Boussole (instrument de navigation)
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Boussole chinoise Si Nan de la dynastie Han
Boussole chinoise Si Nan de la dynastie Han

Une boussole est un instrument de navigation constitué d'une aiguille magnétisée qui s'aligne sur le champ magnétique de la Terre. Elle indique ainsi le nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) magnétique, à ne pas confondre avec le nord géographique.

Le terme de boussole (Une boussole est un instrument de navigation constitué d’une aiguille magnétisée qui s’aligne sur le champ magnétique de la...) ne s'emploie qu'en navigation (La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :) terrestre. En navigation maritime (La navigation maritime concerne toute les activités humaines de circulation sur les mers et océans. On parle de navigation hauturière lorsque le...) et aérienne, équipée d'une ligne de foi (repère parallèle à l'axe du navire (Un navire est un bateau destiné à la navigation maritime, c'est-à-dire prévu pour naviguer au-delà de la limite où cessent de s'appliquer les règlements techniques de sécurité de navigation...) ou de l'aéronef (Un aéronef est un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère terrestre. On distingue deux catégories d'aéronefs : l'aérostat et l'aérodyne. ...), gravé sur l'instrument et donnant la direction suivie), elle est alors appelée compas. Les plus anciennes boussoles connues étaient utilisées par les Chinois au IIe siècle, chez qui elle est très utilisée en géomancie. Leurs boussoles ressemblaient alors à leurs cuillères à soupe (photo).

Les Européens ne commencèrent à utiliser la boussole qu'à partir de la fin du XIIIe siècle, lors des grandes expéditions maritimes.

Une boussole fournit une direction de référence connue qui aide à la navigation. Les points cardinaux sont (dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...) des aiguilles d'une montre) : Nord, Est, Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) et Ouest (L’ouest est un point cardinal, opposé à l'est. C'est la direction vers laquelle se couche le Soleil à l'équinoxe, le couchant (ou ponant).). Une boussole peut être utilisée conjointement à une horloge pour fournir une estime de sa navigation.

Une boussole peut être constituée de n'importe quel dispositif utilisant une aiguille magnétisée tournant librement sur un pivot, afin qu'elle puisse indiquer la direction du nord magnétique de la magnétosphère (La magnétosphère est la région entourant un objet céleste dans lequel les phénomènes physiques sont dominés ou organisés par son champ magnétique.) de notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique, c'est-à-dire sous une...).

Autrefois, certaines boussoles étaient équipées d'un cadran solaire (Un cadran solaire est un instrument silencieux et immobile qui indique le temps solaire par les déplacements de l'ombre d'un objet de forme variable, le gnomon, sur une...) (utilisant l'ombre portée (L'ombre portée est la zone soustraite aux rayons lumineux incidents par un objet sur son support. De façon conventionnelle, en dessin technique, l'ombre portée sera...) d'une aiguille ou d'un triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points et par les trois segments qui les relient. La dénomination de « triangle » est...) rabattable) permettant de corréler l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure solaire »...) approximative avec l'indication (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit ou oral.) de l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) de l'aiguille aimantée (voir liens), ce dispositif se rapproche dans sa fonction de l'astrolabe (L'astrolabe (ou Almincantarat, Almicantarat, de l'arabe ???????? : Al-Muqantara) est une double projection plane (le plus souvent une projection polaire) qui permet de...).

Un gyromètre (en anglais : variation compass) est un instrument spécialisé, de construction assez délicate ; elle est employée en observant les variations de l'aiguille.

Une boussole gyroscopique peut également être employée pour trouver le nord géographique.

Une boussole dans un coffret en bois
Une boussole dans un coffret en bois

Histoire de la boussole de navigation

Les premières boussoles ont été initialement utilisées dans le mysticisme de l'Antiquité chinoise. L'utilisation qui était faite du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus...) constituait un spectacle car les flèches étaient fabriquées comme les dés: elles s'alignaient sur le Nord grâce à leur magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges...), bluffant l'assistance. Curieusement, cela a pris un certain temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) pour que ce phénomène soit utilisé par les Chinois pour les besoins de la navigation, mais au XIe ou XIIe siècle le procédé devient commun. Cependant, le scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) chinois Shen Kuo (1031-1095) de la Dynastie Song (960-1279 AD) était le premier à décrire la boussole magnétique qui a été utilisée pour la navigation.

La connaissance de la boussole arrive en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité...) au XIIe siècle. Les marins Européens l'ont apparemment connue par les Arabes. Ils adoptent son utilisation dans la première moitié du XIIIe siècle. En 1358, un moine anglais du nom de Nicholas de Lynne, aurait été navigateur grâce à sa compétence et à sa connaissance de " la boussole magnétique " (voir Inventio Fortunata).

Avant l'introduction de la boussole, la navigation en mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) a été faite principalement par la navigation célestielle (navigation par même latitude : le navire se "calait" sur la latitude d'arrivée et y restait), complétée dans quelques endroits par l'utilisation des sondages. Les difficultés surgissaient si la mer était trop profonde pour effectuer des sondages, si les conditions atmosphériques étaient continuellement mauvaises ou si l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air...) brumeux empêchait la vision du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...).

Ainsi la boussole n'était pas de la même utilité partout. Par exemple, les Arabes pouvaient généralement compter sur un ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) clair pour naviguer dans le golfe Persique (Le Golfe Persique (Persan : ???? ????, khalij-e fârs) est une mer épicontinentale de l’océan Indien. Il sépare la péninsule Arabique de l’Iran...) et l'Océan Indien (L’océan Indien s'étend sur une surface de 75 000 000 km². Il est limité au nord par l'Inde, le Pakistan et l'Iran, à l'est par la Birmanie, la...) (également grâce à la nature prévisible des moussons). Ceci peut expliquer en partie l'adoption relativement tardive de la boussole. Les marins en mer Baltique, mer relativement peu profonde, ont fait grande utilisation des sondages.

Cependant, dans le bassin méditerranéen et depuis l'Antiquité, les voyages en mer ne se faisaient pas entre octobre et avril, du fait de l'absence de ciel clair pendant l'hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.) méditerranéen et de la mer beaucoup trop profonde pour les sondages.

Avec l'amélioration des méthodes de navigation par estimation et avec le développement de meilleures cartes, cet arrêt saisonnier est modifié pendant la deuxième moitié du XIIIe siècle. Aux environs de 1290, la saison (La saison est une période de l'année qui observe une relative constance du climat et de la température. D'une durée d'environ trois mois (voir le tableau Solstice et Équinoxe ci-dessous), la saison joue un...) de navigation commence en janvier ou février et se termine en décembre. Les mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) additionnels sont d'une importance économique considérable ; ils permettent aux convois vénitiens, par exemple, de faire deux voyages aller-retour par année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) en méditerranée orientale au lieu d'un seul.

En même temps le trafic entre l'Europe méditerranéenne et la Scandinavie (La Scandinavie est une région située dans le Nord de l'Europe. Elle comprend, au sens le plus strict, la Norvège et la Suède, qui se...) s'accroît et l'une des raisons est sans doute que la boussole rendait la traversée du Golfe (Un golfe (italien golfo, grec kolpos, pli) est une partie de mer avancée dans les terres, en général selon une large courbure.) de Gascogne plus sûre et plus facile.

Principe physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général...)

L'élément de base est une tige (La tige est chez les plantes à fleurs, l'axe, généralement aérien, qui prolonge la racine et porte les bourgeons et les feuilles. La tige se ramifie généralement en...) magnétique. On peut la réaliser en alignant une tige de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie...) ou d'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction mécanique.) sur le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique de la Terre et puis la faisant chauffer puis refroidir (recuire) ou en la frottant. Cependant, cette méthode produit seulement un aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés...) de faible puissance ; ainsi d'autres méthodes sont préférables.

Cette tige magnétisée (ou aiguille magnétique) est alors placée sur un support de friction quasi-nulle pour lui permettre de pivoter librement pour s'aligner sur le champ magnétique ambiant. On y appose alors une marque à une extrémité afin que l'utilisateur puisse distinguer les directions nord et sud. Une convention moderne veut que l'extrémité du nord soit marquée d'une manière quelconque, souvent de peinture fluorescente ou rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.).

Boussoles de navigation modernes

Les boussoles de navigation modernes possèdent une aiguille magnétisée à l'intérieur d'une capsule remplie de liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (white spirit) pour en ralentir les mouvements ; la viscosité du liquide force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) l'aiguille (ou la sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un point...) graduée) à s'arrêter rapidement plutôt que d'osciller dans les deux sens autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) du nord magnétique. D'autres caractéristiques communes aux boussoles modernes portables à la main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est un organe...) sont une plaque de base équipée de règles graduées permettant de mesurer les distances sur les cartes, une lunette tournante pour mesurer l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) formé entre le nord indiqué par l'aiguille et la direction du point (Graphie) visé et un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être protégée, est...) réfléchissant l'image de l'aiguille sur le cadran tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en observant le point visé.

Les boussoles modernes possèdent aussi un dispositif permettant de corriger la déclinaison magnétique (La déclinaison magnétique est, en un point donné sur la surface de la terre, l'angle formé entre la direction du pôle nord géographique et le pôle nord magnétique (il s'agit...) pour retrouver directement le nord géographique.

Compas de voilier
Compas de voilier (Un voilier (ou bateau à voiles, navire à voiles) est un bateau ou navire propulsé par la force du vent. Historiquement, les voiliers ont été le premier moyen de transport à...)

Les boussoles de marine nommées compas, peuvent avoir deux aiguilles magnétiques ou plus attachées de manière permanente à un cadran de boussole (rose des vents, équipage magnétique). Celles-ci bougent librement autour d'un pivot. Une ligne de lourdaud, qui peut être une inscription sur la cuvette de boussole ou une petite aiguille fixe, indique l’axe longitudinal (direction de la marche) du bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer, dirigé ou non par ses occupants. Il répond aux besoins...) par rapport au cadran de la boussole.

La boîte (la cuvette) hermétiquement fermée par un couvercle de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le...) est fixée à une suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. Le fait de suspendre un objet En...) à cardan. Ceci garantit son maintien en position horizontale quels que soient les mouvements du navire.

Les grands bateaux se fient plus précisément au compas gyroscopique ou plus récemment au compas satellitaire plutôt qu’à un compas magnétique pour la navigation, bien que la présence de ce dernier reste toujours obligatoire. Le compas magnétique, gyroscopique ou satellitaire se voit fréquemment interfacé (associé) à un système de maintien automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des...) du cap (pilote automatique) et de navigation intégré. Des compas électroniques vanne de flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le...) (fluxgate (en)) sont de plus en plus souvent utilisés sur les voiliers, même de petite taille.

Boussoles électroniques

Certaines montres et autres instruments de mesure possèdent une boussole à base de composants électroniques. Il s'agit généralement de deux ou trois capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la...) de champ magnétique fournissant les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) de base à un microprocesseur. Le calcul trigonométrique permet d'afficher le cap.

Souvent, le dispositif est un composant discret fournissant un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par...) (numérique ou analogique) proportionnel à son orientation. Ce signal est alors interprété par un contrôleur ou un microprocesseur et traité en interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon...) ou transmis à un dispositif d'affichage (L' affichage désigne l'application d'une surface de papier script dans un lieu public(et non du foyer)sur un support destiné à son émission, externe ou interne, ce qui en fait un média à part entière sans contexte rédactionnel. Panneaux...) (voir un exemple de réalisation, avec les composants de base et le schéma de câblage correspondant).

Correction de boussole

Le compas d'un bateau doit être corrigé d'erreurs, appelées déviation de boussole, provoquées par le fer et l'acier présents dans sa structure et ses équipements. Le bateau est tourné autour d'un point fixe (En mathématiques, pour une application f d’un ensemble E dans lui-même, un élément x de E est un point fixe de f si f(x) = x.) tandis que son orientation est notée en fonction de son alignement sur des points de repère fixes (amers) sur le rivage. On obtient ainsi une carte de déviation de boussole permettant au navigateur de rectifier les directions indiquées par la boussole en fonction des directions magnétiques. La déviation est positive lorsqu'elle varie vers l'est, et négative dans l'autre sens (némo : est-ce plus ouest moins ?).

Une boussole peut être corrigée de trois manières. D'abord la ligne de lourdaud doit être ajustée de sorte qu'elle soit alignée sur la direction dans laquelle le bateau se déplace. Ensuite, les effets des aimants permanents peuvent être corrigés par de petits aimants insérés dans le coffret de la boussole. L'influence des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) non ferromagnétiques peut être compensé par deux boules de fer montées de chaque côté du cadre de la boussole. Le graphique de la déviation de boussole peut être compris en utilisant la série de Fourier (En analyse, les séries de Fourier sont un outil fondamental dans l'étude des fonctions périodiques. C'est à partir de ce concept que s'est développé la branche des mathématiques connue sous le nom...). Le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un...) a0 représentant l'erreur dans la ligne de lourdaud, tandis qu' a1, b1 représente les effets ferromagnétiques et a2, b2 le composant non ferromagnétique.

Les boussoles à vanne de flux (électroniques) se calibrent automatiquement en fonction du champ magnétique ambiant et peuvent également tenir compte de la variation locale correcte du magnétisme afin que la boussole indique le cap vrai.

Equilibrage de la boussole

L'attraction terrestre variant en fonction de la latitude, les boussoles sont souvent équilibrées pendant leur fabrication. Ceci empêche l'aiguille de plonger trop fortement vers le bas et de rester bloquée par la friction sur le cadran. La plupart des fabricants rééquilibrent l'aiguille de leurs boussoles en fonction de l'une de cinq zones du monde (Le mot monde peut désigner :). La zone 1 couvre la majeure partie de l'hémisphère nord, la zone 5 couvrant l'Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de...) et les océans de l'hémisphère sud (L'hémisphère sud ou hémisphère austral est la moitié du globe terrestre qui s'étend entre l'équateur et le pôle Sud. En astronomie, ce terme désigne la partie du...).

Points de la boussole / Graduation

Traditionnellement, le cadran ou rose des vents est divisé en trente-deux points équidistants (appelés comme quarts, le quart vaut 11° 15') bien que les boussoles modernes soient graduées en degrés plutôt que points cardinaux (voir plus bas graduation). Les quatre directions principales - est, ouest, nord et sud - sont les points cardinaux et les noms des autres sont dérivés de ces derniers (exemple: sud = 180°; sud-sud-est = 157° 30').

Il existe plusieurs systèmes de graduation pour les boussoles :

  • Le plus connu est la division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction "division par ce nombre"...) en 360 degrés.
  • D'autres systèmes utilisent la division en 400 grades (gons)ou en 6400 millièmes.
  • Certaines sont équipées d'un inclinomètre (Un inclinomètre (ou clinomètre) est un instrument servant à mesurer des angles par rapport à la ligne d'horizon (ou horizontale). Là où le niveau à bulle (ou niveau) permet de détecter précisément où...) pour mesurer les angles verticaux et d'un niveau à bulle (Un niveau à bulle est un élément d'un instrument de mesure conçu pour indiquer si une surface correspond à l'angle de référence. Par exemple...).
  • Les armées des pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²),...) de l'Est (ancien bloc soviétique) utilisent des boussoles similaires au cadran d'une montre, graduées en 60 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...), un angle droit mesurant 15 "unités".

Boussoles militaires

Chaque arme utilise des boussoles spécifiques car celles-ci doivent satisfaire à des exigences différentes. L'artilleur de la Première Guerre mondiale avait besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes...) de mesurer l'angle de site par rapport à une cible. Les boussoles (comme certains modèles de Bézard) avaient un niveau à bulle et un inclinomètre.

Le fantassin a besoin d'un modèle compact, léger et d'une solidité à toute épreuvre. Ce sont la plupart du temps des boîtiers métalliques repliables protégeant le verre et bloquant l'aiguille. La société suisse Recta avait développé à cet effet un dispositif à tiroir particulièrement ergonomique (voir photo).

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