Kompass

Hintergrund

Ein Kompass ist ein Gerät zur Richtungsbestimmung auf der Erdoberfläche. Die bekannteste Art von Kompass ist der Magnetkompass, der darauf beruht, dass ein magnetisches Objekt dazu neigt, sich mit dem Erdmagnetfeld auszurichten. Andere Arten von Kompassen bestimmen die Richtung, indem sie die Position der Sonne oder eines Sterns verwenden oder sich darauf verlassen, dass ein sich schnell drehendes Objekt (ein Gyroskop) dazu neigt, sich nicht von der Richtung abzuwenden, in die seine Achse zeigt.

Die grundlegenden Teile eines Magnetkompasses sind die Nadel (ein dünnes Stück magnetisches Metall), das Zifferblatt (eine kreisförmige Karte mit Wegbeschreibungen) und das Gehäuse (das die anderen Teile festhält). Preiswerte Kompasse, die im Allgemeinen als Spielzeug verwendet werden, dürfen keine anderen Teile haben. Kompasse, die für ernsthaftere Zwecke gedacht sind, haben normalerweise andere Teile, um sie nützlicher zu machen. Zu diesen anderen Teilen können Deckel, Abdeckungen oder Etuis zum Schutz des Kompasses gehören; Visiere, die Linsen, Prismen oder Spiegel verwenden, um es dem Benutzer zu ermöglichen, die Richtung eines Objekts in der Ferne zu bestimmen; und eine transparente Grundplatte, die mit einer Zoll- oder Millimeterskala markiert ist, damit der Kompass direkt auf einer Karte verwendet werden kann.

Eine wichtige Funktion vieler Kompasse ist die automatische Deklinationsanpassung. Die Deklination, auch Varianz genannt, ist die Differenz zwischen dem magnetischen Norden (der Richtung, in die die Nadel zeigt) und dem wahren Norden. Dieser Unterschied besteht darin, dass das Magnetfeld der Erde nicht genau mit seinem Nord- und Südpol ausgerichtet ist. Das Ausmaß der Deklination variiert von Ort zu Ort auf der Erdoberfläche. Wenn der Deklinationsbetrag für ein bestimmtes Gebiet bekannt ist, ermöglicht die automatische Deklinationsanpassung dem Kompassbenutzer, die wahre Richtung direkt vom Kompass abzulesen, anstatt den Deklinationsbetrag jedes Mal, wenn der Kompass verwendet wird, addieren oder subtrahieren zu müssen.

Verlauf

Um 500 v. Chr. , war bekannt, dass Magnetit, eine natürlich vorkommende Form von Eisenoxid, auch Magnetit genannt, die Fähigkeit besitzt, Eisen anzuziehen. Niemand weiß, wo oder wann zum ersten Mal bemerkt wurde, dass ein frei beweglicher Magnetstein dazu neigte, sich so auszurichten, dass er nach Norden und Süden zeigte. Aus schriftlichen Aufzeichnungen geht hervor, dass die Chinesen um 1100 n. Chr. Magnetkompasse verwendeten , Westeuropäer und Araber um 1200 n. Chr. , und Skandinavier um 1300 n. Chr.

Frühe Kompasse bestanden aus einem Stück Magnetstein auf einem Stück Holz, einem Korken oder einem Schilfrohr, das in einer Wasserschale trieb. Etwas später wurde eine Nadel aus Magnetstein an einem Stift gedreht, der am Boden einer Wasserschale befestigt war. Im dreizehnten Jahrhundert wurde dem Kompass eine Karte mit Wegbeschreibungen hinzugefügt. Mitte des 16. Jahrhunderts war die Wasserschale in Kardanringen aufgehängt, die es dem Kompass ermöglichten, waagerecht zu bleiben, während er an Bord eines vom Ozean geschleuderten Schiffes verwendet wurde.

1745 entwickelte der englische Erfinder Gowin Knight ein Verfahren zur Magnetisierung von Stahl über lange Zeiträume. Dies ermöglichte Nadeln aus magnetisiertem Stahl, Nadeln aus Magnetstein zu ersetzen. Im frühen neunzehnten Jahrhundert wurden Eisen und Stahl im Schiffbau umfassend verwendet. Dies führte zu Verzerrungen bei der Funktionsweise von Magnetkompassen. 1837 setzte die britische Admiralität eine Sonderkommission ein, um das Problem zu untersuchen. Um 1840 war ein neues Kompassdesign mit vier Nadeln so erfolgreich bei der Überwindung dieser Schwierigkeit, dass es bald von Marinen auf der ganzen Welt übernommen wurde.

Bis Mitte des 19. Jahrhunderts benutzten Seefahrer sowohl Trockenkompasse, bei denen die Nadel in der Luft schwenkte, als auch Flüssigkeitskompasse, bei denen die Nadel in Wasser oder einer anderen Flüssigkeit schwenkte. Trockenkompasse wurden leicht durch Stöße und Vibrationen zerstört, während Flüssigkeitskompasse zum Auslaufen neigten und schwer zu reparieren waren. Im Jahr 1862 machten Verbesserungen im Design von Flüssigkeitskompassen den Trockenkartenkompass für die Marine schnell überflüssig. Bis zum 1. Weltkrieg verwendete die britische Armee an Land Flüssigkeitskompasse, und Flüssigkeitskompasse sind immer noch der Standard für die besten tragbaren Magnetkompasse.

Rohstoffe

Die Nadel eines Magnetkompasses muss aus einem metallischen Material bestehen, das über einen längeren Zeitraum magnetisiert werden kann. Der am häufigsten verwendete Werkstoff für Kompassnadeln ist Stahl. Stahl ist eine Legierung aus Eisen und einer geringen Menge Kohlenstoff. Die zur Stahlherstellung verwendeten Rohstoffe sind Eisenerz und Koks (eine kohlenstoffreiche Substanz, die durch Erhitzen von Kohle unter Luftabschluss auf hohe Temperatur hergestellt wird). Andere Stoffe wie Kobalt werden dem Stahl oft zugesetzt, um Legierungen herzustellen, die sehr lange magnetisiert werden können.

Das Gehäuse, das die Nadel an Ort und Stelle hält, besteht oft aus Acryl-Kunststoff. Acrylkunststoffe werden aus verschiedenen Derivaten der chemischen Verbindung Acrylsäure hergestellt. Das wichtigste dieser Derivate ist Methylmethacrylat. Tausende von Methylmethacrylat-Molekülen sind zu einer langen Kette verbunden, um Polymethylmethacrylat zu bilden, das unter den Handelsnamen Lucite und Plexiglas bekannt ist. Polymethylmethacrylat hat die Vorteile, stark und transparent zu sein.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Herstellung der Nadel

• 1 Eisenerz, Koks und Kalkstein werden in einem Hochofen mit heißer Druckluft erhitzt. Der Koks setzt Wärme frei, die das Erz schmilzt, und Kohlenmonoxid, das mit Eisenoxiden im Erz reagiert, um Eisen freizusetzen. Der Kalkstein reagiert mit Verunreinigungen im Erz wie Schwefel zu Schlacke, die auf dem geschmolzenen Eisen schwimmt und entfernt wird. Das Produkt dieses Prozesses ist Roheisen, das etwa 90 % Eisen, 3-5% Kohlenstoff und verschiedene Verunreinigungen enthält.
• 2 Um die Verunreinigungen und den größten Teil des Kohlenstoffs zu entfernen, wird Sauerstoff unter hohem Druck in das geschmolzene Roheisen geblasen. Die Verunreinigungen werden als Schlacke und der Kohlenstoff als Kohlenmonoxid freigesetzt. Der verbleibende geschmolzene Stahl wird in Formen gegossen und zu Blöcken mit einem Gewicht von jeweils mehreren Tausend Pfund abkühlen gelassen.
• 3 Die Barren werden auf ca. 1.200° F (1.200° C) erhitzt und zwischen gerillten Walzen zu Brammen gewalzt. Die Platte wird mit einer Riesenschere geschnitten, wieder erhitzt und erneut gewalzt, bis sie die richtige Dicke für Nadeln hat. Das dünne Stahlblech wird dann mit einer scharfen Matrize in Form einer Nadel gestanzt. Der Vorgang wird wiederholt, um viele Nadeln aus einem einzigen Stahlblech herzustellen.
• 4 Die Nadeln werden vom Stahlhersteller an den Kompasshersteller versandt. In der Kompassfabrik werden die Nadeln von Hand in Halter auf einem automatisierten Drehteller eingesetzt. Während sich der Drehteller dreht, wird das "nördliche" Ende der Nadel mit roter Farbe besprüht und das "südliche" Ende der Nadel wird mit weißer Farbe besprüht. Während die Nadel weiterläuft, wird sie einem starken Magnetfeld ausgesetzt, das von einem elektronischen Magnetisierer erzeugt wird.
• 5 Die magnetisierten Nadeln werden vom Drehteller entfernt und die Farbe wird trocknen gelassen. Die Nadeln können auch in einem Ofen gebacken werden, um die Farbe zu trocknen. Sie werden dann gelagert, bis sie für die Montage benötigt werden.

Herstellung des Gehäuses

• 6 Polymethylmethacrylat wird gebildet, indem eine Lösung von Methylmethacrylat Licht, Hitze oder verschiedenen chemischen Katalysatoren ausgesetzt wird. Die Komponenten des Kompassgehäuses werden dann in einem als Spritzguss bekannten Verfahren geformt. Polymethylmethacrylat wird erhitzt, bis es zu einer Flüssigkeit schmilzt. Anschließend wird der geschmolzene Kunststoff eingespritzt Front- und Seitenansicht eines einfachen Kompasss mit schwenkbarer Nadel. in eine Form in der Form des gewünschten Produkts. Die Form wird abkühlen gelassen, geöffnet und der feste Kunststoff wird entfernt. Die verschiedenen Kunststoffkomponenten werden vom Kunststoffhersteller an den Kompasshersteller versandt und dort gelagert, bis sie gebraucht werden.

Kompass zusammenbauen

• 7 Wenn der Kompasshersteller eine Bestellung von einem Großhändler erhält, sorgt der Werksleiter dafür, dass die benötigten Teile aus dem Lager an die Arbeiter am Fließband ausgegeben werden. Während sich der Kompass entlang des Montagebandes fortbewegt, werden Kunststoffkomponenten zusammengeschnappt. Einige Kunststoffteile durchlaufen Drucker, die sie mit Markierungen wie einem Firmenlogo oder mit Maßstabsmarkierungen für die Verwendung mit Karten bestempeln.
• 8 Eine der kritischsten Komponenten eines Kompasses ist das Fläschchen, das die Nadel hält. Die Nadel ist auf einem Drehpunkt ausbalanciert, damit sie sich frei bewegen kann. Preiswerte Kompasse haben vielleicht einen Stahlzapfen, aber die besten Kompasse haben juwelenbesetzte Zapfen, um Abnutzung zu widerstehen. Mit Juwelen besetzte Zapfen bestehen aus sehr harten Materialien wie einer Osmium-Iridium-Legierung und sind mit einem Material wie künstlichem Saphir bedeckt.
• 9 Die Fläschchen werden in eine Flüssigkeit getaucht, die als Dämpfer dient. Ein Dämpfer ist eine Substanz, die bewirkt, dass die Nadel bei einer Störung schneller zur Ruhe kommt. Für Dämpfer werden verschiedene Flüssigkeiten verwendet. Diese Flüssigkeiten müssen transparent sein und dürfen mit keinem der Bestandteile des Kompasses reagieren. Eine typische Flüssigkeit, die für diesen Zweck verwendet wird, kann eine Mischung aus Ethylalkohol und Wasser sein.
• 10 Die mit Flüssigkeit gefüllten Vials werden durch Ultraschallschweißen verschlossen. Dadurch wird vermieden, dass die Nadel Hitze ausgesetzt wird, die ihren Magnetismus stören könnte. Bei diesem Verfahren wird der Kunststoff an der Stelle, an der das Fläschchen verschlossen werden soll, mit Ultraschallwellen zum Schmelzen gebracht. Der Kunststoff wird dann erstarren gelassen und bildet eine dichte Versiegelung. Die Montage des Kompasses wird fortgesetzt, während das versiegelte Fläschchen auf eine Grundplatte aufgeschnappt wird. Ein Basisplattenkompass.
• 11 Die fertigen Kompasse sind so verpackt, dass sie vor Diebstahl und Beschädigung geschützt sind. Sie können in einer Muschelverpackung verpackt sein, bei der ein muschelähnlicher Kunststoffbehälter den Kompass umgibt. Sie können auch in Blisterverpackungen verpackt sein, bei denen eine auf einem flachen Karton befestigte Plastikblase den Kompass umgibt. Die verpackten Kompasse werden in Kartons verpackt und an den Großhändler versandt.

Qualitätskontrolle

Bei jedem Schritt des Herstellungsprozesses werden die verschiedenen Komponenten, aus denen der Kompass besteht, einer Sichtprüfung unterzogen und bei Defekten entfernt. Häufige Unvollkommenheiten sind Druckfehler und Blasen in der Feuchtflüssigkeit. Der wichtigste Teil des Kompasses, die Magnetnadel, ist sehr unwahrscheinlich, dass er defekt ist. Die wenigen Fälle, in denen die Nadel nicht richtig funktioniert, werden normalerweise dadurch verursacht, dass der Verbraucher die Nadel einem starken magnetischen oder elektrischen Feld aussetzt. In solchen Fällen kann die Nadel ummagnetisiert werden, sodass sie nach hinten zeigt, wobei das "Nord"-Ende nach Süden zeigt.

Der wichtigste Teil der Qualitätskontrolle eines Magnetkompasses ist die Verantwortung des Benutzers, den richtigen Umgang mit dem Kompass zu erlernen. Kompasse sind sehr zuverlässige Instrumente, aber sie sind nutzlos, wenn der Benutzer nicht weiß, wie man sie richtig benutzt. Zu wissen, wie man die Deklination berücksichtigt, ist eine entscheidende Fähigkeit bei der Verwendung eines Magnetkompasses. In einigen Teilen der Welt kann die Nichtberücksichtigung der Deklination zu einem Fehler von mehreren Grad führen, was dazu führt, dass der Benutzer viele Meilen vom beabsichtigten Ziel entfernt landet. Eine hervorragende Möglichkeit, den richtigen Umgang mit einem Kompass zu erlernen, ist die Teilnahme am Orientierungslauf. Dieser Sport beinhaltet die Verwendung einer Karte und eines Kompass, um mit anderen zu konkurrieren, um einen Weg von einem Startpunkt zu einem ausgewählten Ziel zu finden.

Die Zukunft

In den 1970er Jahren begann die US-Marine ein ehrgeiziges Projekt, das als Global Positioning System (GPS) bekannt ist. Das GPS-Projekt wurde in den 1980er Jahren von der US Air Force übernommen und im Juni 1993 abgeschlossen. GPS besteht aus einem System von 24 Satelliten mit Atomuhren, die extrem genaue Zeitsignale zur Erde senden. Durch die Analyse des genauen Zeitpunkts, zu dem diese Signale an einem Empfänger ankommen, ist es möglich, die Position mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Geräte, die nicht viel größer als ein gewöhnlicher Kompass sind, können den Standort innerhalb von etwa 30 m bestimmen.

Auf den ersten Blick mag es scheinen, als ob GPS den Magnetkompass überflüssig zu machen droht. Tatsächlich ist das genaue Gegenteil der Fall. Da GPS die Position, aber nicht die Richtung anzeigt, empfehlen Hersteller von GPS-Geräten die Verwendung mit einem Kompass. Kompasse haben auch den Vorteil, dass sie keine Energiezufuhr benötigen. Im Gegensatz zu GPS können Kompasse verwendet werden, wenn starker Baumbestand oder große Gebäude den Empfang elektronischer Signale blockieren. Obwohl GPS verspricht, die Navigation zu revolutionieren, werden traditionelle Kompasse ein wichtiger Bestandteil unserer Orientierung bleiben.