قطب نما چیست و چگونه با آن جهت یابی می کنند؟ — به زبان ساده

قطب نما یا Compass یکی از قدیمی‌ترین ابزارهای جهت یابی در تاریخ است. از زمانی که بشر درک بیشتری از ناوبری و جهت یابی به دست آورده این ابزار از مهم‌ترین وسیله‌های ناوبری در سفرهای مهم مانند اولین سفرهای ماورای اقیانوس‌ها و گردش در جهان بوده‌اند. هیچ یک از این سفرها بدون کمک قطب نما در انجام محاسبات ناوبری در مسافت‌های طولانی امکان پذیر نیست. كاوشگران اولیه برای پیمایش مجبور بودند از نشانه‌های محلی و ستاره‌ها استفاده كنند و این امر سفر به مقصد دور یا ناشناخته را بسیار دشوار می‌کرد. قطب نما یکی از موفقیت‌های اساسی بود که چنین سفرهایی را به واقعیت تبدیل کرد. در این مطلب در مورد طرز کار و نحوه عملکرد قطب نما صحبت می‌کنیم.

یک قطب نما چگونه کار می‌کند؟

قطب نما با تشخیص میدان‌های مغناطیسی طبیعی زمین کار می‌کند. همان طور که می‌دانید زمین دارای یک هسته آهنی است که به دلیل فشار گرانشی بخشی از آن مایع و بخشی بلور جامد است. اعتقاد بر این است که حرکت در هسته خارجی مایع همان چیزی است که میدان مغناطیسی زمین را تولید می‌کند. مانند همه میدان‌های مغناطیسی، میدان مغناطیسی زمین دارای دو قطب اصلی یک قطب شمال و یک قطب جنوب است.

فیلم آموزش فیزیک – پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

این قطب‌های مغناطیسی کمی از محور چرخش زمین که به عنوان قطب‌های جغرافیایی استفاده می‌شوند، فاصله دارند اما با این حال به اندازه کافی به این قطب‌ها نزدیک هستند که می‌توان جهت‌های کلی را با محاسبه اختلاف زاویه، به عنوان یک زاویه انحراف برای ناوبری مورد استفاده قرار داد.

اساساً قطب نما یک آهن ربای سبک است و یک سوزن مغناطیسی روی یک محور چرخان آزاد روی آن قرار دارد. این ویژگی اجازه می‌دهد تا سوزن نسبت به میدان‌های مغناطیسی اطراف واکنش و عکس العمل بهتری داشته باشد. از آنجا که قطب‌های مغناطیسی غیرهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند قطب جنوب سوزن مغناطیسی به قطب شمال مغناطیسی طبیعی زمین اشاره می‌کند و بدین ترتیب دریانوردان می‌توانند برای مثال جهت شمال جغرافیایی را تشخیص دهند.

اولین قطب نماها قطب نماهای آبی بودند که چینی‌ها در زمان سلسله سونگ اختراع کردند. این قطب نماها یک قطعه فلز مغناطیسی شده بودند که در یک کاسه آب شناور بودند. آب محور چرخش بدون اصطکاک مورد نیاز برای ساخت قطب نما را تأمین می‌کرد.

قطب نما بعداً در قرن 14 میلادی در غرب به صورت متداول مورد استفاده قرار گرفت. این امر منجر به آنچه در حال حاضر عصر اکتشاف، جایی که قدرت‌های بزرگ اروپایی کاوش بیشتر در جهان از جمله آمریکای شمالی و جنوبی را آغاز کردند، شد. در حالی که قطب نما تنها یکی از وسایلی بود که این عصر طلایی اکتشاف را به وجود آورد، اما در تحقق آن نقش مهمی داشت. حتی در حال حاضر ناوبری مدرن هنوز به قطب نما و نقشه‌های دقیقی که به کمک آن به وجود آمده، متکی است.

چه کسی قطب نما را اختراع کرد؟

هیچ کس دقیقاً نمی‌داند که چه زمانی قطب نما اختراع شده است، با این حال در مورد اطلاعات اولیه استفاده از قطب نما این موارد روشن است:

• 300–200 پیش از میلاد: اعتقاد بر این است که جهت یاب‌های مغناطیسی اولیه در چین اختراع شده‌اند.
• قرن دوازدهم میلادی: قطب نماهای پیچیده‌تری به طور مستقل در چین، جهان عرب و اروپا اختراع شدند که دارای سوزن‌های قطب نما بودند و برای اولین بار روی پین‌ها نصب شده بودند.
• قرن سیزدهم: قطب نماها دارای کارت‌هایی بودند که با نقاط اصلی و زیرمجموعه‌های آن‌ها شناخته شده بودند.
• قرن پانزدهم: ناوبران متوجه شدند كه قطب نماها به قطب شمال مغناطيسی زمين اشاره دارند و به سمت قطب شمال جغرافیایی و واقعی آن نیستند.
• قرن شانزدهم: قطب نماهای دریایی برای کاهش مشکلات ناشی از حرکت کشتی‌ها در گیمبال نصب شدند.
• قرن هفدهم: «ویلیام گیلبرت» (William Gilbert) انگلیسی یک گزارش علمی جامع از مغناطیس زمین را منتشر کرد و از آن برای توضیح اینکه چرا قطب نما به سمت شمال اشاره می‌کند استفاده کرد.
• دهه 1880: «ویلیام تامپسون» (William Thompson)یا لرد کلوین فیزیکدان اسکاتلندی قطب نمایی طراحی کرد که می‌توانست برای کار در داخل کشتی‌های سنگین  حمل آهن استفاده شود.
• دهه 1880: «مارینوس جراردوس ون دن بوس» (Marinus Gerardus van den Bos) هلندی یک ژیروسکوپ را ثبت و اختراع کرد. بعد از او افراد دیگری این اختراع را طی چند دهه توسعه داده و اصلاح کردند.
• دهه 1900: یافتن جهت رادیویی (RDF) توسط مهندسان ایتالیایی «اتوره بلینی» (Ettore Bellini) و «الساندرو توسی» (Alessandro Tosi) توسعه یافت.
• 1906: «هرمان آنشوتز-كامپفه» (Hermann Anschütz-Kaempfe) یک ژيروقطب نمای مدرن را طراحی کرد.
• 1911: ژیروقطب نمای توسعه یافته توسط «المر اسپری» (Elmer Sperry) برای اولین بار با موفقیت بر روی یک کشتی آزمایش شد.
• 1900–1920: قطب نمای رادیویی (جهت یاب رادیویی) طراحی و ساخته شد.
• 1973: پروژه ناوبری ماهواره‌ای GPS ایالات متحده شروع به جهت یابی با ابزار و روش‌های مدرن‌تر و دور از ناوبری سنتی کرد. این پیشرفت کمک کرد تا جهت‌یابی راحت‌تر و سریع‌تر اتفاق بیفتد.

چه عواملی سبب می‌شود جهت یابی با قطب نما دقیق نباشد؟

همان طور که گفتیم قطب نماها بسیار مفید هستند اما به دلیل دو مشکل کاملاً متفاوت که به نام‌های زاویه میل (یا تغییر) و انحراف شناخته می‌شوند، گاهی اوقات می‌توانند ما را گمراه کنند. در اینجا این دلایل را معرفی و بررسی می‌کنیم.

فیلم آموزش فیزیک 2 دانشگاه – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

زاویه میل یا Declination

زمین در اطراف یک محور (نوعی میله نامرئی) می‌چرخد که از قطب شمال (که عموماً قطب شمال جغرافیایی در بالای سیاره زمین است) به قطب جنوب (یا قطب جنوب جغرافیایی در پایین سیاره زمین است) کشیده شده. اما میدان مغناطیسی زمین کمی انحراف دارد و با محور چرخش کاملاً همسو نیست. قطب شمال مغناطیسی (مکانی که قطب نمای شما به سمت آن اشاره می‌کند) دقیقاً با قطب شمال واقعی مطابقت ندارد (فاصله آن چند صد کیلومتر یا مایل است) و این موضوع در مورد قطب جنوب مغناطیسی نیز صدق می‌کند.

با این حال در عمل تفاوت بین قطب شمال واقعی و قطب شمال مغناطیسی اندک است و به طور کلی وقتی با قطب نما و نقشه بیرون می‌روید می توانید با قطب شمال مغناطیسی که قطب نما به شما نشان می‌دهد همانند قطب شمال واقعی برخورد کنید و این دو را یکسان در نظر بگیرید.

اگر دقت بیشتری داشته باشیم خواهیم دید که تفاوت بین شمال مغناطیسی و  شمال واقعی زاویه‌ای است که از مکانی به مکان دیگر و از سال به سالی دیگر کمی تغییر می‌کند، زیرا موقعیت شمال مغناطیسی زمین دائماً در حال تغییر است که به آن زاویه میل یا Declination می‌گویند. هنگامی که نیاز به ناوبری دقیق دارید (به عنوان مثال در کشتی‌ها) باید این زاویه انحراف را در ناوبری خود در نظر بگیرید و با توجه به آن جهت یابی کنید.

انحراف یا Deviation

قطب نما برای واکنش به میدان مغناطیسی تولید شده توسط توده سنگی متلاطمی که هزاران کیلومتر در عمق زمین جا گرفته طراحی شده است، اما اجسام بسیار دیگری نیز در نزدیکی قطب نمای شما قرار دارد که می‌تواند بر قطب نمای شما تاثیر بگذارد و آن را منحرف کند. به عنوان مثال اگر داخل یک ماشین یا کشتی آهنی باشید تمام این مواد می‌توانند بر آهنربای قطب نمای شما تاثیر بگذارند و موجب عدم نشان دادن جهت صحیح توسط قطب نما شوند.

به دقت اندازه گیری قطب نما در یک موقعیت خاص انحراف گفته می‌شود. انحراف برابر با اختلاف زاویه بین مکانی است که قطب نما در دو حالت نشان می‌دهد:

1. حالتی که قطب نما به دور از هر نوع اختلالی باشد و کاملاً دقیق قطب شمال را نمایش دهد.
2. حالتی که قطب نما در واقعیت و در شرایط آزمایش باشد و قطب شمال را نمایش دهد.

اگر به یک آهن ربا، یا به یک میدان مغناطیسی خاص از پوسته زمین، یا جریان‌های الکتریکی متغیری که میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند، نزدیک هستید سوزن قطب نما تحت تأثیر این موارد قرار می‌گیرد و دقت آن کاهش می‌یابد. پیشرفته‌ترین قطب نماها دارای آهن ربا یا قطعات آهن جبران کننده‌ای هستند که می‌توانید با تنظیم آن‌ها اثرات مغناطیسی محلی را خنثی کنید.

انواع قطب نماها

در ادامه انواع قطب نماها را معرفی کرده و عملکرد آن‌ها را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

قطب نمای کشتی

اگر به صورت پیاده یا با اتومبیل در حال حرکت با کمک یک نقشه باشید انحراف و زاویه میل خیلی مهم نیست. به طور کلی موارد دیگری وجود دارد که می‌تواند به شما در یافتن راه کمک کند و اگر یک یا دو دور اشتباه حرکت کنید، فاجعه بار نخواهد بود.

در یک کشتی و دور از خشکی و در هوای بد که نمی‌توانید از طریق آسمان مسیریابی انجام دهید، مسئله کاملاً متفاوت است. قبل از پیشرفت‌های فنی مانند GPS و رادار، زندگی افراد برای پیمایش دقیق فقط به قطب نما بستگی داشت. به همین دلیل قطب نماهای کشتی که بعضاً قطب نمای دریایی نیز نامیده می‌شوند بسیار پیچیده‌تر از نمونه‌هایی بودند که مردم معمولاً در خشکی استفاده می‌کردند.

در قطب نماهای مدرن کشتی‌، کارت قطب نما به یک شناور متصل است که تعدادی سوزن مغناطیسی در زیر آن قرار دارد و به طور آزادانه در داخل یک کاسه شیشه‌ای بزرگ پر از مخلوط الکل و آب برای به حداقل رساندن اصطکاک و جذب ارتعاشات از کشتی در حال حرکت می‌چرخد. همه چیز روی گیمبال (محور) در پایه‌ای به نام «بیناکله» (binnacle) نصب شده و بنابراین حتی در هنگام حرکت (حرکت به سمت بالا و پایین) و غلتیدن کشتی در امواج، قطب نما به صورت افقی باقی می‌ماند.

ژیرو قطب نما

اگر استفاده از قطب نماهای مغناطیسی در کشتی‌ها مشکل است تصور کنید که استفاده از آن‌ها در هواپیماهای با سرعت بالا چه وضعیت بدتری دارد. به همین دلیل هواپیماها (بعلاوه کشتی‌های بزرگ و برخی وسایل نقلیه زمینی) برای مسیریابی از ژیرو قطب نماها استفاده می‌کنند.

بر خلاف قطب نماهای مغناطیسی که با استفاده از جاذبه مغناطیسی جهت جغرافیایی را نشان می‌دهند، یک دستگاه ژیرو قطب نما از یک ژیروسکوپ برای جهت یابی استفاده می‌کند. این دستگاه یک چرخ سریع در حال چرخش است که بر روی گیمبال‌ها سوار شده و در هر جهتی که بچرخید مدام می‌چرخد.

ژیرو قطب نماها می‌توانند با محیط پویای موجود در کشتی‌ها و هواپیماها کنار بیایند و از دیگر مزایای آن‌ها این است که می‌توان آن‌ها را به جای نشان دادن جهت شمال مغناطیسی برای نشان دادن شمال واقعی (قطب شمال) تنظیم کرد.

نحوه کار یک ژیرو قطب نما بدین صورت است که یک ژیروسکوپ چرخشی سنگین (استوانه زرد در تصویر بالا) توسط یک موتور الکتریکی (قسمت بنفش در تصویر بالا) کار می‌کند. همچنین در داخل این سیستم دو حلقه به صورت عمود و به نام گیمبال (در تصویر با رنگ قرمز و سبز نمایش داده شده‌اند) می‌چرخند. این حلقه‌ها توسط فنر به محفظه خارجی (قسمت آبی رنگ در شکل) متصل شده اند و محکم به بدنه کشتی یا هواپیما ثابت شده‌اند. ایده اصلی این است که ژیروسکوپ در حال چرخش یک شاخص را در همان راستا نگه می‌دارد و به انحراف کشتی یا هواپیما کاری ندارد.

ژیرو قطب نماها با در اوایل قرن 20 توسط مهندس آمریکایی المر اسپری (1930-1860) ساخته شدند و با موفقیت مورد آزمایش قرار گرفتند. این دستگاه در سال 1908 ثبت اختراع شد و اولین بار در سال 1911 در کشتی مورد استفاده قرار گرفت. با این حال اختراع اسپری در حقیقت کپی از ژیروسکوپی بود که توسط دانشمند آلمانی «هرمان انشوتز-كامپفه» (Hermann Anschütz-Kaempfe) (1872–1931) طراحی شده بود. بدین ترتیب این دانشمند با كمك آلبرت انیشتین (1855-1995) از اسپری به دلیل نقض حق ثبت اختراع در آلمان شکایت كرد و رای و حق اختراع به او داده شد. بعدها موارد نقض حق ثبت اختراع در انگلستان و ایالات متحده به نفع اسپری یافت شد و به همین دلیل امروزه عمدتاً وی به خاطر این اختراع شناخته می‌شود.

قطب نمای ستاره‌ای

در حالی که قطب نمای مغناطیسی و ژیرو قطب نماها مطابق با زمین تنظیم می‌شوند، قطب نماهای ستاره شناسی با موقعیت اجرام آسمانی (نقاط ثابت در آسمان، مانند خورشید یا ستاره‌ها) تنظیم می‌شوند و سپس با توجه به این اجرام موقعیت شمال واقعی را نشان می‌دهند. استفاده از این ابزار اغلب از قطب نماهای مغناطیسی پیچیده‌تر و دشوارتر است اما در مکان‌هایی مانند مناطق قطبی که قطب نمای مغناطیسی و ژیروسکوپ‌ها غیرقابل اطمینان هستند جهت جغرافیایی را بهتر نمایش می‌دهند.