Comment fonctionne une boussole ?

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Comment fonctionne une boussole ?

Qu'est-ce qu'une boussole ?

"... le fer, dont un riche minerai, placé dans un vaisseau sur l'eau, se dirige, par une propriété innée qui lui est propre, comme la pierre de charge, vers le Nord et le Sud, points sur lesquels il repose, et vers lesquels, s'il est détourné, il revient par sa propre vigueur inhérente." De Magnete (1600), William GilbertWilliam Gilbert boussoleComment utilise-t-on une boussole ?

Les boussoles que l'on achète sont un peu plus sophistiquées que les aiguilles flottantes, mais fonctionnent essentiellement de la même manière : elles possèdent une aiguille légère et magnétisée montée sur un pivot à très faible frottement qui est scellé à l'intérieur d'un petit cylindre en plastique rempli de liquide. L'aiguille est intégrée dans un rectangle de plastique appelé carte boussole, sur lequel sont imprimés les points cardinaux de la boussole (nord, sud, est et ouest) et les points intercardinaux (nord-est, nord-ouest, sud-est, sud-ouest). Pour utiliser une boussole comme celle-ci, il faut d'abord déterminer la direction du nord. On laisse l'aiguille se poser, puis on tourne la rose des vents de façon à ce que l'aiguille s'aligne sur l'axe nord-sud et que l'extrémité de l'aiguille colorée en rouge, marquée d'une flèche ou d'un \"N\" imprimé, pointe vers le nord. Vous pouvez alors voir instantanément quelle est la direction du sud, de l'est ou de l'ouest et (avec l'aide d'une carte) partir dans la direction souhaitée.

Comment fonctionnent les boussoles ?

Œuvre d'art : La Terre se comporte comme si elle possédait un aimant géant en forme de barreau. Mais l'aimant est à l'opposé de ce que l'on pourrait penser, son pôle sud étant proche du pôle nord (géographique) réel de la Terre et vice-versa. L'aiguille d'une boussole pointe vers le nord parce que le pôle nord de l'aimant qu'elle contient est attiré par le pôle sud de l'aimant intégré de la Terre. C'est déroutant, non ? Notez également que le pôle nord magnétique et le pôle nord réel ne coïncident pas exactement.

Le magnétisme est l'une des premières notions scientifiques que l'on apprend à l'école et la première chose que l'on découvre est que "les pôles semblables se repoussent, les pôles différents s'attirent". En d'autres termes, si vous tenez deux barreaux aimantés de façon à ce que leurs pôles nord se touchent presque, ils se repousseront l'un l'autre ; si vous tournez l'un des aimants de façon à ce que le pôle nord de l'un soit proche du pôle sud de l'autre, les aimants se rapprocheront. C'est tout ce qu'il y a à savoir sur une boussole : l'aiguille rouge d'une boussole (ou l'aiguille magnétisée de votre boussole artisanale) est un aimant et elle est attirée par le magnétisme de la Terre (parfois appelé champ géomagnétique, \"géo\" signifiant simplement Terre). Comme l'a expliqué le scientifique anglais William Gilbert il y a environ 400 ans, la Terre se comporte comme un aimant géant en forme de barre, avec un pôle en Arctique (près du pôle Nord) et un autre en Antarctique (près du pôle Sud). Si l'aiguille de votre boussole pointe vers le nord, cela signifie qu'elle est attirée (tirée) par quelque chose près du pôle nord de la Terre. Comme les pôles opposés s'attirent, la chose vers laquelle votre boussole est attirée doit être un pôle sud magnétique.

En d'autres termes, ce que nous appelons le pôle nord magnétique de la Terre est en fait le pôle sud de l'aimant à l'intérieur de la Terre. C'est une idée assez déroutante, mais elle prendra tout son sens si vous vous rappelez toujours que les pôles opposés s'attirent. Le champ magnétique de la Terre est en fait assez faible comparé aux forces \"macho\" comme la gravité et la friction qui dominent vraiment nos vies. Pour qu'une boussole puisse mettre en évidence les effets relativement faibles du magnétisme terrestre, nous devons minimiser les effets de ces autres forces. C'est pourquoi les aiguilles des boussoles sont légères (pour que la gravité ait moins d'effet sur elles) et montées sur des roulements sans frottement (pour que la force magnétique ait moins de résistance à surmonter). Liens sponsorisés

Pourquoi les boussoles peuvent être imprécises

Les boussoles sont très utiles, mais elles peuvent parfois nous égarer, à cause de deux problèmes bien différents appelés déclinaison (ou variation) et déviation. Voici pourquoi. L'œuvre d'art : Une carte complète des points cardinaux. N, S, E et W sont évidemment le Nord, le Sud, l'Est et l'Ouest, et B signifie "par", donc "NBE" signifie "Nord par l'Est" et "SWBS" signifie "Sud Ouest par le Sud".

Déclinaison (variation)

La Terre tourne autour d'un axe (une sorte de tige invisible) qui passe par le pôle nord (parfois appelé pôle nord géographique, au \"sommet\" de la planète) et le pôle sud (ou pôle sud géographique, au \"bas\" de la planète). Mais le champ magnétique de la Terre est un peu bancal et n'est pas tout à fait aligné avec son axe de rotation. Ainsi, le pôle nord magnétique (celui vers lequel pointe votre boussole) ne coïncide pas exactement avec le pôle nord réel (qui se trouve à plusieurs centaines de kilomètres) et il en va de même pour le pôle sud magnétique.

Dans la pratique, la différence entre le "nord vrai" et le "nord magnétique" est faible et, en général (lorsque vous vous déplacez avec une boussole et une carte), vous pouvez considérer le nord indiqué par la boussole comme s'il pointait vers le véritable pôle nord géographique.Si l'on veut être plus précis, la différence entre le "nord magnétique" et le "nord géographique" est un angle qui varie légèrement d'un endroit à l'autre (et d'une année à l'autre, car la position du nord magnétique de la Terre change constamment) et que l'on appelle la déclinaison ou variation.Lorsque la précision de la navigation est importante (par exemple, sur les navires), il faut tenir compte de la déclinaison et la corriger.

Déviation

Une boussole est conçue pour réagir au champ magnétique généré par la masse de roche chaude tourbillonnante située à des milliers de kilomètres à l'intérieur de la Terre, mais il se passe beaucoup d'autres choses, beaucoup plus proches de votre boussole, qui peuvent la dérégler. Si vous vous trouvez à l'intérieur d'un navire ou d'une voiture en fer, par exemple, tout ce métal peut faire une grande différence. La précision de la mesure d'une boussole dans une situation donnée s'appelle la déviation, c'est-à-dire l'angle entre l'endroit où la boussole pointerait si elle était parfaitement précise (nord magnétique) et l'endroit où elle pointe réellement. Si un aimant est présent à proximité, si vous vous trouvez près d'une partie particulièrement magnétique de la croûte terrestre ou si des courants électriques fluctuants génèrent des champs magnétiques, l'aiguille de votre boussole sera affectée et sa précision sera réduite. Les boussoles les plus sophistiquées sont équipées d'aimants de compensation ou de morceaux de fer que vous pouvez régler pour annuler les effets magnétiques locaux.John Wilkes Booth Photo : Une boussole fatidique : Voici la boussole que l'acteur John Wilkes Booth a utilisée pour naviguer sur le fleuve Potomac, alors qu'il s'échappait après avoir tué le président américain Abraham Lincoln en 1865.

Compas de navire

La déclinaison et la déviation n'ont pas tellement d'importance si vous êtes à pied avec une carte ou dans un avion ; en général, il y a d'autres choses que vous pouvez utiliser pour vous aider à trouver votre chemin et ce n'est guère catastrophique si vous prenez un ou deux mauvais virages. Sur un bateau, loin de la terre et par mauvais temps (on ne peut donc pas se diriger par le ciel), c'est une toute autre affaire. Avant l'apparition des progrès technologiques comme le GPS et le radar, la vie des gens dépendait de la précision de la navigation au compas. C'est pourquoi les boussoles de bateau (parfois appelées boussoles de marin) étaient beaucoup plus sophistiquées que celles que l'on utilisait généralement à terre. Dans une boussole de bateau moderne, la rose des vents est fixée à un flotteur sous lequel se trouvent plusieurs aiguilles magnétiques qui tournent librement dans un grand bol en verre rempli d'un mélange d'alcool et d'eau (pour minimiser les frottements et absorber les vibrations du bateau en mouvement). L'ensemble est monté sur des cardans (pivots) dans un support appelé binnacle afin de rester à l'horizontale même lorsque le navire tangue (se déplace de haut en bas) et roule (se balance d'un côté à l'autre) sur les vagues.

Autres types de boussoles

Gyrocompas

Si les compas magnétiques peuvent être difficiles à utiliser dans les navires, imaginez à quel point ils sont difficiles à utiliser dans les avions qui se déplacent rapidement. C'est pourquoi les avions (ainsi que les grands navires et certains véhicules terrestres) utilisent des gyrocompas. Contrairement au compas magnétique, qui pointe dans la même direction en raison de l'attraction magnétique, le gyrocompas utilise un gyroscope - une roue à rotation rapide, montée sur des cardans, qui continue à tourner dans la même direction quelle que soit la façon dont vous la tournez. Les gyrocompas s'adaptent mieux à l'environnement plus "dynamique" des navires et des avions. Un autre avantage est qu'ils peuvent être réglés pour indiquer le nord vrai (le pôle nord) plutôt que le nord magnétique. Une œuvre d'art : Comment fonctionne un gyrocompas : un lourd gyroscope rotatif (jaune, au centre) alimenté par un moteur électrique (violet, en bas) tourne à l'intérieur de deux anneaux de montage perpendiculaires appelés cardans (rouge et vert). Ceux-ci sont fixés par des ressorts à un boîtier extérieur (bleu), lui-même fermement attaché au corps d'un navire ou d'un avion. L'idée de base est que le gyroscope en rotation maintient un indicateur pointé dans la même direction, quelle que soit la façon dont le navire ou l'avion dévie et dérive. Le modèle présenté ici a été mis au point par Hans Usener de Kiel, en Allemagne, à partir de son brevet américain 1,136,566 : Gyrocompass, breveté le 20 avril 1915, avec l'aimable autorisation du US Patent and Trademark Office. Elmer Sperry Le gyrocompas a été développé avec succès au début du 20e siècle par l'ingénieur américain Elmer Sperry (1860-1930), breveté en 1908 et démontré pour la première fois sur un navire en 1911. Cependant, le gyrocompas de Sperry était en fait basé sur une invention antérieure (1906) du scientifique allemand Hermann Anschtz-Kaempfe (18721931), qui a poursuivi avec succès Sperry pour violation de brevet en Allemagne avec l'aide d'Albert Einstein (18791955). Des procès ultérieurs en contrefaçon de brevet au Royaume-Uni et aux États-Unis ont toutefois donné raison à Sperry, ce qui explique pourquoi l'invention lui est largement attribuée aujourd'hui.

Astrocompas

Alors que les boussoles magnétiques et les gyrocompas sont réglés en fonction de la Terre, les astrocompas sont alignés sur la position des corps célestes (points fixes dans le ciel, comme le Soleil ou les étoiles) et indiquent ensuite la position du nord vrai. Elles sont plus complexes et plus difficiles à utiliser que les boussoles magnétiques, mais constituent une bonne alternative dans des endroits comme les régions polaires où les boussoles magnétiques et les gyrocompas ne sont pas fiables. Photo : Gyrocompas et équipement de navigation sur un camion. Avec l'aimable autorisation de l'US Geological Survey.

Radiocompas

Également appelés radiogoniomètres (RDF), ils captent les signaux directionnels émis par les émetteurs radio. L'idée de base est qu'une antenne réceptrice (à bord d'un navire ou d'un avion) capte un signal plus ou moins fort en fonction de sa direction vers l'antenne émettrice. Avec les premiers équipements RDF, il fallait tourner l'antenne réceptrice dans un sens ou dans l'autre pour maximiser ou minimiser le signal, ce qui permettait de déterminer où se trouvait l'émetteur. Avec les signaux de plus d'un émetteur, vous pouviez déterminer votre propre position. Les radiogoniomètres automatiques (ADF) des avions modernes sont des radiocompas qui calculent et affichent automatiquement les directions à l'aide d'une aiguille et d'un cadran, comme un compas magnétique traditionnel.

Qui a inventé la boussole ?

Personne ne sait quand et où les boussoles ont été inventées, mais voici ce que nous savons : ~300200BCE : On pense que des radiogoniomètres magnétiques primitifs ont été inventés en Chine. 12e siècle de notre ère : Des boussoles plus sophistiquées sont inventées indépendamment en Chine, dans le monde arabe et en Europe. Pour la première fois, les aiguilles des boussoles sont montées sur des épingles. 13e siècle : Les boussoles intègrent des cartes marquées des points cardinaux et des subdivisions désormais familiers. 15e siècle : Les navigateurs réalisent que les boussoles pointent vers le pôle nord magnétique de la Terre plutôt que vers son véritable pôle nord (géographique). XVIe siècle : Les boussoles de marine sont montées sur des cardans afin de réduire les problèmes causés par le mouvement des navires. XVIIe siècle : L'Anglais William Gilbert publie un exposé scientifique complet sur le magnétisme de la Terre et s'en sert pour expliquer pourquoi les boussoles indiquent le nord.

1880 : Le physicien écossais William Thompson (Lord Kelvin) met au point des boussoles qui peuvent être ajustées pour fonctionner à l'intérieur des navires à coque de fer.

1880 : Le Néerlandais Marinus Gerardus van den Bos fait breveter un gyrocompas. D'autres personnes développeront et perfectionneront l'invention au cours des décennies suivantes.

1900 : La radiogoniométrie (RDF) est développée par les ingénieurs italiens Ettore Bellini et Alessandro Tosi.

1906 : Hermann Anschtz-Kaempfe (1872-1931) invente le gyrocompas moderne.

1911 : Le gyrocompas amélioré d'Elmer Sperry est testé avec succès sur un navire pour la première fois.

1900-1920 : Les radiocompas (radiogoniomètres, RDF) sont développés.

1973 : Le projet américain de navigation par satellite GPS marque le début d'une évolution constante de la navigation traditionnelle vers des méthodes plus automatisées et plus faciles à utiliser pour trouver son chemin. 


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