Чудо магнитной стрелки, или История компаса

Представь себе корабль посреди безбрежного океана, и куда ни посмотришь - всюду вода, пенятся волны. Небо занесло тучами, солнца не видно. Как морякам понять, куда плыть, чтобы вернуться домой? На этот случай на корабле есть компас. Взглянет капитан на магнитную стрелку и уверенной рукой повернет штурвал, направляя судно в нужную сторону.
Или стоишь ты посреди леса. Со всех сторон одинаковые деревья - ёлки да берёзки. Стоит остановиться, и уже не помнишь, куда шёл, поэтому заблудившиеся могут сутками бродить по кругу, по одним и тем же местам.
На этот случай у тебя в кармане должен быть компас. Достанешь на ладошку круглую колбу с делениями, а внутри, в жидкости, крутится стрелка. Как ни поверни колбу, а красный конец магнитной стрелки всё равно указывает на север. Этот небольшой прибор помогает путешественникам находить дорогу домой уже много столетий.
Отправляясь в дальний путь, странник запоминает, в какую сторону от дома уходит: на север, юг, запад или восток. Когда же приходит пора возвращаться, достаточно двигаться в обратную сторону, и ты доберешься до родного порога. Узнать стороны горизонта можно по звёздам или по солнцу, но если небо затянуто облаками или вокруг туман, то компас становится настоящим спасением.
Нет единого мнения о том, как появилось слово «компас». В латинском языке «компес пассум» означает «указатель пути». В итальянском - «компассаре» это «измерять шагами», а в английском старинное слово «сомpass» означает «круг». Было у магнитной стрелки и множество других названий. В Китае этот прибор называли «чжу-ши», в Англии - «лоудстоун», в Голландии - «зегельстейн», в Норвегии - «лейдерстейн». Все эти слова означают «ведущий, управляющий камень» или «камень, показывающий на юг». Так же компас назвали «дом иглы», «коробочка направлений», «коробка звёзд».
Много-много лет назад один из наших далёких предков случайно поднёс магнит к железным предметам, например к иголкам. Возможно, это был портной или фокусник, который бродил по земле и показывал чудеса с магнитным камнем. Кем бы он ни был, но человек этот заметил, что иголки после этого стремятся повернуться так, чтобы острый их конец указывал на север. Такое поведение металлических предметов казалось нашим предкам магическим, ведь они ещё многого не знали о природе вещей, которые их окружали. Это открытие положило начало изобретению компаса.
Но самый первый компас, который упоминается в легендах, был вовсе не магнитный. Это была запряжённая лошадьми колесница, на которой располагалась фигурка человечка с вытянутой рукой. Хитроумный механизм соединял колёса повозки и человечка на крутящейся подставке таким образом, что сколько бы колесница ни поворачивала, человечек всегда показывал на юг. Так это изобретение и назвали учёные - «колесница, показывающая на юг». В 2600 году до нашей эры она помогла императору Хуан-Ди выиграть тяжёлое сражение, о котором сохранились упоминания в летописях, благодаря которым мы и узнали о хитроумном изобретении.
До наших дней повозка не сохранилась. По старинным описаниям и легендам колесницу реконструировали в XX веке, и теперь рабочие модели можно увидеть в Историческом музее Пекина и Национальном дворце-музее в Тайбее.
Первый магнитный компас тоже совершенно не был похож на тот, что мы привыкли видеть. Он напоминал скорее поварёжку из магненита - минерала, одной из разновидностей железной руды. Эту поварёжку вращали на гладко отполированной пластине. Такой компас использовали в Китае в I веке нашей эры путешественники, пересекавшие огромные равнины Азии. Изначально он служил гадальной доской. Ручка этого магнитного половника всегда указывала на юг, поэтому его и называли «сынань» - ведающий югом.
Пользоваться таким компасом было не слишком удобно. Он большой, неповоротливый и не очень точный. Не удивительно, что это изобретение осталось в прошлом.
В XI веке в Китае жил учёный по имени Шень Гуа. Он очень долго изучал магниты, их свойства и описал сразу три вида магнитного компаса. Самый точный выглядел как иголка, подвешенная на шёлковой нитке с помощью маленького кусочка воска. Второй вариант долгое время был самым распространенным - намагниченную иголку помещали на лёгкой тростинке и опускали в чашку с водой. И уже в то время Шень Гуа предложил способ, который мы используем и по сей день - поместить магнитную стрелку на острой шпильке так, чтобы она могла свободно поворачиваться.
В Индии компасы делали в виде рыбок, которых намагничивали, опускали в чашу с водой, и они поворачивалась головой на юг. Чтобы металлические рыбки не тонули, их изготавливали полыми внутри, либо плоскими, слегка выгнутыми лодочкой. Иногда рыбок вытачивали из дерева и вставляли в них кусочек магнетита. Упоминаются так же компасы в виде черепах.
Возникает вопрос: если магнитная стрелка такой полезный инструмент, то почему о ней долго ничего не знали в остальном мире? Всё очень просто. Металлическая игла, которая сама по себе поворачивается и указывает на Полярную звезду, казалась людям чем-то сверхъестественным - то ли божественным, то ли дьявольским, - поэтому знания о ней берегли, передавали по секрету только проверенным товарищам, а некоторые суеверные мореходы и вовсе отказывались пользоваться загадочным прибором, боясь прослыть колдунами.
Вполне возможно, что и в других странах тайну магнитной стрелки открыли одновременно с китайцами, но достоверных доказательств этому нет. Считается, что компас через Индию и арабские страны постепенно попал в Европу.
Можно сказать, что маленькая магнитная стрелка, добравшись до европейских стран, стала причиной Эпохи Великих географических открытий. Академик и кораблестроитель Алексей Николаевич Крылов писал: «Компас - инструмент малый, но, если бы его не было, Америка не была бы открыта». До изобретения компаса моряки боялись удаляться от побережий. Они ориентировались по очертаниям берегов, течениям, устьям рек. Такое плавание занимало много времени, но открытое море казалось опасным, неведомым миром. Моряки пугали друг друга историями о гигантских чудовищах и непреодолимых опасностях. Страшно было отойти от берега, страшно не найти дорогу домой.
Компас позволил кораблям выйти в открытое море. Как, должно быть, боялись моряки Колумба или Фернана Магеллана, отправляясь в самое сердце таинственного океана, и только коробочка с магнитной стрелкой внушала уверенность и надежду вернуться обратно в порт.
Простейший компас, который впервые появился у моряков, легко может сделать даже школьник, используя описание, оставленное монахом из Франции Венцинтием де Бове в книге «Зеркало природы» в начале XIII века. Попробуйте и вы. Он писал: «Если моряки не знают, как найти дорогу к гавани, они берут иглу. Затем натирают её остриё магнитом, втыкают поперёк лучинки и кладут в сосуд с водой. Потом водят магнитом вокруг сосуда, и остриё следует за ним. И вот, они вдруг удаляют камень, и тотчас же остриё иглы, оставшись без ведущего, останавливается и остаётся неподвижным, указывая звезду...»
Компас, с приходом в Европу, несколько изменился. Европейские моряки старались сделать его удобнее и надежнее. В 1269 году вышло в свет «Послание о магнитах» француза Петра Перегрина. Он подробно описал всё, что было известно на тот момент о магнитах и магнетизме, а так же упоминал и о компасе, который усовершенствовал для удобства использования. Стрелку Перегрин укрепил на шпильке, а круг разделил на четыре сектора, каждый из которых разбил на более мелкие части - градусы - от 0 до 90. С помощью подвижного визира, похожего на прицел, можно было удобно и точно определять направление движения.
В 1302 году итальянец Флавио Джойя дополнил компас картушкой - кругом, разделенным на 32 румба. Магнитная стрелка в его компасе крепилась к картушке и поворачивала её вслед за поворотами корабля. Это оказалось настолько удобным для морских компасов, что в благодарность Джойе поставили памятник из бронзы в его родном городе Амальфи.
Компасы в те времена были так дороги, что их берегли как зеницу ока. Зачастую мореходы не покупали компас, а брали в аренду, чтобы вернуть его владельцу после благополучного плавания. Когда пираты или военные захватывали вражеское судно после сражения, в первую очередь забирали с него компасы и карты, и лишь потом сокровища и грузы, настолько ценился у моряков этот незамысловатый на первый взгляд прибор.
В своем путешествии по миру компас добрался и до России. В XVII - XVIII вв наиболее искусными в деле изготовления компасов были поморы - жители побережья Северного Ледовитого океана. И не удивительно, ведь они ходили по суровым северным морям, и от правильно проложенного курса, зависела их жизнь. Поэтому и компас поморы называли с любовью и уважением «матка», то есть «матушка, мать». Поморский компас вытачивали из моржовой кости в виде круглой коробочки диаметром 4-5 сантиметров. Компас имел картушку и хранился в кожаном мешочке.
Пётр I уделял внимание искусству изготовления компасов и писал в Морском уставе: «Должны компасы добрым мастерством делать и смотреть, чтобы иглы на чём компас вертится, были остры и крепки и не скоро бы сламывались. Так же чтобы проволока [стрелка] на компасах к Норду и Зюйду крепко была натёрта магнитом, дабы компас мог быть верным, чем надлежит крепкое смотрение иметь, ибо в том зависит ход и целостность корабля».
Но вернемся в Европу. В 1875 году часовых дел мастер из Германии Карл Бамберг придумал заполнить корпус компаса жидкостью. Благодаря этому стрелка быстрее успокаивалась, и компасом стало удобнее пользоваться.
Казалось бы, компас должен был покончить со всеми проблемами путешественников, но магнитная стрелка оказалась коварной обманщицей.
В 1492 году Христофор Колумб на трёх каравеллах плыл через Атлантический океан в поисках Индии. В те времена его считали безумцем, и немалого труда стоило набрать команду в это рискованное путешествие. Вся надежда была на компас, который указывал верный путь.
Проверяя в очередной раз расчёты по звёздам, командор обнаружил, что стрелка компаса указывает не точно на север, а немного отклоняется на восток. Это открытие привело Колумба в ужас, ведь надёжный компас - залог успешного путешествия, - а тут такие грубые погрешности! С каждым днём погрешность становилась меньше, а затем стрелка начала отклоняться на запад всё сильнее и сильнее. Позднее Колумб писал королю Фердинанду: «...сразу же после того, как было пройдено сто лиг [примерно 600 километров] к западу от Азорских островов, наступили величайшие перемены в небе, в звёздах, в температуре воздуха и морской воды... Стрелки компасов, которые до того отклонялись к северо-востоку, стали отклоняться на целую четверть [румб] к северо-западу».
Разумеется, Колумб не первым обратил внимание на погрешность компаса. Путешественники и раньше замечали это явление, которое назвали «склонением». Однако его причину выяснили ещё нескоро. Чтобы разобраться в вопросе склонения, необходимо понять, почему стрелка всегда находится в одном и том же положении.
В давние времена люди рисовали в воображении фантастические картины, например, представляли огромную магнитную гору на Северном полюсе, которая притягивает к себе северный конец стрелки. В портовых тавернах моряки рассказывали друг другу страшные истории о том, что если в полярные воды зашёл корабль с железными деталями на борту, то он не мог вырваться из притяжения горы, пока не сбрасывали в воду весь металлический груз вплоть до пряжки капитана.
Первым понял причину поведения стрелки компаса английский учёный Уильям Гилберт. В своём труде «О магнитах» он рассказал, что Земля - это огромный магнит с двумя полюсами - северным и южным. Позднее знаменитый картограф Меркатор догадался, что географический северный полюс не совпадает с магнитным, и от этого возникает склонение.
В 1831 году англичанин Джеймс Росс первым побывал на северном магнитном полюсе, но не увидел там ни скалы, ни горы - только ровную, унылую местность. Это даже огорчило первооткрывателя магнитного полюса. Очень уж хотелось найти в таком месте что-то необыкновенное.
Теперь моряки и путешественники знали о склонении и его причинах, но это не облегчило им работу. Если они не учитывали склонения, то могли ошибиться с прокладкой маршрута и выйти на скалы или рифы, а, как оказалось, склонение в каждой точке Земли разное.
На помощь мореплавателям пришёл астроном Эдмонд Галлей, тот самый, чьим именем названа самая известная комета. Он составил магнитную карту Земли. Теперь навигаторы определяли по ней склонение в том месте, где находился их корабль, и учитывали его при прокладке курса. Правда, карты приходится постоянно обновлять, потому что полюс движется, и склонение меняется.
Новые неприятности ожидали моряков, когда на кораблях стали появляться металлические предметы. Все они влияли на показания компаса. Хочешь ты установить пушку для защиты от пиратов или металлические детали для прочности - будь готов к тому, что компас начнёт шалить и капризничать. Такое явление назвали девиацией от латинского слова, означающего «отклонение».
Девиация творила немало бед. Так в книге Жюля Верна «Пятнадцатилетний капитан» злодей Негоро положил под компас железный топор, и в результате корабль вместо Южной Америки пришёл к берегам Африки. Многие опытные капитаны не догадывались о том, что железо влияет на работу компаса. Известно, например, что капитан Кук хранил в нактоузе (специальном ящике для компаса) ключи, а капитан корабля «Баунти» Блай - пистолеты.
Многие годы моряки сражались с девиацией не менее яростно, чем со штормами. Некоторые невежественные моряки верили, что достаточно хорошенько укрыть металлические предметы парусиной, обмазать замазкой, и проблема решена. Понадобилось много лет кропотливых наблюдений и исследований, чтобы победить влияние девиации. Огромный вклад в эту победу сделали русские учёные Иван Петрович Белавенец и Иван Петрович Колонг. За столь важные для морского дела труды император наградил их золотыми компасами с 32 бриллиантами.
Чтобы погасить девиацию, вокруг компаса размещают особым образом металлические шары. Теперь магнитный компас можно использовать на металлических кораблях и даже на подводных лодках. Каждый раз перед плаванием на борт судна поднимается девиатор и настраивает компас.
Вот как получилось, что компас, прибор для которого так важна точность, может ошибаться. На него влияют даже молнии и северное сияние, и он совершенно не работает в тех местах, где под землёй скрыты залежи металлических руд. С виду обычная равнина или морская гладь, но если путешественник достанет в таком месте компас, то стрелка будет бешено вращаться или показывать неправильное направление. Например, в Курской области находится крупное месторождение железа. Его обнаружил в XVIII веке академик Пётр Борисович Иноходцев, когда проводил магнитные исследования.
С началом эры воздухоплавания компас стал осваивать и второй океан - воздушный. На воздушный шар его брали только для того, чтобы проводить исследования, ведь шар летел туда, куда его гнал ветер и не слишком высоко, поэтому пилоту не было нужды определять стороны горизонта - он с легкостью ориентировался по очертаниям земной поверхности. А вот самолётам компас был просто необходим. Да вот беда, в кабине самолета магнитная стрелка оказывалась со всех сторон окружена металлическими деталями и давала огромные погрешности, которые еще больше усиливались при резких манёврах.
В 1911 году подпоручик Баг задумал перелететь на самолёте Средиземное море из Ниццы в городок Кальви на Корсике. В пути он сверялся с магнитным компасом, но вместо Кальви приземлился в местечке Горгона, отклонившись на много сотен километров. Когда же он попытался проделать это во второй раз, его самолёт бесследно исчез.
Именно поэтому не доверял магнитному компасу знаменитый норвежский путешественник Руаль Амундсен. Отправляясь на самолете к Северному полюсу, он придумал специальный прибор для прокладки маршрута, который назвал «солнечным указателем курса».
В наше время научились исправлять девиацию компасов на самолётах, а кроме того, их оснащают электронным компасами.
Очень долго у путешественников не было выбора - магнитный компас оставался единственным прибором для определения сторон горизонта. Только в XX веке в семействе компасов появился гирокомпас. Его изобрели независимо друг от друга Герман Аншютц-Кэмпфе и Эльмер Сперри.
Работа гирокомпаса основана на центробежной силе и вращении Земли. Представьте себе детский волчок, который вращается на тонкой ножке. Если закрепить его не вертикально, а горизонтально в подвижном подвесе и заставить быстро крутиться, то под влиянием сил земного вращения ось вращения волчка будет неизменно устанавливаться по линии север-юг. Гирокомпас широко распространился на кораблях, тем более, что он показывает на истинный полюс и не имеет склонения. Его размещают в самой спокойной части судна, а показания передаются на капитанский мостик и другие приборы. Скорость вращения гирокомпаса достигает 20000 оборотов в минуту.
Казалось бы, можно отказаться от магнитной стрелки, такой капризной, но даже на кораблях, где есть гирокомпас, обязательно имеется и магнитный. Ведь гирокомпасу для работы нужно электричество, и он может выйти из строя. Так во время Великой отечественной войны в июле 1943 года сломался гирокомпас на борту эсминца «Сообразительный». Плохо бы ему пришлось, если бы не было в запасе магнитного компаса. Более 300 километров штурман «Сообразительного» прокладывал маршрут по магнитному компасу и вывел корабль к базе.
Кроме того, гирокомпас очень громоздкий, поэтому используют его главным образом в море.
Позднее семейство компасов пополнилось электронным и радиокомпасом. Каждый вид компаса находит применение и приносит пользу людям. Прошли годы и века с тех пор, как магнитная стрелка начала служить человеку. Она стала привычной для нас, незаметно и трудолюбиво помогает и по сей день.
Большой авиалайнер с сотней пассажиров на борту поднимается в небо. Под ним земля, скрытая пеленой облаков. Ему предстоит пересечь тысячи километров и доставить пассажиров на другой конец света. Как найти нужный город? Капитан экипажа включает электронный компас и теперь точно сможет определить направление, в котором находится пункт назначения.
Компас пригодится и строителям: чтобы проложить новую дорогу, расположить дом в соответствии сторонам горизонта. Ещё планируя дом, инженер разместил на южной стороне больше окон, а северную защитил от холода и ветров. Даже строители египетских пирамид возводили их, ориентируя по сторонам света.
Компас обязательно входит в снаряжение военных. Оказавшись в тылу врага, в незнакомой местности, солдат достанет магнитную стрелку, и та укажет, куда держать путь, чтобы выйти к своим. Разведчики придумали даже делать крошечные компасы в виде привычных вещей. Например, магнитная стрелка могла скрываться в пуговице или ручке ножа.
Широко известен советский военный компас, или компас Андрианова. Его носили на запястье, как часы. Некоторые детали покрывали светящейся в темноте краской, чтобы компас можно было использовать ночью. В нерабочее время стрелку закрепляли специальным фиксатором.
А туристам и альпинистам, спортсменам-ориентировщикам компас необходим каждый день, чтобы найти дорогу в незнакомой местности, проложить маршрут или победить в соревнованиях. Для них разработали специальные компасы. Лёгкие, с линейкой и точными делениями, с колбой, заполненной жидкостью, благодаря которой стрелка быстрее успокаивается, что очень важно на соревнованиях по ориентированию.
А в городе с экрана навигатора компас поможет найти те места, где вы раньше не бывали, сориентироваться в незнакомом районе.
Прошли столетия с тех пор, как люди заметили удивительные свойства магнитной стрелки, но и в наши дни компас кажется волшебным и загадочным. Вот, что писал о нём знаменитый учёный Альберт Энштейн: «Чудо... я испытал ребёнком четырёх или пяти лет, когда мой отец показал мне компас».