Boussole

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Contexte

Une boussole est un appareil utilisé pour déterminer la direction à la surface de la terre. Le type de boussole le plus connu est la boussole magnétique, qui repose sur le fait qu'un objet magnétique a tendance à s'aligner sur le champ magnétique terrestre. D'autres types de boussoles déterminent la direction en utilisant la position du Soleil ou d'une étoile, ou en se fondant sur le fait qu'un objet en rotation rapide (un gyroscope) a tendance à résister à être détourné de la direction dans laquelle son axe pointe.

Les éléments de base d'une boussole magnétique sont l'aiguille (un mince morceau de métal magnétique), le cadran (une carte circulaire imprimée avec des instructions) et le boîtier (qui maintient les autres pièces en place). Les boussoles bon marché, généralement utilisées comme jouets, peuvent n'avoir aucune autre pièce. Les boussoles destinées à des fins plus sérieuses ont généralement d'autres pièces pour les rendre plus utiles. Ces autres pièces peuvent inclure des couvercles, des couvercles ou des étuis pour protéger la boussole ; des viseurs utilisant des lentilles, des prismes ou des miroirs pour permettre à l'utilisateur de déterminer la direction d'un objet au loin ; et une plaque de base transparente marquée d'une échelle de pouces ou de millimètres afin que la boussole puisse être utilisée directement sur une carte.

Une caractéristique importante trouvée sur de nombreuses boussoles est le réglage automatique de la déclinaison. La déclinaison, également connue sous le nom de variance, est la différence entre le nord magnétique (la direction vers laquelle pointe l'aiguille) et le vrai nord. Cette différence existe parce que le champ magnétique de la Terre ne s'aligne pas exactement avec ses pôles Nord et Sud. La quantité de déclinaison varie d'un endroit à l'autre sur la surface de la Terre. Si la quantité de déclinaison est connue pour une zone particulière, le réglage automatique de la déclinaison permet à l'utilisateur de la boussole de lire la direction réelle directement à partir de la boussole plutôt que d'avoir à ajouter ou soustraire la quantité de déclinaison à chaque fois que la boussole est utilisée.

Historique

Vers 500 av. , on savait que la magnétite, une forme naturelle d'oxyde de fer également connue sous le nom de magnétite, avait la capacité d'attirer le fer. Personne ne sait où ni quand il a été remarqué pour la première fois qu'un morceau de magnétite se déplaçant librement avait tendance à s'aligner de manière à pointer vers le nord et le sud. Les documents écrits indiquent que les Chinois utilisaient des compas magnétiques vers 1100 A.D. , les Européens de l'Ouest et les Arabes vers 1200 A.D. , et les Scandinaves vers 1300 A.D.

Les premières boussoles consistaient en un morceau de magnétite sur un morceau de bois, un liège ou un roseau flottant dans un bol d'eau. Un peu plus tard, une aiguille de magnétite pivota sur un axe fixé au fond d'un bol d'eau. Au XIIIe siècle, une carte marquée de directions a été ajoutée à la boussole. Au milieu du XVIe siècle, le bol d'eau était suspendu à des cardans, ce qui permettait à la boussole de rester à niveau tout en étant utilisée à bord d'un navire ballotté par l'océan.

En 1745, l'inventeur anglais Gowin Knight a développé une méthode pour magnétiser l'acier pendant de longues périodes. Cela a permis aux aiguilles d'acier magnétisé de remplacer les aiguilles de magnétite. Au début du XIXe siècle, le fer et l'acier ont commencé à être largement utilisés dans la construction navale. Cela a causé des distorsions dans le fonctionnement des boussoles magnétiques. En 1837, l'Amirauté britannique mit en place une commission spéciale pour étudier le problème. En 1840, une nouvelle conception de boussole utilisant quatre aiguilles réussit si bien à surmonter cette difficulté qu'elle fut bientôt adoptée par les marines du monde entier.

Jusqu'au milieu du XIXe siècle, les navigateurs utilisaient à la fois des boussoles à carte sèche, dans lesquelles l'aiguille pivotait dans l'air, et des boussoles liquides, dans lesquelles l'aiguille pivotait dans l'eau ou un autre liquide. Les boussoles à carte sèche étaient facilement perturbées par les chocs et les vibrations, tandis que les boussoles liquides avaient tendance à fuir et étaient difficiles à réparer. En 1862, les améliorations apportées à la conception des boussoles liquides ont rapidement rendu la boussole à carte sèche obsolète pour une utilisation navale. Avant la Première Guerre mondiale, l'armée britannique utilisait des boussoles liquides sur terre, et les boussoles liquides sont toujours la norme pour les meilleures boussoles magnétiques portables.

Matières premières

L'aiguille d'une boussole magnétique doit être constituée d'une substance métallique, qui peut être magnétisée pendant une période de temps prolongée. La substance la plus couramment utilisée pour les aiguilles de boussole est l'acier. L'acier est un alliage de fer et d'une petite quantité de carbone. Les matières premières utilisées pour produire de l'acier sont le minerai de fer et le coke (une substance riche en carbone produite en chauffant le charbon à une température élevée en l'absence d'air). D'autres substances telles que le cobalt sont souvent ajoutées à l'acier pour produire des alliages, qui peuvent être magnétisés pendant très longtemps.

Le boîtier qui maintient l'aiguille en place est souvent en plastique acrylique. Les plastiques acryliques sont produits à partir de divers dérivés du composé chimique acide acrylique. Le plus important de ces dérivés est le méthacrylate de méthyle. Des milliers de molécules de méthacrylate de méthyle sont liées en une longue chaîne pour former du polyméthacrylate de méthyle, connu sous les noms commerciaux Lucite et Plexiglas. Le polyméthacrylate de méthyle a l'avantage d'être solide et transparent.

Le processus de fabrication

Fabrication de l'aiguille

• 1 Le minerai de fer, le coke et le calcaire sont chauffés dans un haut fourneau par de l'air chaud sous pression. Le coke dégage de la chaleur, qui fait fondre le minerai, et du monoxyde de carbone, qui réagit avec les oxydes de fer contenus dans le minerai pour libérer du fer. Le calcaire réagit avec les impuretés du minerai telles que le soufre pour former des scories, qui flottent sur le fer en fusion et sont éliminées. Le produit de ce processus est la fonte brute, qui contient environ 90 % de fer, 3 à 5 % de carbone et diverses impuretés.
• 2 Pour éliminer les impuretés et la majeure partie du carbone, de l'oxygène est injecté dans la fonte en fusion sous haute pression. Les impuretés sont libérées sous forme de scories et le carbone est libéré sous forme de monoxyde de carbone. L'acier fondu restant est versé dans des moules et laissé refroidir en lingots pesant des milliers de livres chacun.
• 3 Les lingots sont chauffés à environ 2 200° F (1 200° C) et roulés entre des rouleaux rainurés pour former des brames. La dalle est coupée avec des cisailles géantes, réchauffée et roulée à nouveau jusqu'à ce qu'elle ait l'épaisseur appropriée pour les aiguilles. La fine feuille d'acier est ensuite estampée avec une matrice pointue en forme d'aiguille. Le processus est répété pour produire de nombreuses aiguilles à partir d'une seule feuille d'acier.
• 4 Les aiguilles sont expédiées du fabricant de l'acier au fabricant de la boussole. À l'usine de boussoles, les aiguilles sont insérées à la main dans des supports sur un plateau tournant automatisé. Lorsque le plateau tourne, l'extrémité « nord » de l'aiguille est pulvérisée avec de la peinture rouge et l'extrémité « sud » de l'aiguille est pulvérisée avec de la peinture blanche. Au fur et à mesure que l'aiguille continue, elle est exposée à un champ magnétique puissant produit par un magnétiseur électronique.
• 5 Les aiguilles aimantées sont retirées du plateau tournant et la peinture est laissée à sécher. Les aiguilles peuvent également être cuites dans un four pour sécher la peinture. Ils sont ensuite stockés jusqu'à ce qu'ils soient nécessaires pour l'assemblage.

Réalisation du boîtier

• 6 Le polyméthacrylate de méthyle est formé en soumettant une solution de méthacrylate de méthyle à la lumière, à la chaleur ou à divers catalyseurs chimiques. Les composants du boîtier de la boussole sont ensuite formés par un procédé connu sous le nom de moulage par injection. Le polyméthacrylate de méthyle est chauffé jusqu'à ce qu'il fonde en un liquide. Le plastique fondu est ensuite injecté Vue frontale et latérale d'une simple boussole à aiguille pivotante. dans un moule à la forme du produit désiré. Le moule est laissé refroidir, ouvert et le plastique solide est retiré. Les divers composants en plastique sont expédiés du fabricant de plastique au fabricant de la boussole et stockés jusqu'à ce qu'ils soient nécessaires.

Assemblage de la boussole

• 7 Lorsque le fabricant de boussoles reçoit une commande d'un grossiste, le directeur de l'usine fait en sorte que les pièces nécessaires soient livrées du stockage aux ouvriers d'une chaîne de montage. Au fur et à mesure que la boussole progresse le long de la chaîne de montage, les composants en plastique sont assemblés. Certains composants en plastique passent par des imprimantes, qui les tamponnent avec des marques telles qu'un logo d'entreprise ou avec des marques d'échelle à utiliser avec des cartes.
• 8 L'un des composants les plus critiques d'une boussole est le flacon, qui contient l'aiguille. L'aiguille est équilibrée sur un pivot pour lui permettre de se déplacer librement. Les boussoles bon marché peuvent avoir un pivot en acier, mais les meilleures boussoles ont des pivots ornés de pierres précieuses afin de résister à l'usure. Les pivots bijou sont constitués de matériaux très durs tels qu'un alliage osmium-iridium et sont coiffés d'un matériau tel que le saphir artificiel.
• 9 Les flacons sont trempés dans un liquide qui servira de mouilleur. Un amortisseur est une substance qui fait que l'aiguille s'immobilise plus rapidement lorsqu'elle est dérangée. Divers liquides sont utilisés pour les amortisseurs. Ces liquides doivent être transparents et ne doivent réagir avec aucun des composants de la boussole. Un liquide typique utilisé à cette fin pourrait être un mélange d'alcool éthylique et d'eau.
• 10 Les flacons remplis de liquide sont scellés par soudage sonique. Cela évite d'exposer l'aiguille à la chaleur, ce qui pourrait perturber son magnétisme. Dans ce processus, des ondes ultrasonores sont utilisées pour faire fondre le plastique à l'endroit où le flacon doit être scellé. Le plastique est ensuite autorisé à se solidifier, formant un joint étanche. L'assemblage de la boussole se poursuit tandis que le flacon scellé est encliqueté sur une plaque de base. Une boussole à plaque de base.
• 11 Les boussoles terminées sont emballées de manière à les protéger du vol et des dommages. Ils peuvent être emballés dans un emballage de palourdes, dans lequel un récipient en plastique ressemblant à une coquille de palourde entoure la boussole. Ils peuvent également être emballés sous blister, dans lequel une bulle en plastique fixée à un morceau de carton plat entoure la boussole. Les boussoles emballées sont placées dans des boîtes en carton et expédiées au grossiste.

Contrôle qualité

A chaque étape du processus de fabrication, les différents composants qui composent la boussole sont inspectés visuellement et retirés s'ils sont défectueux. Les imperfections courantes incluent des erreurs d'impression et des bulles dans le liquide de mouillage. La partie la plus importante de la boussole, l'aiguille magnétique, est très peu susceptible d'être défectueuse. Les quelques cas dans lesquels l'aiguille ne fonctionne pas correctement sont généralement causés par le consommateur exposant l'aiguille à un champ magnétique ou électrique puissant. Dans de tels cas, l'aiguille peut être remagnétisée de manière à ce qu'elle pointe vers l'arrière, avec l'extrémité « nord » pointant vers le sud.

La partie la plus importante du contrôle qualité d'un compas magnétique est la responsabilité de l'utilisateur d'apprendre à utiliser correctement le compas. Les boussoles sont des instruments très fiables, mais elles sont inutiles si l'utilisateur ne sait pas s'en servir correctement. Savoir comment autoriser la déclinaison est une compétence essentielle dans l'utilisation d'un compas magnétique. Dans certaines parties du monde, le fait de ne pas autoriser la déclinaison peut entraîner une erreur de plusieurs degrés, obligeant l'utilisateur à se déplacer à plusieurs kilomètres de la destination prévue. Une excellente façon d'apprendre à utiliser correctement une boussole est de participer au sport de la course d'orientation. Ce sport consiste à utiliser une carte et une boussole pour rivaliser avec les autres pour trouver un chemin d'un point de départ à une destination sélectionnée.

Le futur

Au cours des années 1970, la marine américaine a lancé un projet ambitieux connu sous le nom de Global Positioning System (GPS). Le projet GPS a été repris par l'US Air Force dans les années 1980 et achevé en juin 1993. Le GPS consiste en un système de 24 satellites contenant des horloges atomiques qui diffusent des signaux horaires extrêmement précis vers la Terre. En analysant l'heure exacte à laquelle ces signaux arrivent à un récepteur, il est possible de déterminer la position avec une grande précision. Les appareils pas beaucoup plus gros qu'une boussole ordinaire peuvent déterminer l'emplacement dans un rayon d'environ 100 pi (30 m).

À première vue, il peut sembler que le GPS menace de rendre la boussole magnétique obsolète. En fait, le contraire est vrai. Étant donné que le GPS indique la position mais pas la direction, les fabricants d'équipements GPS recommandent de l'utiliser avec une boussole. Les boussoles ont également l'avantage de ne nécessiter aucune alimentation en énergie. Contrairement au GPS, les boussoles peuvent être utilisées lorsqu'un couvert forestier dense ou de grands bâtiments bloquent la réception des signaux électroniques. Bien que le GPS promet de révolutionner la navigation, les boussoles traditionnelles resteront un élément essentiel dans la façon dont nous nous orientons.