Впервые с 1936 года был изобретён новый компас

Автор видео — инструктор по навигации — утверждает, что изобрёл новый тип компаса. Разработку он публикует в открытом доступе, чтобы ни один производитель не смог запатентовать идею и монополизировать её. Никакой новой физики за изобретением нет: все принципы, на которых оно построено, известны столетиями. Новизна — исключительно в геометрии.

Внешне изобретение — простое металлическое кольцо. Однако с его помощью можно собрать планшетный компас, где колебания стрелки гасятся за счёт электромагнитной индукции, а не жидкости. Раз жидкости нет — не будет и пузырьков воздуха, неизбежных в жидкостных приборах при перепадах температуры и высоты.

В любом полевом компасе стоит маленький магнит. Под действием магнитного поля Земли он разворачивается и встаёт вдоль линии север–юг. Жидкость в капсуле гасит колебания и ускоряет стабилизацию. Форма магнита бывает разной: круглой — как в военном компасе Cammenga 3H — или игольчатой. Но у всех полевых компасов два коренных недостатка. Первый: магнит в приборе крайне слаб, а магнитное поле Земли и само по себе еле уловимо, поэтому сила взаимодействия ничтожна — доли ньютона. Второй: стрелка не встаёт на место сразу, а раскачивается, проскакивает положение равновесия и лишь постепенно замирает.

С первым недостатком бороться почти невозможно — магнитное поле планеты не усилить. Некоторые производители ставят более мощные магниты: так, в компасе Silva Expedition Neo стрелка содержит неодимовый магнит, — но и он не устраняет раскачку полностью.

Со временем сложилось два основных подхода к ускорению стабилизации. Первый — жидкостное демпфирование. Стрелку помещают в герметичную капсулу с жидкостью, а капсулу крепят к прозрачной акриловой пластине. При отклонении стрелки жидкость оказывает сдвиговое сопротивление, и магнит успокаивается гораздо быстрее, чем на воздухе. Второй — индукционное демпфирование. Когда намагниченная стрелка движется над токопроводящей — обычно медной — пластиной, в металле наводятся вихревые токи (токи Фуко). Впервые подобные токи обнаружил Д. Ф. Араго в 1824 году: медный диск, расположенный на оси под вращающейся магнитной стрелкой, приходил во вращение за счёт наведённых в нём вихревых токов. Подробно исследовал явление Жан Фуко, чьим именем впоследствии назвали вихревые токи; в 1855 году он обнаружил, что медный диск, вращающийся между полюсами магнита, нагревается от наведённых в нём токов. Применительно к компасу вихревые токи создают в пластине магнитное поле, направленное против хода стрелки. Проводники, движущиеся в сильном магнитном поле, испытывают торможение за счёт взаимодействия токов Фуко с внешним полем; на том же принципе построено демпфирование подвижных частей гальванометров, сейсмографов и других приборов — без механического трения. Стрелка, по сути, притормаживает сама себя — бесконтактно, одной физикой. Индукционное демпфирование встречается прежде всего в военных компасах — Cammenga 3H, призматическом Francis Barker, — а также в геологическом компасе Brunton 9077.

У каждого подхода свои сильные и слабые стороны. Жидкостные компасы позволяют читать карту сквозь прозрачную шкалу — удобно при прокладке маршрута. Зато со временем в капсуле появляются пузырьки. В индукционных приборах пузырьков быть не может — жидкости нет, — но и карту сквозь металлическую шкалу не разглядеть. Для точного определения азимута по карте нужен транспортир, а его большинство людей с собой не носит.

Некоторые фирмы пытались совместить достоинства обеих систем. В 1960-х годах Silva выпустила модель Type 5 с индукционным демпфированием на прозрачной плате. Из более современных образцов — Cammenga Destinate с тритиевой подсветкой, рассчитанный на работу днём и ночью. Однако ни одна из гибридных моделей не прижилась на рынке: карту сквозь шкалу по-прежнему не прочитать, транспортир всё равно нужен.

Здесь и вступает в дело медное кольцо. До сих пор для индукционного демпфирования всегда использовали плоскую токопроводящую пластину под стрелкой. Но физике безразлично, где находится проводник — снизу, сверху или по периметру: важно лишь взаимное перемещение магнита и проводника. Автор видео всего лишь изменил геометрию — поместил токопроводящий материал не под стрелку, а кольцом вокруг неё. Стрелка колеблется внутри «тормозного поля» кольца, наводя в нём вихревые токи. Физика та же, что в большинстве военных компасов, — иная лишь компоновка. А раз непрозрачная пластина под стрелкой не нужна, механизм можно разместить на прозрачной плате и читать карту прямо через корпус — чего до сих пор не удавалось ни одному безжидкостному компасу.

Автор подчёркивает: решение опубликовать идею — сознательное. Запатентовать общий принцип магнитного компаса нельзя — китайцы пользовались им тысячелетия назад, чтобы плавать до берегов Аравии, а викинги с помощью магнитной навигации достигли нынешней Северной Америки. Нельзя запатентовать и индукционное демпфирование — вихревые токи обнаружены ещё в 1824 году. Жидкостное демпфирование тоже имеет давнюю историю: на заседании Лондонского королевского общества в 1690 году Галлей представил рабочую модель магнитного компаса с жидкостным корпусом, гасящим раскачку намагниченной стрелки. Но запатентовать конкретный механизм или компонент — можно, и именно в такую категорию попадает кольцо. Новый способ управления колебаниями автор отдаёт безвозмездно.

В видео показан сравнительный опыт. Две одинаковые стрелки — одну с металлическим кольцом, другую без — отклоняют от севера и одновременно отпускают. Стрелка в кольце замирает за считанные секунды; свободная качается значительно дольше. По словам автора, опыт повторён тысячи раз с кольцами разной толщины, разного диаметра и состава; результат каждый раз воспроизводим.

Кольца изготовлены с высокой точностью на предприятии в Великобритании. Внутренний диаметр у всех одинаков, но толщина стенки у каждого следующего ровно на 0,1 мм меньше, а сплав — немного иной. Оптимальное сочетание параметров автор подбирал по логарифмической зависимости от массы: разная масса даёт разные демпфирующие характеристики. Одна из комбинаций по скорости стабилизации не уступает лучшим серийным компасам, но какая именно — не раскрывается: производителям оставлена возможность найти собственный «рецепт» и сохранить конкурентное преимущество.

Для испытаний выбрана электролитическая медь огневого рафинирования — ETP (Electrolytic Tough Pitch), марка UNS C11000. Чистота ETP-меди — не ниже 99,90 %, а проводимость по шкале IACS — не менее 100 %. Автор выбрал именно её, потому что проводимость определяет силу индукционного торможения: чем она выше, тем интенсивнее вихревые токи и тем быстрее гаснут колебания. Будь в меди заметные примеси цинка, олова или другого случайного лома, демпфирование ослабло бы, а результаты стали бы непредсказуемыми. Публично автор называет содержание меди «не ниже 98 %», сознательно округляя и оставляя точный состав за скобками. Главное — проводимость 100 % IACS: при таком показателе вихревые токи плавно циркулируют в кольце и мягко тормозят стрелку. Прочие параметры — твёрдость, теплопроводность — важны лишь для технологии: кольцо должно легко поддаваться точной обработке, но не гнуться при падении.

Почему изобретатель не наладит производство сам? Денег не хватает: ни на полноценный цикл разработки, ни на оснастку (даже опытная партия колец обошлась в серьёзную сумму), ни тем более на патентную защиту по всему миру, которая, по собственному признанию автора, всё равно не остановит копирование. Изобретатель предлагает любому производителю — в том числе из «страны на букву C» — взять идею и довести до серийного выпуска. Он надеется, что через несколько лет подобные компасы появятся в продаже — и покупатели будут знать, откуда пришла идея.