قطب نما چیست و چگونه کار میکند؟

قطب نما بر اساس میدان مغناطیسی زمین کار می کند. خود زمین مانند یک آهنربای غول پیکر با قطب های مغناطیسی شمال و جنوب عمل می کند. قطب شمال مغناطیسی نزدیک به قطب شمال جغرافیایی در قطب شمال قرار دارد. قطب جنوب مغناطیسی دور از قطب جنوب جغرافیایی و در سواحل قطب جنوب قرار دارد.

مغناطیس زمین از جریان های الکتریکی تولید شده توسط همرفت در هسته بیرونی مایع سیاره ناشی می شود. همانطور که فلز مذاب به گردش در می آید، نیروی کوریولیس بر بارهای متحرک وارد می شود تا میدان مغناطیسی تقریباً همسو با محور چرخش ایجاد کند. تغییرات در میدان مغناطیسی می تواند به دلیل تغییر در همرفت رخ دهد.

در داخل قطب نما، یک سوزن مغناطیسی به صورت محوری روی یک یاتاقان نصب شده است. این به سوزن اجازه می دهد تا آزادانه در صفحه افقی بچرخد. قطب های مغناطیسی سوزن به طور طبیعی با قطب های مغناطیسی زمین همسو خواهند شد. قطب شمال سوزن قطب نما به سمت شمال است.

سوزن از طریق فرآیندی به نام القاء مغناطیسی می شود. این شامل اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی برای القای مغناطیس در سوزن است. میدان مغناطیسی با عبور جریان الکتریکی از سیم پیچ سیم یا استفاده از آهنربای دائمی ایجاد می شود. سوزن معمولاً از یک ماده مغناطیسی مغناطیسی مانند آهن یا فولاد تشکیل شده است.

مکانیسم سوزن و چرخش در یک ظرف پر از مایع قرار می گیرد. مایع اصطکاک را کاهش می دهد و به سوزن اجازه می دهد بدون زحمت بچرخد. می توان از روغن معدنی، نفت سفید یا الکل اتیلیک استفاده کرد. این ظرف همچنین نوسانات را کاهش می دهد و سوزن را قادر می سازد تا به سرعت تثبیت شود.

علائم درجه بندی روی صفحه قطب نما جهت ها را نشان می دهد. نقاط اصلی به طور دقیق مشخص شده اند، همراه با اندازه گیری درجه در بین. یک پوشش لغزنده شفاف با خطوط جهت گیری امکان خواندن بلبرینگ را نسبت به جهت فعلی می دهد.

میدان مغناطیسی زمین کاملاً با قطب های جغرافیایی همسو نیست و انحرافات موضعی وجود دارد. انحراف، تفاوت بین شمال واقعی و شمال مغناطیسی، باید در ناوبری در نظر گرفته شود. قطب نماها ممکن است تنظیمی برای تنظیم انحراف برای افزایش دقت داشته باشند.

برخی از اجزای کلیدی که قطب نما را قادر به کار می کنند عبارتند از:

سوزن مغناطیسی - یک آهنربای کوچک معلق است تا بتواند آزادانه بچرخد. همسو با میدان زمین.

Pivot and Jewel - سوزن روی یک محور نوک تیز تعادل می کند و امکان چرخش اصطکاک بسیار کم را فراهم می کند.

مایع میرایی - مایعی که چرخش صاف و ته نشین شدن سریع سوزن را امکان پذیر می کند.

شماره گیری فارغ التحصیل - با نقاط اصلی و اندازه گیری درجه جهت مشخص شده است.

خطوط جهت یابی - برای خواندن دقیق صفحه صفحه را با یاتاقان فعلی تنظیم کنید.

تنظیم شیب - برخی از قطب نماها امکان کالیبراسیون زاویه انحراف را فراهم می کنند.

بنابراین، قطب نماها بر اساس مغناطیس دائمی و قطب های مغناطیسی طبیعی زمین عمل می کنند. اگرچه از نظر مفهومی ساده است، اما طراحی دقیق آن امکان نمایش فوری و قابل اعتماد جهت ناوبری را فراهم می کند.

قطب نماهای آنلاین

در سال‌های اخیر قطب‌نماهای دیجیتال و آنلاین گسترش زیادی یافته است. اینها حسگرهای الکترونیکی، پردازنده های کامپیوتری و اتصال به اینترنت را به جای سوزن های مغناطیسی ترکیب می کنند.

قطب نماهای آنلاین به سیستم موقعیت یاب جهانی یا GPS متکی هستند. GPS یک شبکه ناوبری ماهواره ای متشکل از 24 ماهواره است که توسط دولت ایالات متحده اداره می شود. ماهواره ها به طور مداوم سیگنال های حاوی موقعیت و زمان فعلی خود را ارسال می کنند.

گیرنده‌های جی‌پی‌اس از این سیگنال‌ها برای مثلث‌سازی موقعیت مکانی خود از طریق فرآیندی به نام سه‌لتراسیون استفاده می‌کنند. با مقایسه تاخیر زمانی سیگنال های ماهواره های مختلف می توان موقعیت دقیق گیرنده را محاسبه کرد. GPS طول، طول و ارتفاع کاربر را با دقت در چند متر ارائه می کند.

برنامه ها و برنامه های قطب نما آنلاین مختصات GPS را از گیرنده تعبیه شده در تلفن یا رایانه دریافت می کنند. با استفاده از ریاضی مثلثاتی، جهت های اصلی را می توان از طول و عرض جغرافیایی به دست آورد. سپس هنگام حرکت دستگاه و تغییر جهت، جهت ها به صورت پویا روی صفحه نمایش داده می شوند.

علاوه بر این، ورودی های پیشرفته تری برای بهبود سنجش جهت استفاده می شود. سنسور مغناطیس سنج موجود در گوشی های هوشمند برای اندازه گیری میدان مغناطیسی زمین درست مانند قطب نما معمولی استفاده می شود. شتاب سنج کشش گرانشی و شیب دستگاه را حس می کند. ژیروسکوپ چرخش و جهت گیری را دنبال می کند. این داده ها با ورودی GPS ترکیب می شوند تا نماهای قطب نمای زنده به سبک واقعیت افزوده را ارائه دهند.

برخی از مزایای قطب نمای آنلاین:

- می تواند شمال واقعی را به جای شمال مغناطیسی با دقت تعیین کند.

- GPS مکان دقیق را در اختیار کاربر قرار می دهد و عدم قطعیت ناوبری را از بین می برد.

- داده های حسگر الکترونیکی پاسخگویی و دقت را بهبود می بخشد.

- ویژگی هایی مانند یکپارچه سازی نقشه، کمک های ناوبری، اشتراک گذاری مکان و غیره

با این حال، معایب عبارتند از:

- برای عملکرد به سیگنال ثابت یا اتصال به اینترنت نیاز دارد.

- استفاده از باتری در دستگاه ها می تواند قابل توجه باشد.

- در صورت خرابی GPS، می تواند از کار بیفتد یا خوانش اشتباه بدهد.

- به اندازه یک قطب نما فیزیکی اختصاصی مناسب نیست.

در حالی که قطب نماهای فیزیکی هنوز کاربرد دارند، قطب نماهای آنلاین (live compass online) پیشرفت های قابل توجهی را برای ناوبری و مکان یابی ارائه می دهند. با پیشرفت و گسترش فناوری GPS، قابلیت های جهت یابی دیجیتالی همچنان رو به رشد خواهد بود. ترکیب سادگی قطب‌نماهای مغناطیسی با هوشمندی رایانه‌های آنلاین راه‌حل‌های خلاقانه‌ای را به‌دست آورده است.

تاریخچه قطب نما

قطب نما، یک ابزار ناوبری ساده و در عین حال اساسی، نقش مهمی در تاریخ بشر داشته است. اختراع و توسعه آن انقلابی در اکتشاف، تجارت و ناوبری در سراسر جهان ایجاد کرده است. در حالی که منشاء قطب نما اغلب به تمدن چین باستان نسبت داده می شود، تکامل آن شامل کمک های بسیاری از چهره های مهم در طول تاریخ است. در این مقاله، افراد مهمی را که نقش کلیدی در توسعه قطب نما داشتند، مشارکت آنها و تأثیری که کار آنها در شکل دادن به دنیای امروزی ما داشت را بررسی خواهیم کرد.

1. مبتکران چینی باستان 

قطب نما در اولین شکل خود را می توان به چین باستان ردیابی کرد. در حالی که تعیین تاریخ دقیق دشوار است، سوابق تاریخی نشان می دهد که مخترعان چینی از قرن چهارم قبل از میلاد با مغناطیس و ناوبری سر و کار داشتند. در میان این مبتکران اولیه چهره هایی مانند:

آ. ژوانگ ژو – ژوانگ ژو، فیلسوف و نویسنده بانفوذ چینی، در نوشته های خود از قرن چهارم قبل از میلاد به پدیده جالبی از چرخش سوزن آهنربا به سمت جنوب اشاره کرد. در حالی که مستقیماً مسئول اختراع قطب نما نبود، مشاهدات او به درک گسترده تر مغناطیس کمک کرد.

ب مبتکران سلسله هان - در طول سلسله هان (206 قبل از میلاد - 220 پس از میلاد)، دانشمندان و مخترعان چینی پیشرفت های قابل توجهی در توسعه قطب نما کردند. امپراتور وو، در سال 121 قبل از میلاد، محقق برجسته ای به نام وانگ مانگ را مأمور ساخت یک ارابه اشاره گر جنوبی کرد که برای ناوبری بر مغناطیس متکی بود. این کاربرد اولیه مغناطیس درک اصولی را نشان داد که بعدها اساس قطب نما را تشکیل دادند.

ج. شن کو – شن کو، یک مرد چند ساله در دوران سلسله سونگ (960-1279 پس از میلاد)، سهم قابل توجهی در زمینه توسعه قطب نما داشت. او در کتاب خود با عنوان «مقالات استخر رویا»، طراحی بهبود یافته ای را برای قطب نما با استفاده از یک سوزن مغناطیسی در یک کاسه آب شناور توصیف کرد. این نوآوری پایداری سوزن قطب نما را افزایش داد و جهت گیری ثابت آن را تضمین کرد و آن را برای اهداف ناوبری قابل اعتمادتر کرد.

2. علمای اسلام و قطب نما 

تأثیر علمای اسلامی در توسعه قطب نما را نمی توان نادیده گرفت. در طول عصر طلایی اسلامی (قرن 8 تا 14 میلادی)، دانشمندان جهان اسلام پیشرفت‌های چشمگیری داشتند. برخی از چهره های تأثیرگذار عبارتند از:

آ. المسعودی – مسعودی که اغلب با نام «هرودوت اعراب» شناخته می‌شود، جغرافی‌دان، مورخ و جهانگرد عرب بود که در مورد مشاهدات و اکتشافات خود مطالب فراوانی نوشت. او در سفرهای خود با قطب نما روبرو شد و مفید بودن آن را در جهت یابی توصیف کرد. آثار او به گسترش دانش قطب نما در خارج از چین کمک کرد و آن را به جهان اسلام و اروپا معرفی کرد.

ب الکندی - الکندی، فیلسوف، ریاضیدان و دانشمند عرب، کمک های قابل توجهی در توسعه قطب نما کرد. او با مواد مختلف آزمایش کرد و خواص مغناطیسی آهنربا و پایداری سوزن قطب نما را افزایش داد. آزمایشات او راه را برای قطب نماهای دقیق تر و قابل اعتمادتر هموار کرد.

ج. ابن مجید – ابن مجید، دریانورد و نقشه‌بردار عرب، یکی از تأثیرگذارترین شخصیت‌های علوم دریانوردی در قرن پانزدهم بود. دانش دقیق او از کاربرد و کاربرد عملی قطب نما، ملوانان را در مسیرهای تجاری مختلف در اقیانوس هند و دریای سرخ راهنمایی کرد. ابن مجید فنون دریانوردی خود را در کتاب معروف «کتاب الفوائد فی اصول البحر و القوائد» (کتاب اطلاعات مفید در اصول و قواعد دریانوردی و دریانوردی) مستند کرده است.

3. کاشفان و مبتکران اروپایی 

در طول عصر اکتشاف، کاوشگران اروپایی برای شروع سفرهای دریایی به مناطق ناشناخته به شدت به فناوری قطب نما متکی بودند. در این دوره کاوشگران و دریانوردان زیادی در توسعه قطب نما مشارکت داشتند:

آ. الکساندر نکام - الکساندر نکام، دانشمند و معلم انگلیسی، سهم قابل توجهی در پیشرفت قطب نما در طول قرن دوازدهم داشت. نوشته‌های او، مانند «De utensilibus» (درباره ابزارها) استفاده از قطب‌نما را در ناوبری دریایی شرح می‌دهد. اعتقاد بر این است که آموزه‌های نکام بر کاشفان برجسته‌ای مانند کریستف کلمب و هنری دریانورد تأثیر گذاشته است.

ب مارتین بهایم – مارتین بهایم، جغرافیدان و ستاره شناس آلمانی، بیشتر به خاطر خلق اولین کره زمین شناخته شده در سال 1492 شناخته شده است. کره بهایم، به نام Erdapfel، دارای گل رز قطب نما و نقاط قطب نما بود که اهمیت ناوبری قطب نما در دریا را نشان می داد. اکتشافات

ج. کریستف کلمب - کریستف کلمب، کاشف نمادین ایتالیایی، در طول سفرهای خود به دنیای جدید، به شدت به ناوبری قطب نما متکی بود. او از خوانش قطب نما برای تعیین عرض جغرافیایی استفاده کرد و برای اطمینان از ناوبری دقیق در اقیانوس های وسیع، بر جهت گیری پایدار آن تکیه کرد. 

نتیجه گیری 

توسعه قطب نما مستلزم مشارکت چهره های مهم متعدد از فرهنگ ها و دوره های زمانی مختلف بود. از ناظران چینی باستان گرفته تا دانشمندان اسلامی و کاشفان اروپایی، هر کدام نقش مهمی در بهبود عملکرد، پایداری و سازگاری قطب نما با ناوبری داشتند. طراحی و استفاده در حال تکامل قطب نما، جهان را متحول کرد و امکان اکتشاف کارآمدتر، تسهیل تجارت و کمک به ساختن امپراتوری های وسیع را فراهم کرد. امروزه قطب نما همچنان یک ابزار ضروری است و به عنوان یادآور سفر قابل توجهی که انجام داده است، به لطف افراد قابل توجهی که تخصص و دانش خود را برای پیشرفت آن اختصاص داده اند، عمل می کند.