Продолжение. Начало здесь: «Магнитно-компасное дело. Краткий конспект. Часть 1», «Магнитно-компасное дело. Краткий конспект. Часть 2»
Напомню читателям, что анализируемый вопрос звучит следующим образом: можно ли продолжить плавание с компасом, у которого в результате удара молнии девиация увеличилась до величины 60°, если знать его поправку?
В первых двух частях мы рассмотрели магнитные свойства ферромагнентиков, изучили основные определения, а также вспомнили, что из себя представляет магнитное поле Земли.
Третьим участником процесса выработки курса с помощью магнитного компаса, кроме собственно компаса и магнитного поля Земли, является магнитное поле яхты. Вот об этом и поговорим в очередной части цикла «Магнитно-компасное дело. Краткий конспект».
Девиация
Сегодня подавляющее большинство яхт имеют на борту устройства и механизмы, изготовленные из тех или иных ферромагнетиков. Помимо «корабельного железа», свое магнитное поле создают все электрические приборы, которых с каждым годом становится все больше и больше на борту. Очевидно, что все эти источники магнитного поля искажают магнитное поле Земли, поэтому картушка компаса, установленного на яхте, показывает не магнитный, а свой, компасный меридиан. Думаю, уместным будет напомнить, что угол между магнитным и компасным меридианами называется девиацией.
Девиация магнитного компаса, установленного на судне, не является величиной постоянной, а изменяется в процессе плавания по ряду причин, в частности, при изменении курса судна и магнитной широты плавания. Все судовое железо в магнитном отношении может быть разделено на мягкое и твердое. Твердое железо, намагнитившись в процессе постройки судна, приобретает некий остаточный магнетизм и действует на картушку компаса с некоторой постоянной силой. При изменении судном курса эта сила вместе с судном изменяет свое направление относительно магнитного меридиана и поэтому на различных курсах вызывает неодинаковую по величине и знаку девиацию.
Мягкое в магнитном отношении судовое железо при изменении курса перемагничивается и действует на картушку переменной по величине и направлению силой, также вызывая неодинаковую девиацию. При изменении магнитной широты плавания изменяется напряженность магнитного поля Земли и намагниченность мягкого судового железа, что также вызывает изменения в девиации.
Таким образом, на картушку магнитного компаса, установленного на борту судна, действуют три силы: постоянное магнитное поле Земли, постоянное магнитное поле твердого судового железа и переменное магнитное поле мягкого судового железа. Взаимодействие этих полей создает некую суммарную напряженность магнитного поля. Стрелка магнитного компаса занимает положение вдоль вектора напряженности, и компасный меридиан может сильно отличаться от магнитного. И тут мы, наконец, подходим к ответу на поставленный в начале нашего конспекта, вопрос: что делать, если девиация магнитного компаса вдруг, «в результате попадания молнии» стала очень большой, например, более 60°. Нужно ли ее уничтожать или можно продолжить движение, определив поправку?
При большой величине девиации, т.е. при значительной величине напряженности магнитного поля судна, магнитное поле Земли может, на некоторых курсах, оказаться почти полностью компенсированным магнитным полем судна. В этом случае картушка компаса окажется в состоянии безразличного равновесия, и компас перестанет работать: на одних курсах картушка будет поворачиваться вместе с судном из-за одинакового приращения углов курса и девиации, на других направлениях чувствительный элемент будет увлекаться трением в опоре вследствие чрезмерного уменьшения направляющей силы.
Кроме того, забегая вперед, отметим, что при больших значениях девиации само ее определение становится затруднительно и неточно, так как процедура определения девиации предполагает, что судно ложится на тот или иной известный магнитный курс. При больших значениях девиации при изменении курса она быстро изменяет свою величину, и на точность определений начинают существенно сказываться даже небольшие ошибки в курсе, которые неизбежны.
Таким образом, однозначный ответ на поставленный вопрос – продолжать движение с компасом, имеющим большую девиацию опасно. Необходимо ее обязательно уничтожить, затем определить остаточные значения и только потом можно безопасно продолжать движение.
Суммарная напряженность магнитного поля судового железа в теории магнитно-компасного дела описывается уравнениями Пуассона. Из трех ее составляющих на величину девиации оказывают влияние два компонента – магнитное поле мягкого железа и магнитное поле твердого железа.
В магнитно-компасном деле силы, формирующие судовое магнитное поле и, соответственно, вызываемую ими девиацию, условно делят на постоянную, полукруговую и четвертную. Величина постоянной девиации не зависит от курса и не изменяется при перемене магнитной широты, собственно поэтому она и называется постоянной. Постоянная девиация вызывается влиянием продольного и поперечного мягкого судового железа.
Полукруговая девиация – это девиация, которая при перемене курса судна на 360⁰ дважды изменяет знак, принимая два раза нулевые значения. Полукруговая девиация вызывается магнитным полем от вертикального мягкого и любого твердого в магнитном отношении судового железа.
График полукруговой девиации
Четвертная девиация – девиация, которая при изменении курса судна изменяется по направлению в два раза быстрее, чем курс. При изменении курса от 0⁰ до 360⁰ девиация четыре раза меняет свой знак и столько же раз переходит через нулевое значение. Четвертную девиация вызывает магнитное поле от продольного и поперечного судового мягкого железа.
График четвертной девиации
Так как источником девиации является продольное и поперечное судовое железо, то уничтожение девиации осуществляется также с помощью продольных и поперечных магнитов-уничтожителей.
Из всех сил, вызывающих девиацию магнитного компаса, самой слабой являются силы, вызывающие постоянную девиацию. Ее величина, как правило не превышает 1⁰. Поэтому эту силу не компенсируют, а учитывают в виде поправки компаса.
Полукруговая девиация возникает под влиянием всего твердого и вертикального мягкого судового железа. Эти силы компенсируются при помощи продольных и поперечных магнитов — уничтожителей, устанавливаемых внутри нактоуза. Для того чтобы скомпенсировать ту или иную магнитную силу, необходимо приложить к картушке компаса противоположно направленное воздействие. Это достигается применением соответствующих компенсаторов. При уничтожении девиации руководствуются следующим правилом: силы, происходящие от твердого судового железа, нужно компенсировать с помощью постоянных магнитов, а силы от индуктивного магнетизма мягкого судового железа — с помощью элементов из мягкого ферромагнитного материала. Правильная установка компенсаторов — это и есть задача, которую требуется решать для уничтожения девиации.
Нактоуз современного магнитного компаса с компенсаторами и корректорами
Четвертная девиация возникает под влиянием только мягкого горизонтального судового железа. Силы, вызывающие четвертную девиацию доводят до минимальных значений с помощью компенсаторов четвертной девиации — брусков, пластин или шаров из мягкого ферромагнитного материала, устанавливаемых снаружи нактоуза, в его верхней части.
Следует отметить, что четвертная девиация более стабильна, чем полукруговая. Поэтому уничтожение четвертной девиации выполняют, как правило, один раз — сразу после постройки судна. В дальнейшем остаточная четвертная девиация практически не претерпевает заметных изменений в течение многих лет, чего нельзя сказать о полукруговой девиации.
Помимо четвертной и полукруговой девиации, при наклонах корпуса судна, т.е. при крене, дифференте или во время качки, возникает дополнительная погрешность магнитного компаса — креновая девиация. При бортовой качке или поперечном крене креновая девиация максимальна на курсах N и S. При продольном крене и килевой качке — соответственно на курсах E и W. Креновая девиация может достигать значений 3⁰ на каждый градус крена. Для ее уничтожения внутри нактоуза предусмотрен специальный компенсатор — креновый магнит. Он установлен вертикально, под котелком компаса.
Чтобы предотвратить нестабильность полукруговой девиации из-за перемены магнитной широты при плавании судна, компас снабжают еще одним устройством — широтным компенсатором. Это вертикальный стержень из мягкого ферромагнитного материала, устанавливаемый снаружи нактоуза. Он ликвидирует переменную (широтную) часть полукруговой девиации.
Любопытно, что этот широтный компенсатор называется флиндерсбаром (Flinders bar), — в честь английского мореплавателя и исследователя Австралии Мэтью Флиндерса (Matthew Flinders). Кстати, именно он назвал Австралию Австралией. Во время экспедиции в 1801 г. он, производя систематические определения склонения по двум компасам, обнаружил, что в Северном полушарии северный конец стрелки компасов притягивался неизвестной силой к носу корабля, а в южном полушарии — к корме.
Мэтью Флиндерс
Анализируя полученные результаты, Флиндерс пришел к выводу, что причиной девиации является судовое железо, которое с изменением широты меняло величину и полярность своего магнетизма под воздействием магнитного поля Земли. Поскольку большая часть судового железа заключалась в пиллерсах, т. е. вертикальных стойках, поддерживающих палубное перекрытие деревянного судна, знаменитый мореплаватель пришел к мысли уничтожить девиацию, помещая вблизи компаса вертикальный брусок железа, применяемый и до настоящего времени под наименованием флиндерсбара.
Flinders bar – вертикальная труба слева на нактоузе
Итак, мы получили научно обоснованный ответ на вопрос, который был поставлен Федором Дружининым. При больших значениях девиации – несколько десятков градусов, — без ее уничтожения магнитный компас использовать затруднительно, а порой и опасно, так как некомпенсированные силы, вызывающие девиацию, будут уравновешивать магнитное поле Земли так, что магнитный компас перестанет выполнять роль курсоуказателя.
Современные яхтенные магнитные компасы конструктивно несколько отличаются от классических приборов с высоким нактоузом и сложной системой компенсационных магнитов. Тем не менее, задача уничтожения девиации актуальна и для них.
Какие существуют способы уничтожения девиации, как уничтожить девиацию на яхтенном магнитном компасе, и еще о многом другом, я расскажу в следующий раз.
Продолжение следует…
Начало здесь: «Магнитно-компасное дело. Краткий конспект. Часть 1», «Магнитно-компасное дело. Краткий конспект. Часть 2»
Использованная литература: П.А. Нечаев, В.В. Григорьев «Магнитно-компасное дело» В.В. Воронов, Н.Н. Григорьев, А.В. Яловенко «Магнитные компасы» NATIONAL GEOSPATIAL-INTELLIGENCE AGENCY «HANDBOOK OF MAGNETIC COMPASS ADJUSTMENT»