji je slobodno plutao u posudi s vodom. Kad bi se igla smirila, označeni bi kraj pokazivao prema magnetskom sjeveru.
Kako su inženjeri i znanstvenici učili više o magnetizmu, igla kompasa je montirana i postavljena u sredinu karte koja je pokazivala kardinalne smjerove – sjever, jug, istok i zapad. Vrh koplja i slovo T, što je označavalo latinski naziv sjevernog vjetra, Tramontana, označavali su sjever. Ova kombinacija razvila se u fleur-de-lis dizajn ljiljana, koji se i danas može vidjeti.
Povjesničari smatraju da je magnetski kompas prvi put izumljen kao uređaj za proricanje još u kineskoj dinastiji Han (od otprilike 206. pr. Kr.), a kasnije su ga za navigaciju usvojili Kinezi dinastije Song tijekom 11. stoljeća. Prva uporaba ovog uređaja zabilježena u zapadnoj Europi i islamskom svijetu dogodila se oko ranog 13. stoljeća.
U svojoj najranijoj upotrebi, kompasi su se vjerojatno koristili kao rezerve kada se Sunce, zvijezde ili drugi orijentir nisu mogli vidjeti. Na kraju, kako su uređaji postajali pouzdaniji i sve više istraživača razumjelo kako ih čitati, uređaji su postali ključni navigacijski alat.
Ograničenja magnetskog kompasa
Magnetski kompas je vrlo pouzdan na umjerenim geografskim širinama, ali u geografskim regijama blizu Zemljinih magnetskih polova postaje neupotrebljiv. Kako se uređaj približava jednom od magnetskih polova, magnetska deklinacija – razlika između smjera geografskog sjevera i magnetskog sjevera – postaje sve veća i veća. U nekoj točki blizu magnetskog pola, uređaj neće pokazivati nikakav određeni smjer, već će se zanositi. Također, igla počinje pokazivati gore ili dolje kada se približi polovima, zbog tzv. magnetske inklinacije. Zbog toga se jeftini kompasi s lošim smjerom mogu zaglaviti i pokazati pogrešan smjer.
Na magnetske kompase utječu sva polja, a ne samo Zemljina elektromagnetska polja. Lokalni okoliši mogu sadržavati naslage magnetskih minerala i umjetne izvore kao što su MRI, velika željezna ili čelična tijela, električni motori ili jaki trajni magneti. Svako električno vodljivo tijelo proizvodi vlastito magnetsko polje kada nosi električnu struju. Magnetski kompasi skloni su pogreškama u blizini takvih tijela. Neki uređaji uključuju magnete koji se mogu prilagoditi za kompenzaciju vanjskih magnetskih polja, čineći uređaj pouzdanijim i preciznijim.
Kompas je također podložan pogreškama kada se uređaj ubrzava ili usporava u zrakoplovu ili automobilu. Ovisno o tome o kojoj je Zemljinoj hemisferi riječ i ako je sila ubrzanje ili usporavanje, uređaj će povećati ili smanjiti naznačeni smjer. Kompasi koji uključuju kompenzacijske magnete posebno su skloni ovim pogreškama, jer ubrzanja naginju iglu, približavajući je ili je udaljavajući od magneta.
Još jedna pogreška mehaničkog kompasa je pogreška pri okretanju. Kada se okrene iz smjera istoka ili zapada, uređaj će zaostajati za skretanjem ili voditi ispred skretanja. Magnetometri i zamjene poput žirokompasa su stabilniji u takvim situacijama.
Zanimljive činjenice o kompasima
Kompas je uređaj koji se koristi za određivanje smjera na površini Zemlje pomoću magnetskog pokazivača koji se poravnava sa Zemljinim magnetskim poljem.
Kompasi često pokazuju kutove u stupnjevima: sjever odgovara 0°, a kutovi se povećavaju u smjeru kazaljke na satu, tako da je istok 90°, jug 180°, a zapad 270°. Ovi brojevi omogućuju uređaju da pokaže azimute ili smjerove koji se obično izražavaju u stupnjevima. Ako je poznata lokalna varijacija između magnetskog sjevera i pravog sjevera, tada smjer magnetskog sjevera također daje smjer pravog sjevera.
Kompas je jedan od najvažnijih instrumenata za navigaciju.
Razlog zašto magnetski kompasi rade kako rade je taj što se sama Zemlja ponaša kao golemi šipkasti magnet s poljem od sjevera prema jugu koje uzrokuje da magneti koji se slobodno kreću zauzmu istu orijentaciju. Smjer Zemljinog magnetskog polja nije sasvim paralelan s osi sjever-jug globusa, ali je dovoljno blizu da nekorigirani uređaj može biti prilično dobar vodič. Netočnost, poznata kao varijacija (ili deklinacija), varira u veličini od točke do točke na Zemlji. Otklon igle zbog lokalnih magnetskih utjecaja naziva se devijacija.
Najstarija i najpoznatija vrsta ovog tipa navigacijskog uređaja je magnetski kompas, koji se u različitim oblicima koristi u zrakoplovima, brodovima i kopnenim vozilima te geodeziji.
Magnetski kompasi dolaze u mnogim oblicima. Najosnovniji su prijenosni uređaji za korištenje na povremenim planinarenjima. Oni mogu imati dodatne značajke, kao što su povećala za korištenje s kartama, prizma ili zrcalo koje vam omogućuje da vidite krajolik dok pratite očitavanje uređaja ili oznake na Brailleovom pismu za slabovidne osobe. Najkompliciraniji kompasi složeni su uređaji na brodovima ili zrakoplovima koji mogu izračunati i prilagoditi gibanje, varijacije i odstupanja.
Kinezi su izumili prvi kompas već u 3. stoljeću prije Krista, a zatim su razvili prvi magnetski kompas u 11. stoljeću nove ere – koristeći prirodnu magnetnu rudu. Uvođenje magnetskih kompasa dovelo je do kartografske revolucije – doslovno mijenjajući “smjer” izrade karata – omogućavanje izrade karata na temelju izravnog promatranja pomoću instrumenta.
Izum kompasa omogućio je određivanje smjera kada je nebo oblačno ili maglovito i kada orijentir nije bio na vidiku. To je pomoracima omogućilo sigurnu plovidbu daleko od kopna, povećavajući pomorsku trgovinu i pridonoseći Dobu otkrića.
Prva uporaba kompasa u zapadnoj Europi i islamskom svijetu zabilježena je oko 1190. godine.
Alexander Neckam izvijestio je o upotrebi magnetskog kompasa za područje La Manchea u tekstovima De utensilibus i De naturis rerum, napisanim između 1187. i 1202., nakon što se vratio u Englesku iz Francuske i prije ulaska u augustinsku opatiju u Cirencesteru.
Na Mediteranu je uvođenje navigacijskog uređaja, isprva poznatog samo kao magnetizirana kazaljka koja pluta u posudi s vodom, išlo ruku pod ruku s poboljšanjima u tzv. dead reckoning metodama i razvojem portolanskih karata, što je dovelo do veće navigacije tijekom zimskih mjeseci u drugoj polovici 13. stoljeća. Dok je praksa od davnina bila da se ograniči pomorsko putovanje između listopada i travnja, dijelom zbog nedostatka pouzdanog vedrog neba tijekom mediteranske zime, produljenje plovidbene sezone rezultiralo je postupnim, ali održivim povećanjem kretanja brodova – oko 1290. sezona plovidbe mogla je započeti krajem siječnja ili veljače, a završiti u prosincu. Dodatnih nekoliko mjeseci bilo je od velike ekonomske važnosti.
Do 15. stoljeća istraživači su shvatili da “sjever” naznačen na uređaju nije isti kao pravi geografski sjever Zemlje. Ova razlika između magnetskog sjevera i pravog sjevera naziva se varijacija (kod pomoraca ili pilota) ili magnetska deklinacija (kod kopnenih navigatora) i varira ovisno o lokaciji. Varijacija nije značajna kada se koriste magnetski kompasi u blizini ekvatora, ali bliže sjevernom i južnom polu, razlika je mnogo veća i može nekoga skrenuti s kursa mnogo kilometara. Navigatori moraju prilagoditi očitanja uređaja kako bi uzeli u obzir varijacije.
Godine 1745. Gowin Knight, engleski izumitelj, razvio je metodu magnetiziranja čelika na takav način da zadrži svoju magnetizaciju dugo vremena; njegova poboljšana igla bila je u obliku šipke i dovoljno velika da nosi kapu pomoću koje se mogla montirati na osovinu.
Konstrukcija magnetskog kompasa
Magnetska igla
Za izradu kompasa potrebna je magnetna šipka. To se može napraviti usklađivanjem željezne ili čelične šipke sa Zemljinim magnetskim poljem i zatim kaljenjem ili udaranjem. Međutim, ova metoda proizvodi samo slab magnet pa se preferiraju druge metode. Na primjer, magnetizirana šipka može se stvoriti uzastopnim trljanjem željezne šipke magnetnom rudom. Ova magnetizirana šipka (ili magnetska igla) se zatim postavlja na površinu s niskim trenjem kako bi se mogla slobodno okretati kako bi se poravnala s magnetskim poljem. Zatim se označava tako da korisnik može razlikovati kraj koji pokazuje prema sjeveru od kraja koji pokazuje prema jugu; u modernoj konvenciji sjeverni kraj je tipično označen na neki način.
Uređaj s iglom i zdjelom
Ako se igla trlja o magnetnu rudu ili drugi magnet, igla postaje magnetizirana. Kada se umetne u čep ili komad drveta i stavi u posudu s vodom, postaje kompas. Takvi uređaji bili su univerzalno korišteni kao kompasi sve do izuma kompasa u obliku kutije sa “suhom” zakretnom iglom negdje oko 1300. godine.
Točke kompasa
Izvorno su mnogi kompasi bili označeni samo prema smjeru magnetskog sjevera ili prema četiri kardinalne točke (sjever, jug, istok, zapad). Kasnije su one podijeljene, u Kini na 24, a u Europi na 32 jednako razmaknute točke.
U moderno doba sustav od 360 stupnjeva uzeo je maha. Ovaj sustav se i danas koristi za civilne navigatore. Sustav stupnjeva raspoređuje 360 jednako raspoređenih točaka smještenih u smjeru kazaljke na satu oko brojčanika. U 19. stoljeću neke su europske nacije umjesto toga prihvatile “grad” (također nazvan grad ili gon) sustav, gdje je pravi kut 100 stupnjeva kako bi se dobio krug od 400 stupnjeva. Dijeljenje stupnjeva na desetine kako bi se dobio krug od 4000 decigrada također se koristilo u vojskama.
Većina vojnih snaga usvojila je francuski “millieme” sustav. Ovo je aproksimacija miliradijana (6283 po krugu), u kojem je brojčanik razmaknut u 6400 jedinica ili “milisa” za dodatnu preciznost pri mjerenju kutova, postavljanju artiljerije itd. Vrijednost za vojsku je da jedan kutni mil obuhvaća približno jedan metar na udaljenosti od jednog kilometra.
Carska Rusija koristila je sustav izveden dijeljenjem opsega kruga na tetive iste duljine kao polumjer. Svaki od njih bio je podijeljen na 100 mjesta, dajući krug od 600. Sovjetski Savez ih je podijelio na desetine da bi dao krug od 6000 jedinica, koje se obično prevode kao “mili”. Ovaj sustav usvojile su bivše zemlje Varšavskog pakta (npr. Sovjetski Savez, Istočna Njemačka), često u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Ovo je još uvijek u upotrebi u Rusiji.
Balansiranje kompasa (magnetski pad)
Budući da se nagib i intenzitet Zemljinog magnetskog polja razlikuju na različitim geografskim širinama, kompasi se često balansiraju tijekom proizvodnje tako da brojčanik ili igla budu u ravnini, eliminirajući povlačenje igle koje može dati netočna očitanja. Većina proizvođača balansira svoje igle za jednu od pet zona, u rasponu od zone 1, koja pokriva veći dio sjeverne hemisfere, do zone 5 koja pokriva Australiju i južne oceane. Ovo individualno balansiranje zona sprječava pretjerano uranjanje jednog kraja igle što može uzrokovati zapinjanje kartice kompasa i davanje lažnih očitanja.
Neki uređaji imaju poseban sustav za balansiranje igle koji će točno pokazati magnetski sjever bez obzira na određenu magnetsku zonu. Drugi magnetski kompasi imaju mali klizni protuuteg instaliran na samoj igli. Ovaj klizni protuuteg, nazvan “jahač”, može se koristiti za balansiranje igle u odnosu na pad uzrokovan nagibom ako se uređaj odnese u zonu s većim ili nižim padom.