Boussole (instrument de navigation)

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 magnétique, à ne pas confondre avec le nord géographique.

Le terme de boussole ne s'emploie qu'en navigation terrestre. En navigation maritime et aérienne, équipée d'une ligne de foi (repère parallèle à l'axe du navire ou de l'aéronef, 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 II 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 XIII 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 des aiguilles d'une montre) : Nord, Est, Sud et Ouest. 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 de notre planète.

Autrefois, certaines boussoles étaient équipées d'un cadran solaire (utilisant l'ombre portée d'une aiguille ou d'un triangle rabattable) permettant de corréler l'heure approximative avec l'indication de l'orientation de l'aiguille aimantée (voir liens), ce dispositif se rapproche dans sa fonction de l'astrolabe.

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.

Les premières boussoles ont été initialement utilisées dans le mysticisme de l'Antiquité chinoise. L'utilisation qui était faite du champ magnétique de la Terre constituait un spectacle car les flèches étaient fabriquées comme les dés: elles s'alignaient sur le Nord grâce à leur magnétisme, bluffant l'assistance. Curieusement, cela a pris un certain temps pour que ce phénomène soit utilisé par les Chinois pour les besoins de la navigation, mais au XI ou XII siècle le procédé devient commun. Cependant, le scientifique 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 au XII siècle. Les marins Européens l'ont apparemment connue par les Arabes. Ils adoptent son utilisation dans la première moitié du XIII 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 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 brumeux empêchait la vision du soleil.

Ainsi la boussole n'était pas de la même utilité partout. Par exemple, les Arabes pouvaient généralement compter sur un ciel clair pour naviguer dans le golfe Persique et l'Océan Indien (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 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 XIII siècle. Aux environs de 1290, la saison de navigation commence en janvier ou février et se termine en décembre. Les mois additionnels sont d'une importance économique considérable ; ils permettent aux convois vénitiens, par exemple, de faire deux voyages aller-retour par année en méditerranée orientale au lieu d'un seul.

En même temps le trafic entre l'Europe méditerranéenne et la Scandinavie s'accroît et l'une des raisons est sans doute que la boussole rendait la traversée du Golfe de Gascogne plus sûre et plus facile.

L'élément de base est une tige magnétique. On peut la réaliser en alignant une tige de fer ou d'acier sur le champ magnétique de la Terre et puis la faisant chauffer puis refroidir (recuire) ou en la frottant. Cependant, cette méthode produit seulement un aimant 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.

Les boussoles de navigation modernes possèdent une aiguille magnétisée à l'intérieur d'une capsule remplie de liquide (white spirit) pour en ralentir les mouvements ; la viscosité du liquide force l'aiguille (ou la sphère graduée) à s'arrêter rapidement plutôt que d'osciller dans les deux sens autour du nord magnétique. D'autres caractéristiques communes aux boussoles modernes portables à la main sont une plaque de base équipée de règles graduées permettant de mesurer les distances sur les cartes, une lunette tournante pour mesurer l'angle formé entre le nord indiqué par l'aiguille et la direction du point visé et un miroir réfléchissant l'image de l'aiguille sur le cadran tout en observant le point visé.

Les boussoles modernes possèdent aussi un dispositif permettant de corriger la déclinaison magnétique pour retrouver directement le nord géographique.

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 par rapport au cadran de la boussole.

La boîte (la cuvette) hermétiquement fermée par un couvercle de verre est fixée à une suspension 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 du cap (pilote automatique) et de navigation intégré. Des compas électroniques vanne de flux (fluxgate (en)) sont de plus en plus souvent utilisés sur les voiliers, même de petite taille.

Certaines montres et autres instruments de mesure possèdent une boussole à base de composants électroniques. Il s'agit généralement de deux ou trois capteurs de champ magnétique fournissant les données de base à un microprocesseur. Le calcul trigonométrique permet d'afficher le cap.

Souvent, le dispositif est un composant discret fournissant un signal (numérique ou analogique) proportionnel à son orientation. Ce signal est alors interprété par un contrôleur ou un microprocesseur et traité en interne ou transmis à un dispositif d'affichage (voir un exemple de réalisation, avec les composants de base et le schéma de câblage correspondant).

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 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 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. Le coefficient 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.

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. La zone 1 couvre la majeure partie de l'hémisphère nord, la zone 5 couvrant l'Australie et les océans de l'hémisphère sud.

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 en 360 degrés.
• D'autres systèmes utilisent la division en 400 grades (gons)ou en 6400 millièmes.
• Certaines sont équipées d'un inclinomètre pour mesurer les angles verticaux et d'un niveau à bulle.
• Les armées des pays de l'Est (ancien bloc soviétique) utilisent des boussoles similaires au cadran d'une montre, graduées en 60 minutes, 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 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).