قطب نما؛ جهت یابی با میدان مغناطیسی زمین

امروزه با پیشرفت علم و تکنولوژی و اختراع قطب نما، می‌توان به‌راحتی مسیر درست را برای رسیدن به مقصد پیدا کرد؛ فارغ از اینکه آسمان ابری یا صاف یا چه ساعتی از شبانه‌‌روز است. بنابر اعلام نشریه علمی جهان شیمی فیزیک، قطب نما یکی از مهم‌ترین اختراعات بشر به شمار می‌رود که امکان حفظ مسیر درست را تا رسیدن به مقصد، به‌خصوص در سفرهای هوایی و طولانی، به‌راحتی فراهم می‌کند. از انواع قطب نما می‌توان به قطب نمای مغناطیسی، قطب نمای دیجیتالی، قطب نمای خورشیدی و قطب نمای طبیعی اشاره کرد که برای آشنایی بهتر با آن‌ها و نحوه کارکردشان نباید ادامه این مقاله را از دست بدهید.

هرآنچه باید درباره قطب نما بدانید:

قطب نما (Compass) ابزاری ساده برای نمایش جهت و جهت‌یابی، به‌خصوص در سیستم ناوبریاست. هسته زمین از دو بخش درونی و بیرونی تشکیل می‌شود. بخش درونی به‌دلیل فشار زیاد، جامد و بخش بیرونی مایع است. هسته زمین موجب شکل‌گیری میدان مغناطیسی و قطب‌های مغناطیسی کره زمین (شمال و جنوب) می‌شود؛ زیرا بیشتر آن از آهن و بقیه از نیکل تشکیل شده است. قطب نما نیز با تشخیص میدان مغناطیسی طبیعی زمین کار می‌کند.

سوزن قطب نما از آهن‌ربا ساخته شده است؛ سوزنی که می‌چرخد و جهت قطب شمال زمین را نشان می‌دهد. منطق و علت کار کردن قطب نما خاصیت مغناطیسی یا آهن‌ربایی سوزن آن است؛ زیرا میدان مغناطیسی زمین به سوزنی که از جنس آهن‌ربا است، نیرو وارد می‌کند و باعث چرخش آن می‌شود.

منبع عکس: Dalvey، عکاس: نامشخص

ممکن است طرح قطب نماها با هم متفاوت باشند؛ ولی تمامی آن‌ها دارایسوزن مغناطیسی هستند که خود را در میدان مغناطیسی موجود در زمین هم‌سو و هم‌راستا می‌کند.

صفحه اصلی قطب نما دارای اجزای زیر است:

• صفحه پایه: صفحه‌ پلاستیکی شفافی است که قطب نما روی آن قرار گرفته است.
• عقربه مغناطیسی: روی محوری در مرکز صفحه قطب نما قرار گرفته و از جنس فلزات مغناطیسی است. یک سمت این عقربه جهت شمال و دیگری به جنوب اشاره می‌کند. عقربه مغناطیسی دو رنگ است؛ معمولا رنگ قرمز جهت شمال و رنگ سیاه یا سفید جهت جنوب را نشان می‌دهد.
• پیکان جهت حرکت: پیکانی در صفحه اصلی قطب نما است که نشانگر جهت قطب نما است.
• محفظه قطب نما: قوطی پلاستیکی شفاف و روشنی است که سوزن قطب نمای مغناطیسی در آن قرار دارد.
• صفحه مدرج: صفحه‌ای مدرج و دایره‌ای‌شکل است که تمامی درجات دایره مثلثاتی را نشان می‌دهد.
• پیکان جهت‌دار: این پیکانغیرمغناطیسیاست و درون محفظه قطب نما قرار دارد.
• خطوط جهت‌دهی:خطوطی در داخل محفظه قطب نما هستند که به موازات پیکان جهت‌دار قرار می‌گیرند.

منبع عکس: Greenbelly، عکاس: نامشخص

همه قطب‌ نماها صفحه‌ای دارند که جهات شمال، جنوب، شرق و غرب با حروف اختصاری در آن‌ها نشان داده شده است. حرف «N» جهت شمال (North)، «S» جهت جنوب (South)، «E» جهت شرق (East) و «W» جهت غرب (West) را نشان می‌دهد.

در صفحه نمایش قطب نماها علاوه بر جهات جغرافیایی، علامت‌هایی نیز برای تعیین زاویه بر حسب درجه، در جهت عقربه‌های ساعت وجود دارد؛ جهت شمال «صفر درجه»، شرق «۹۰ درجه»، جنوب «۱۸۰ درجه» و غرب «۲۷۰ درجه» است. این اعداد به قطب نما اجازه می‌دهند تا جهت مغناطیسی شمال واقعی را نشان دهد.

شاید برایتان جالب باشد که بدانید شمال مغناطیسی با شمال واقعی تفاوت دارد و محور مغناطیسی زمین با محور چرخش زمین (محور جغرافیایی) موازی نیست. دوران زمین، حول دو قطب شمال جغرافیایی و قطب جنوب است. قطب شمال جغرافیایی و قطب جنوب مناطقی در مقابل یکدیگر هستند که نصف‌النهارها در آن‌ها به‌هم می‌رسند. قطب شمال در میان اقیانوس اطلس قرار دارد و قطب جنوب روی سرزمین قاره‌ای به نام جنوبگان واقع شده است.

منبع عکس: Fermi.gsfc.nasa، عکاس: نامشخص

به تفاوت بین شمال جغرافیایی و شمال مغناطیسی، زاویه میل مغناطیسی یا «وردش مغناطیسی» (Magnetic declination) می‌گویند؛ خطایی که به‌دلیل جنس فلزی عقربه‌های قطب نما پدید می‌آید. شمال مغناطیسی در شمالی‌ترین نقطه کانادا واقع شده است و در سال‌های اخیر (۲۰۲۳) به‌سرعت در حال حرکت به‌سمت سیبری است. در واقع از سال ۲۰۲۰ میلادی، قطب شمال مغناطیسی، هر سال با سرعت میانگین ۴۳ کیلومتر جابه‌جا می‌شود.

تغییرات زاویه میل مغناطیسی به محلی بستگی دارد که از قطب‌ نما در آن استفاده می‌کنید؛ به‌علاوه مواردی چون زمان (سال و روز)، ناهنجاری‌های مغناطیسی محلی، ارتفاع و فعالیت‌های مغناطیسی خورشید در آن موثر است.

کاربران قطب‌ نما می‌توانند با استفاده از جدول کالیبره محلی، میل مغناطیسی را تصحیح کنند و در جهت درست قرار بگیرند. نکته مهم دیگر این است که شمال مغناطیسی هر سال کیلومترها تغییر می‌کند؛ پدیده‌ای که به «تئوری انتقال قطبی» مشهور است. در حال حاضر برای اینکه جهت شمال واقعی، به‌ویژه در کشتی‌ها به‌صورت صحیح و بدون خطا مشخص شود، از قطب‌ نماهای پیشرفته‌تری مانند قطب نمای ژیروسکوپی استفاده می‌کنند.

منابع عکس‌ها: Unsplash، عکاس: نامشخص

مرحله اول: قطب‌ نما را از هر چیزی که باعث انحراف عقربه آن می‌شود، دور نگه دارید؛ به‌طور مثال خطوط تلفن و اشیای آهنی و موارد ذکر شده در فهرست زیر، باعث اختلال در عملکرد قطب نما می‌شوند.

حداقل فاصله مورد نیاز قطب نما از اشیای مختلف:

• خطوط برق فشار قوی: ۵۵ متر
• کامیون و اتومبیل: ۱۰ متر
• خطوط تلفن: ۱۰ متر
• ابزار الکتریکی و مکانیکی: دو متر
• کلاهک‌ها و اشیای کوچک فلزی: ۲٫۱ متر

مرحله دوم: مکانی که در آن حضور دارید را بررسی کنید و در حالی که به سوزن مغناطیسی نگاه می‌کنید، قطب نما را کف دست قرار دهید. شما باید چرخش سوزن را مشاهده کنید؛ در غیر‌این‌صورت جهت ایستادن خود را تغییر دهید؛ زیرا سوزن مغناطیسی زمانی که شما به‌سمت شمال ایستاده باشید، نمی‌چرخد. صفحه مدرج را بچرخانید تا هم‌تراز با سوزن مغناطیسی شود. بعد از آن پیکان جهت‌دار را کنترل کنید؛ جهتی که به شما نشان می‌دهد به‌سمت روبه‌رو خواهد بود؛ ولی اگر پیکان جهت‌دار بین «S» (جنوب) و «E» (شرق) قرار داشت؛ یعنی شما رو به جنوب شرقی قرار دارید.

منبع عکس: Greenbally، عکاس: نامشخص

مرحله سوم: در این مرحله ابتدا نقشه مورد نظر را روی سطح صاف مانند میز پهن کنید و قطب نما را نیز روی نقشه به‌صورت ثابت بگذارید. تراز شدن پیکان جهت‌دار قطب نما با نقشه در این مرحله مهم است و مهم‌تر این است که جهت شمال را روی نقشه پیدا کرده باشید؛ در این‌صورت از حرکت پیکان جهت‌دار به‌سمت شمال مطمئن خواهید شد. در نظر داشته باشید که در بیشتر نقشه‌ها، جهت شمال در بالا قرار گرفته است.

مرحله چهارم: در این مرحله باید مقصد را روی نقشه مشخص کنید و قطب نما را هم در جهتی قرار دهید که پیکان جهت‌دار آن در مسیر قرار بگیرد و به نقطه‌ مقصد اشاره داشته باشد. در اینجا باید خطوط تنظیم جهت و پیکان جهت‌دار، با خطوط نصف‌النهاری نقشه در یک راستا قرار گرفته باشند؛ اگر چنین نبود محفظه قطب نما را به‌آرامی بچرخانید تا هم‌راستا شوند.

مرحله پنجم: نوبت به این مرحله رسیده است که قطب نما را از روی نقشه بردارید و در حالت ایستاده و به‌صورت افقی، آن را جلوی بدن خود نگه دارید؛ سپس بدن را تا جایی حرکت دهید تا انتهای شمالی عقربه مغناطیسی مانند پیکان جهت‌دار روی قطب نما شود. شما با دنبال کردن پیکان، به‌سمت مقصد راهنمایی خواهید شد.

مرحله ششم: برای جلوگیری از منحرف شدن و برای اینکه مطمئن باشید در حال طی کردن مسیر درست هستید، سعی کنید عمل مرحله قبل را در طول مسیر چندبار دیگر تکرار کنید. این تاییدیه گرفتن‌های مداوم مخصوصا در مناطق جنگلی یا دارای اختلاف ارتفاع، از اهمیت زیادی برخوردار است.

منبع عکس: Atacg، عکاس: نامشخص

• قطب نما، مانند هر وسیله ارزشمند و حساس دیگر باید از دسترس کودکان دور نگه داشته شود تا صدمه فیزیکی، مخصوصا به قسمت شیشه قطب نما وارد نشود.
• از افتادن قطب نما به داخل آب جلوگیری شود.
• تمامی قطب نماها دارای ضامنی هستند که حرکت عقربه را قفل می‌کند و مانع از حرکت زیاد عقربه می‌شود. در زمان‌هایی که با قطب نما کاری ندارید، ضامن را در حالت قفل قرار دهید.
• سعی بر این باشد تا قطب نما از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی دور باشد؛ در غیر این صورت قطب نما به‌مرور ضعیف می‌شود، خاصیت آهن‌ربایی آن از بین می‌رود و قطب‌هایش به حالت معکوس درمی‌آید.
• بیشترین صدمه را آهن‌ربا به قطب نما وارد می‌کند. هرگز آهن‌ربا و قطب نما را کنار هم نگذارید؛ در صورت عدم رعایت، ممکن است قطب نما خاصیت خود را از دست دهد و عملکرد عقربه و قطب‌ها معکوس شود. در شرایط بدتر نیز ممکن است عقربه از جای خود کنده و شیشه روی صفحه هم شکسته شود.

قدیمی‌ترین و آشناترین نوع قطب نما، قطب نمای مغناطیسی است. تمامی آن‌ها دارای سوزن مغناطیسی و همچنین صفحه‌ای مدرج هستند که جهات جغرافیایی رویشان درج شده است. در این نوع، میدان مغناطیسی زمین روی سوزن قطب نما نیرو وارد می‌کند و گشتاور حاصل از نیرو، باعث چرخش سوزن می‌شود. در این حالت است که وقتی قطب نما در یک سطح صاف قرار بگیرد سوزن آن می‌چرخد، پس از چند ثانیه نوسان، ثابت می‌شود و جهت شمال را نشان می‌دهد.

منبع عکس: Greenbally، عکاس: نامشخص

سوزن قطب نمای مغناطیسی، قطب شمال مغناطیسی را نشان می‌دهد؛ درصورتی‌که ملاک جهت‌یابی در مسیر درست، جهت شمال جغرافیایی است. همچنین این قطب نما نسبت به میدان‌های مغناطیسی زمین دارای حساسیت است و نمی‌تواند در این مناطق جهت صحیح را نشان دهد و قطعا نتیجه اشتباه خواهد بود؛ البته این مشکل در بعضی از قطب نماهای مغناطیسی وجود ندارد و عقربه آن‌ها، نشان‌دهنده جهت‌های واقعی هستند؛ به‌دلیل اینکه ابزاری برای جبران کاهش افت مغناطیسی دارند.

از قطب نمای مغناطیسی در نقشه‌برداری و جهت‌یابی استفاده می‌شود. این ابزار با اشکال و کاربری‌های مختلف در هواپیما‌ها، کشتی‌ها، وسایل نقلیه زمینی، امور نقشه‌برداری و همچنین استفاده گردشگران کاربرد دارد.

منبع عکس: Britannica، عکاس: نامشخص

انواع دیگر قطب نمای مغناطیسی شامل قطب نمای نظامی، قطب نمای هوانوردی، قطب نمای دریانوردی و قطب نما یا جهت‌یاب لیزری می‌شود که جزو دسته قطب نماهای حرفه‌ای قرار می‌گیرند و مخصوص عملیات‌هایی با حساسیت و دقت بیشتر هستند. این قطب نماها همچنین به نسبت بقیه مدل‌ها برتری‌هایی دارند که شامل بدنه‌‌ای قوی‌تر، سوزن مغناطیسی محکم‌تر، درجه‌بندی دقیق‌تر و پیشرفته‌تر و ضد آب می‌شوند. قطب نمای خانگی هم نوع دیگری از قطب نمای مغناطیسی به حساب می‌آید.

قطب نمای ژیروسکوپ شامل چرخی دوار و پر سرعت (روتور) است که بر محور حلقه‌های نگهدارنده بیرونی، به‌صورت عمود و آزادانه در یک یا چند راستا می‌چرخد. گردش چرخ سرعتی معادل ۳,۰۰۰ تا ۳۰۰,۰۰۰ دور در دقیقه دارد. از این قطب نما علاوه بر جهت‌‌یابی در تعیین شیب، زاویه، خط افق و اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای نیز استفاده می‌شود و این قابلیت را نیز دارد تا سرعت چرخش را در یک، دو یا سه جهت اندازه‌گیری کند.

قطب نمای ژیروسکوپ برخلاف قطب نماهای مغناطیسی، دارای حساسیت کمتری نسبت به میدان‌های مغناطیسی هستند و همچنین برای نشان دادن جهت صحیح به میدان مغناطیسی زمین احتیاجی ندارد؛ در نتیجه می‌توان گفت به نسبت قطب نماهای مغناطیسی دو مزیت دارند:

• قطب نمای ژیروسکوپی می‌تواند به‌طور یقین جهت شمال جغرافیایی را نشان دهد و دقت بالایی نیز دارد.
• از آنجایی که قطب نمای ژیروسکوپ به میدان‌های مغناطیسی زمین حساسیتی ندارد، در کشتی، هواپیما و وسایلی از این قبیل دچار مشکل جهت‌یابی نخواهد شد. اگر این قطب نما یک‌بار با دقت تنظیم شود، تا وقتی موتور آن در حال حرکت است، جهت را حفظ می‌کند و با هر حرکتی جهت خود را تغییر نمی‌دهد.

منبع عکس: wikimedia، عکاس: Lucas Vieira

ژیروسکوپ‌ها در انواع دی‌تی‌جی (DTG)، لیزری، فیبر نوری و دیاپازونی وجود دارند.

موارد استفاده از قطب نما و سنسور ژیروسکوپ:

• کنسول‌های بازی و گوشی‌های هوشمند
• معدن‌کاری تونل‌ها
• موشک‌های بالستیک
• هواپیماها
• کنترل، حفظ و تعادل ربات‌ها و ماشین‌ها
• شبیه‌سازی حرکت انسان در ربات‌ها
• ثابت نگه داشتن ماشین آلات و اجسام
• اتوپایلت در هواپیماها و تمامی بالگردها
• امنیت در خودرو
• دیگر بخش‌های مختلف صنعت

قطب نمای دیجیتالی با کمک آهن‌ربای مغناطیسی تمامی اطلاعات را به‌صورت دیجیتال روی صفحه نمایشگر دستگاه مورد نظر به نمایش در می‌آورد. این نوع قطب نما معمولا در دستگاه‌هایی نظیر گوشی تلفن همراه، تبلت، دستگاه دیجیتالی و از این قبیل ابزارها وجود دارد. در این دستگاه‌ها، جهت مغناطیسی توسط سنسوری به نام «مگنتومتر» (Magnetometer) تجزیه، تحلیل و اندازه‌گیری می‌شود. برای استفاده از این قابلیت، باید ابتدا سنسور مغناطیسی دستگاه مربوطه را کالیبره و بعد از آن نرم‌افزار قطب نما را نصب کنید.

از قطب‌ نما یا گیرنده‌های جی‌پی‌اس (GPS) نیز می‌توان برای پیدا کردن جهت قطب‌های واقعی زمین یا قطب‌های جغرافیایی و بسیاری اطلاعات دیگر استفاده کرد. اگر حداقل دو آنتن گیرنده به‌صورت جدا از هم نصب شوند، با در دست داشتن موقعیت دقیق این آنتن‌ها، می‌توان جهت قطب شمال را با دقت زیادی به‌دست آورد. همچنین از گیرنده‌های کوچک و قابل حمل GPS که دارای فقط یک آنتن هستند نیز می‌توان جهت قطب را پیدا کرد؛ ولی گیرنده باید در حال حرکت باشد تا موقعیت فعلی را با موقعیت چند ثانیه پیش مقایسه کند و بتواند جهت قطب شمال را مشخص کند.

قطب نمای جامد در گوشی‌های موبایل، تجهیزات الکترونیکی کوچک و ساعت‌های هوشمند به کار می‌رود. این قطب نما از دو یا سه سنسور میدان مغناطیسی ساخته شده‌ است که میدان مغناطیسی زمین را حس و با توجه به آن، جهت قطب‌های مغناطیسی را مشخص می‌کنند. این قطب نما بر اساس جهت‌گیری که انجام می‌دهد سیگنال آنالوگ یا دیجیتال تولید می‌کند؛ سپس به‌وسیله ریزپردازنده بررسی و خوانده می‌شود و به‌صورت داخلی یا به‌صورت ارسال به نمایشگر، عملیات خود را انجام می‌دهد.

قطب نمای انگشت شستی در اواسط دهه ۱۹۸۰ میلادی با تغییراتی طراحی شد که برای ایجاد اتصال به انگشت شست داشت کاربران این نوع قطب نما بیشتر افرادی هستند که به پیاده‌روی‌ علاقه‌مند هستند. قطب نمای انگشت شستی در انگشت شست دست چپ قرار می‌گیرد و می‌توان هم‌زمان از نقشه و قطب نما استفاده کرد؛ البته ممکن است این دستگاه هنگام دویدن عملکرد خوبی نداشته باشد.

منبع عکس: Snond، عکاس: نامشخص

قطب نمای خورشیدی، از کارت قطب نما و زاویه نور و سایه خورشید برای جهت‌یابی استفاده می‌کند. ساعت آنالوگ یکی از انواع قطب نمای خورشیدی است که با استفاده از عقربه‌های ساعت و موقعیت خورشید می‌تواند جهت شمال یا جنوب را مشخص کند.برای این جهت‌یابی لازم است ساعت را به موازات زمین و در دست خود نگه دارید و عقربه ساعت را به‌سمت خورشید بگیرید؛ زاویه بین عقربه ساعت و علامت ساعت ۱۲ را در نظر داشته باشید؛این خط شمال به جنوب است. در نیم‌کره شمالی، شمال جهت دورتر از خورشید و در نیکره جنوبی، شمال جهت نزدیک‌تر به خورشید خواهد بود.

شایان ذکراست اگر دسترسی به کارت قطب نما وجود نداشته باشد، روش‌ دیگری هم می‌توان به‌کار گرفت تا از خورشید به‌عنوان قطب نما، استفاده کرد. این روش به چوب سایه معروف است؛به این ترتیب که چوبی را به‌صورت عمودی در زمین فرو می‌برید و در اطراف نیز سنگ‌های کوچک و همچنین رشته نخی برای ردیابی سایه خورشید در آسمان قرار می‌دهید تا جهت شرق و غرب مشخص شود.

منبع عکس: Amazon، عکاس: نامشخص

در بدن انسان و برخی جانوران گیرنده‌هایی مبنی بر حس کردن یا دیدن میدان مغناطیسی وجود دارد. این حس با نام «حس مغناطیسی» شناخته می‌شود و در اصطلاح نیز به آن قطب نمای طبیعی می‌گویند. از چند دهه پیش در این زمینه که بعضی جانوران تمایل به هماهنگ کردن بدنشان با قطب شمال و جنوب مغناطیسی داشته‌اند، مشاهداتی صورت گرفته است؛ ولی دانشمندان برای این توانایی که در بدن بیشتر جانوران از باکتری تا مهره‌داران صورت می گیرد، هیچ توضیحی و علتی پیدا نکردند.

دانشمندان همچنین تلاش می‌کنند تا حس مغناطیسی در انسان‌ها را نیز نشان دهند. آن‌ها بر این عقیده هستند که سلول های بدن انسان به میدان‌های مغناطیسی واکنش نشان می‌دهند؛ به‌علاوه آن‌ها متوجه شدند شبکیه چشم انسان احتمالا دارای کریپتوکروم (Cryptochrome) است که به میدان مغناطیسی حساس می‌شود و حتی ممکن است امواج مغزی انسان به‌واسطه همین موضوع تغییر کند.

• زنبورها در شکم خود حلقه‌ای از گرانول‌های مگنتیت دارند که مانند قطب نمای طبیعی عمل می‌کند و باعث می‌شود در طول پرواز از کندو فاصله نگیرند.
• چشم بعضی گربه‌ها دارای رنگدانه‌ کریپتوکروم است که با نور آبی‌رنگ به‌وسیله مکانیزم کوانتومی حساس به مغناطیس، فعال می‌شود. گمان می‌رود این‌گونه از گربه‌ها قادر هستند میدان مغناطیسی زمین را به‌شکل نواری آبی‌رنگ ببینند.
• در منقار تعدادی از پرندگان ذرات مغناطیسی مشاهده شده است.

منبع عکس: Illinoisscience، عکاس: نامشخص

تاریخچه اولین قبله نماها به قرن هجدهم میلادی برمی‌گردد. قبله نما نوعی قطب نما است که به‌طور معمول، مسلمانان برای تشخیص جهت کعبه به‌منظور اقامه نماز از آن استفاده می‌کنند.

عقربه یا سوزن قبله نما نیز مانند دیگر قطب نماها جهت شمال را نشان می‌دهد و دارای جهات اصلی شمال، جنوب، شرق و غرب است؛اما در محیط صفحه، به‌جای جهت‌های زیرمجموعه، نام شهرهای اسلامی مهم آمده است و به کاربر این امکان را می‌دهد که بنا بر محل زندگی خود جهت صحیح قبله را تشخیص دهد.

منبع عکس: Minimuslims، عکاس: نامشخص

برای تشخیص و تعیین جهت قبله، ابتدا جهت و ترجیحا مختصات (طول و عرض جغرافیایی) شهر مکه و محل اقامت خود را مشخص کنید؛ سپس قبله نما را روی سطح صاف بگذارید و منتظر بمانید تا عقربه بچرخد و در جهت شهر مکه قرار بگیرد. قبله برای شما مشخص شده است.

اجزای تشکیل‌دهنده قبله نما شامل جعبه‌ای برنجی گرد با درب لولایی و دایره باز برای نشان دادن جهت شمال است. حلقه‌ای برنجی هم روی لبه قطب نما وجود دارد که با حروف ابجد شماره گذاری شده است تا جهت صحیح قبله را به کاربر نمایش دهد. در نوع امروزی،قبله نما دارای صفحه دیجیتالی و هوشمند است که قابلیت شمارش دعا و صلوات نیز به آن اضافه شده است.

نحوه ساخت قطب نمای خانگی

برای ساخت قطب نمای خانگی به وسایل زیر نیاز دارید:

• سوزن خیاطی
• آهن‌ربا
• چوب‌پنبه
• یک کاسه متوسط یا بزرگ
• آب
• انبردست

در اولین مرحله که تقریبا مهم‌ترین مرحله است، به کمک آهن‌ربا سوزن خیاطی را مغناطیسی کنید. برای این کار طول سوزن باید حدود ۵۰ بار از سمت بالا به پایین با آهن‌ربا لمس شود؛ اما نباید این لمس کردن به‌صورت رفت‌و‌برگشتی باشد؛ برای این کار، سوزن را پس از یک‌بار لمس رها کنید و دوباره این عمل را انجام دهید. لازم به یادآوری است این تعداد به‌نسبت قوی و ضعیف بودن آهن‌ربا، می‌تواند کم یا زیاد شود. به‌جهتی که آهن‌ربا و سوزن را لمس کردید، دقت کنید و سپس به مرحله بعد بروید.

منبع عکس: Seahistory، عکاس: نامشخص

در مرحله دوم، نکات و مرحله اول را برای قسمتی دیگری از سوزن انجام دهید که در مرحله قبل این روند روی آن انجام نشده باشد.

در مرحله سوم، چوب‌پنبه را تا ضخامت یک تا دو سانتی‌متر برش دهید و سوزن را با دقت بسیار بالایی وارد چوب پنبه کنید. برای دقت بیشتر در این‌کار بهتر است از انبردست استفاده کنید تا سوزن به‌طور کامل و دقیق در وسط چوب‌پنبه قرار گیرد.

در مرحله چهارم، آب را داخل کاسه بریزید، چوب‌پنبه و سوزن درون آن را داخل آب بگذارید و نحوه حرکت آن را بررسی و کنترل کنید؛ به‌طور معمول سوزن باید به‌گونه‌ای تنظیم شود که به‌سمت شمال باشد.

قطب نمای مغناطیسی برای جهت‌یابی، از سوزن یا صفحه مدرج مغناطیسی شده، در داخل کپسول پرشده از مایع استفاده می‌کند. از جمله مایعاتی که در داخل قطب نمای مغناطیسی به کار رفته‌اند می‌توان به روغن لامپ، روغن معدنی (انواع مخلوط بی‌بو، بی‌رنگ و سبک از آلکان‌های آلی از یک منبع معدنی؛ به‌خصوص از تقطیر نفت)، الکل سفید، نفت سفید خالص یا الکل اتیلیک اشاره کرد.

مایع داخل قطب نما معمولا باعث کاهش اصطکاک بین محور و سوزن می‌شود و به حرکت آزادانه سوزن کمک می‌کند؛ به‌علاوه، در دقت قطب نما نیز موثر است؛ به این دلیل که از حرکت اضافه، نامنظم و نوسان سوزن جلوگیری می‌کند. مایع داخل قطب نما همچنین سبب کاهش سرعت حرکت سوزن می‌شود؛ با کاهش سرعت حرکت سوزن، کاربر مطمئن می‌شود که به‌طور صحیح و دقیق به‌سمت قطب شمال مغناطیسی قرار گرفته است.

قطب‌ نما از کلمات لاتین (com) به‌ معنای «باهم» و (passus) به‌ معنای «قدم یا گام» ترکیب شده است. با هم در کلمه قطب‌ نما به‌ معنای با هم سفر کردن یا با هم قدم گذاشتن می‌شود؛ به همین خاطر، قطب نما به نماد سفر تبدیل شده است.

قطب‌ نما نشان‌دهنده سفر ایمن است و برای نشان دادن راه و جهت صحیح کاربرد دارد. ممکن است طرز کار با آن را ندانید؛ اما زمانی که به آن آشنا باشید سفر کردن به جاهای بکر و بدون راهنما، می‌تواند علاوه بر امنیت و ایمنی، تجربه لذت بخشی را رقم بزند. این ابزار همچنین نشان‌دهنده نماد تعادل است. با قرار گرفتن آهنربای آن روی نقطه محور، سوزن قطب نما آزادانه حرکت می‌کند و پس از تکان و چرخش‌های پی‌درپی، در نهایت خود را متعادل می‌کند تا به جهت درست اشاره داشته باشد. این نشان می‌دهد که برای یافتن مسیر درست، نیاز به تعادل و هماهنگی است.

منبع عکس: Cartographyassets، عکاس: نامشخص

همسو شدن قطب نماها با میدان مغناطیسی زمین باعث عملکرد صحیح آن‌ها می‌شود. میدان مغناطیسی زمین نیز از حرکت مایع مذاب در هسته زمین ایجاد می‌شود و در نهایت جریان الکتریکی تولید می‌کند که این جریان از هسته تا سطح زمین امتداد پیدا خواهد کرد. وقتی قطب نما به‌صورت افقی نگه داشته شود، سوزن مغناطیسی شده داخل آن، خود را با خطوط مغناطیسی زمین در یک راستا قرار می‌دهد و یک سر عقربه، قطب شمال مغناطیسی و سر دیگر آن نیز قطب جنوب مغناطیسی را نشان می‌دهد.

منبع عکس: Leevalley، عکاس: نامشخص

دانشمندان و مورخان اطلاعات دقیقی از زمان دقیق کشف اصول قطب نما ندارند؛ اطلاعات قابل استناد به شرح زیر است:

• ۲۰۰-۳۰۰ سال قبل از میلاد: اعتقاد بر این است که در این فواصل زمانی، جهت مغناطیسی توسط چینی‌ها اختراع شده است. اولین قطب نماها از سنگ لودستون (lodestone)، سنگ آهن مغناطیسی طبیعی، در چین سلسله هان (Han dynasty) ساخته شدند؛ قطب نمایی که آن را «ماهی اشاره‌گر جنوبی» (South Pointing Fish) می‌خواندند و تا اواسط قرن یازدهم میلادی در زمان حکومت سلسله سونگ (Song dynasty) برای جهت‌یابی در سفرهای زمینی استفاده می‌شد.
• قرن ۱۱ میلادی: «شن کوا» (Shen Kuo)، علامه چینی، دانشمند و سیاستمدار سلسله سونگ، اولین توصیف صریح از یک سوزن مغناطیسی را در سال ۱۰۸۸ میلادی ارائه و «ژو یو» (Zhu Yu) به استفاده از آن در ناوبری دریایی اشاره کرد.
• قرن ۱۲ میلادی: در این زمان، چین، اروپا و جهان عرب هرکدام به‌صورت مستقل اقدام به ساخت و به‌گونه‌ای اختراع قطب نما کردند که گفته می‌شود برای اولین بار قطعه سوزن قطب نما روی پین‌ها نصب شده بود.
• قرن ۱۳ میلادی: در این قرن قطب نماها دارای کارت‌هایی بودند که روی آن‌ها نقاط اصلی شامل جهت های اصلی شمال، جنوب، شرق، غرب و زیر مجموعه‌ها به‌صورت نقطه، علامت‌گذاری شده بود.
• قرن ۱۵ میلادی: کاوشگران و دریانوردان کشف کردند که شمال نشان داده شده توسط قطب نماها با شمال واقعی تفاوت دارد. بعدها دریانوردان و خلبانان این اختلاف را «انحراف مغناطیسی» نامیدند.
• قرن ۱۶ میلادی: در این زمان حرکت زیاد کشتی‌ها روی آب، مشکلاتی را برای فهمیدن جهت، روی قطب نماها به‌وجود آورد؛ بنابراین برای جلوگیری از نوسانات در سوزن مغناطیسی، قطب نما را در حلقه‌ای آویزان کردند تا متاثر از حرکت کشتی نباشد. (بقایای یکی از این‌گونه قطب نماها، در کشتی «ماری رز» (Mary Rose) شاه هنری هشتم پیدا شد که در سال ۱۵۴۵ میلادی غرق شده بود.)
• قرن ۱۷ میلادی: آقای «ویلیام گیلبرت» (William Gilbert)، پزشک، فیزیکدان و فیلسوف انگلیسی، مطالعه علمی خود را در خصوص مغناطیس، در کتاب مگنت‌ها منتشر کرد.
• قرن ۱۸ میلادی: تاریخچه پیدایش قطب نماهای ژیروسکوپ از اواسط تا اواخر سال ۱۸۰۰ بود. اولین مدل از این ابزار در سال ۱۸۵۲ توسط «ژان برنارد لئون فوکو» (Jean Bernard Leon Foucault)، فیزیکدان فرانسوی ساخته شد.

در سال ۱۸۸۰ میلادی، آقای «ویلیام تامسون» (William Thomson) مشهور به «لرد کلوین» (Lord Kelvin) ریاضی‌دان، فیزیک‌دان، مهندس و یکی از پیشگامان مهم علوم طبیعی، و آقای «آرتور کنستانتین کربس» (Arthur Constantin Krebs)، افسر و مهندس خودرو، توانستند ژیروسکوپی بسازند که قابلیت هدایت زیردریایی فرانسوی در یک خط مستقیم را داشت. (یکی از اولین نمونه‌های قابلیت اتوپایلوت دریایی بود.)

در سال ۱۸۸۵ کیلادی اولین حق اختراع قطب نمای ژیروسکوپ به آقای «مارینوس جراردوس ون دن بوس» (Marinus Gerardus van den Bos)، مخترع هلندی، داده شد؛ ولی طرح ارائه‌شده از سوی او برای استفاده در سیستم ناوبری عملیاتی نشد.

• قرن ۱۹ میلادی: در دهه ۱۹۰۰ آقایان «اتوره بلینی» (Ettore Bellini) و «الساندرو توسی» (Alessandro Tosi)، مهندسان ایتالیایی توانستند جهت رادیویی (RDF) را توسعه دهند.

بعد از عملیاتی نشدن طرح ژیروسکوپ آقای «مارینوس جراردوس ون دن بوس»، در سال ۱۹۰۶ میلادی، آقای «هرمان آنشوتز کامفیه» (Hermann Anschütz-Kaempfe)، دانشمند آلمانی، طرح یک قطب نمای ژیروسکوپ را ارائه کرد که پس از یک دوره آزمایشی، موفق بود و در سال ۱۹۰۸ توسط نیروی دریایی آلمان پذیرفته شد.

در سال ۱۹۱۱ آقای «المر امبروز اسپری» (Elmer Ambrose Sperry)، مخترع آمریکایی، قطب نمای ژیروسکوپی دیگری را به‌عنوان بنیان‌گذار شرکت اسپری ژیروسکوپ ارائه کرد و لقب «پدر فناوری ناوبری مدرن» را از آن خود کرد. قطب نماهای ساخته شده توسط این شرکت در طول جنگ جهانی اول روی تمامی کشتی‌های آمریکایی قرار گرفت و بسیاری از شرکت‌های کشتیرانی نیز شروع به استفاده از همین نوع را برای کشتی‌ها و زیردریایی‌هایشان کردند.

• در طول سال‌های ۱۹۰۰ تا ۱۹۲۰ میلادی قطب نماهای رادیویی یا جهت یاب‌های رادیویی (RDF) پیشرفته شدند.
• در سال ۱۹۱۳ میلادی به‌صورت رسمی فروش قطب نمای ژیروسکوپ در اروپا آغاز شد.
• در سال ۱۹۷۳ میلادی آمریکا پروژه ناوبری ماهواره‌ای «جی پی اس» (GPS)، را برای پیشرفته‌‌تر شدن جهت‌یابی در سیستم ناوبری ارائه کرد و به کار گرفت.

منبع عکس: Spectrum، عکاس: نامشخص

امروزه تعداد برنامه‌هایی که امکان استفاده از قطب نمای گوشی موبایل برای جهت‌یابی را فراهم آورده‌اند بسیار زیاد است. با اطلاع از این موضوع که بسیاری از گوشی‌های موبایل برنامه قطب‌نما را به‌صورت پیش‌فرض در اختیار کاربر قرار می‌دهند، در ادامه اسامی برخی از بهترین برنامه‌های قطب‌نما را آورده‌ایم:

• اپلیکیشن Commander Compass Go (سیستم‌عامل iOS)
• اپلیکیشن Compass (سیستم‌عامل اندروید)
• اپلیکیشن Spyglass (سیستم‌عامل iOS و اندروید)

یکی از بهترین نرم افزارهای قطب نما برای تلفن همراه اپلیکیشن Compass است که از مزایا و معایب آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

مزایا:

• برای محاسبه و تعیین شمال واقعی، جی‌پی‌اس یا مختصات موقعیت مکانی، شبکه را به کار می‌گیرد.
• برای به دست آوردن تداخل از شمال مغناطیسی پشتیبانی می‌کند و قدرت میدان مغناطیسی را نشان می‌دهد.
• قابلیت ذخیره کردن موقعیت و مختصات و به اشتراک‌گذاری آن را هم دارد.

معایب:

• در حین کالیبره کردن و کار با نرم‌افزار قطب نمای ساده حتما گوشی به‌صورت عمودی باشد؛ در غیر‌این‌صورت امکان مشاهده تمام جهت‌ها و نمادها میسر نیست.
• این برنامه قابلیت نصب روی سیستم عامل «iOS» را ندارد و همچنین به‌صورت مکرر باید کالیبره شود.

کالیبره نبودن قطب نمای گوشی موبایل می‌تواند شما را به‌سمت مقصد اشتباه هدایت کند. دقت قطب نمای دیجیتال گوشی‌های موبایل هوشمند نیز تحت‌تاثیر تداخلات مغناطیسی مختلفی قرار می‌گیرد و از حالت کالیبره خارج می‌شود. برای کالیبره کردن قطب نمای گوشی‌های موبایل امروزی معمولا با حرکت دادن گوشی به‌شکل هشت انگلیسی (8) در هوا این کار انجام خواهد شد. علاوه بر این، به تنظیمات گوشی خود مراجعه کنید و از بخش Location Services گزینه Compass Calibration را در حالت فعال قرار دهید.

منبع عکس: Compassmap.calmatics، عکاس: نامشخص

آیا تابه‌حال از قطب نما استفاه کرده‌اید؟ لطفا تجربه‌های خود را با ما و سایر خوانندگان محترم کجارودرمیان بگذارید.

منبع عکس کاور: Britannica، عکاس: نامشخص