Boussole Et Compas
Il semble que ce soient les Chinois qui aient découvert les premiers la polarité de l'aimant et l'action directrice que la Terre exerce sur lui, dès les débuts de l'ère chrétienne, puisqu'un de leurs dictionnaires en fait mention en l'an 120… C’est cela précisément qui constitue le principe de base des instruments de repérage unidimensionnels horizontaux (boussole, compas). Mais les pôles magnétiques ne coïncident pas toujours avec les pôles géographiques (ce qui rappelle le problème d’Eléonore, l’étoile Polaire ). On peut toutefois adapter aisément la donnée à nos conventions de repérage. C’est la détermination du décalage angulaire, condition préalable, qui est loin d’être évidente.
Le nord magnétique
Eh oui, malheureusement, le nord magnétique n'est pas vraiment le Nord ! La direction dans laquelle pointe l'aiguille de la boussole est le nord magnétique, et pour obtenir la direction du nord géographique, il faut effectuer une correction qui est différente suivant l'endroit ou l'on se trouve, c'est la déclinaison magnétique :
peuples européens mettaient au point eux-mêmes leurs premières boussoles. En 1187 déjà existé en Chine au IIe siècle avant notre ère, sous la forme de cuillères à soupe, bien que l’utilisation consciente du magnétisme n’aurait été effective que huit siècles plus tard.
Le premier instrument ayant l'aspect de celui d'aujourd'hui est dû au Portugais Ferrande (1483).
Fonctionnement
Le principe de base de la boussole est le suivant : une petite aiguille aimantée de forme allongée est placée sur un pivot qui lui permet de tourner librement dans le plan horizontal. L'aiguille est alors orientée par le champ magnétique terrestre (vers son pôle nord), la Terre pouvant être assimilée à un gros aimant droit. Comme nous l'avons vu, le nord magnétique n'est pas tout à fait à la même place que le vrai nord ou le nord cartographique ; il diffère de quelques degrés selon l'endroit où l'observateur est placé. Plus celui-ci est près des pôles, plus grande est la force magnétique.
Mais quelle que soit la boussole, elle répond toujours aux mêmes propriétés :
- L'aiguille tourne et se positionne toujours dans la même direction ;
- Elle ne tourne pas dans un plan vertical mais seulement horizontal ;
- Les aiguilles de toutes les boussoles indiquent la même direction ;
- La confrontation d'une aiguille avec le même pôle d'un aimant implique la forte attraction d'une seule extrémité, l'autre présentant un comportement répulsif.
· La rose des vents est un cercle gradué de 0 à 360° et divisé en plusieurs parties qui indiquent notamment la position des quatre points cardinaux. L’aiguille oscille et tend à prendre une position d’équilibre stable, celle du nord magnétique.
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Utilisation Voici les conseils que donnerait lui même le grand navigateur Christophe Colomb pour utiliser une boussole :
compas sec et à l'eau... Le passé des compas se confond avec celui des boussoles. C'est pourquoi l'instrument désigné jusqu'au XIXème siècle sous le terme "compas sec", car non situé sur un socle d'eau, avait tout d'une boussole. Les premières descriptions précises des objets magnétiques de ce type permettant de connaître la direction du Sud nous viennent encore une fois de Chine. Normal, puisque la fonction comme l'objet étaient identiques . Le cadran du compas ci-dessous représente schématiquement la Petite Ourse, symbole du shao.  Mais jusqu'au 17ème siècle, une distinction existe, bien que purement conventionnelle : les topographes, sur la terre ferme, utilisent des boussoles indiquant le Sud tandis que les compas, surtout utilisés en milieu maritime, indiquent le Nord.  |
Dès 1650, il est fait état des déviations de l'aiguille dues aux masses ferreuses du container, mais c'est seulement en 1801 que Flinder, alors à bord du vaisseau Investigator, essaie d'apporter une solution grâce au cylindre de fer doux (tube de Flinders) qui équipe encore de nos jours les habitacles de type Thomson.
Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement du compas est très semblable à celui de la boussole. Tous deux utilisent l'orientation du champ magnétique terrestre disponible en tous lieux, en tous temps (comme le GPS !). L'utilisation du compas pour l'orientation d'un mobile assez rapide et instable est néanmoins particulièrement préférable à l'information donnée par une boussole. Si les compas étaient et sont d'ailleurs toujours l'élément indispensable des navires (obligatoire pour les embarcations de type II et au dessus), il n'est pas rare de constater leur présence dans des voitures haut de gamme, voire en série aux Etats-Unis où les noms de routes sont systématiquement complétés par leur orientation cardinale !
Un compas magnétique de marine est composé d'une cuvette, d'une ligne de foi avec ses alidades, et d'un équipage magnétique avec une rose graduée de 0° à 360°. Ces derniers sont montés sur un cardan afin de compenser les mouvements du navire. La rose possède en son centre une chape dans laquelle est sertie une pierre dure synthétique qui repose sur un pivot acéré ; du bon état de ces derniers dépend le bon fonctionnement du compas (en cas d'usure les frottements augmentent et la précision du compas s'en ressent). Les compas non secs sont remplis d'un mélange d'alcool et eau distillée, ou d'un distillat de pétrole. Comme le niveau du liquide est perpendiculaire à la force de gravité, l'aiguille est donc plane par rapport à l'horizontale quelle que soit (ou presque) la position du navire, ou de tout autre mobile.
Au XVIIe siècle, le quart de nonante remplaçait les astrolabes et l’arbalète, mais restait d’un emploi difficile par mer agitée, faute d’un moyen permettant la visée simultanée de l’astre et de la ligne d’horizon. L’invention des appareils à réflexion résolut le problème. C’est ainsi qu’en 1699 Newton créa le premier appareil à double réflexion, utilisant des miroirs. Puis en 1731, le mathématicien anglais Hadley (John de son prénom) et l'ingénieur américain Thomas Godfrey inventèrent simultanément mais indépendamment l’un de l’autre un quadrant réfléchissant, que l’on assimile aujourd’hui à un octant, mais à partir duquel va être créé le sextant, plus précis.
Contrairement à la boussole, le principe de fonctionnement de ce type d'appareil de navigation reste tout de même assez complexe et nécessite un petit apprentissage…
Composition et principe de fonctionnement
Un sextant est composé de deux miroirs, un fixe (A) et un mobile (B), d’une lunette de visée (O) et d’un arc de cercle gradué (voir le schéma 1). Cet arc de cercle est de 60°, soit un sixième de cercle, d’où le mot sextant. Le miroir fixe est appelé miroir d’horizon. Sa moitié supérieure est transparente alors que sa moitié inférieure est réfléchissante. Pour mesurer l’élévation d’un astre (l’angle 
), la démarcation entre les deux moitiés du miroir doit concorder avec l’horizon (H) lorsqu’on regarde dans la lunette de visée. Le second miroir, celui qui est mobile, est fixé à un levier (L) dont le point d’attache se trouve au sommet (S) de l’appareil. Ce miroir réfléchit la lumière provenant des astres vers le miroir fixe. En regardant dans la lunette de visée, on voit donc une partie du ciel étoilé superposé à l’horizon. Pour obtenir la mesure de l’élévation d’un objet céleste, il suffit de déplacer le miroir mobile jusqu’à ce que l’image de l’objet en question concorde avec la ligne d’horizon. Le levier indique alors un angle (l’angle 
) sur l’arc de cercle gradué. Cet angle est la moitié de l’élévation de l’astre, puisque la lumière subit deux réflexions. Lorsque la ligne d’horizon n’est pas visible, en ville ou en région montagneuse par exemple, la surface d’un liquide réfléchissant comme le mercure peut servir de ligne de référence.
Mais à cause de la rotation de la Terre sur elle-même, il peut être compliqué de déduire la latitude à partir de l’élévation d’un astre quelconque. Il est donc préférable d’utiliser comme astre de référence une étoile dont la position est fixe en tout temps. Dans l’hémisphère Nord, cette étoile est l’étoile Polaire (on se retrouve !). Mais au fait, pourquoi nous semble-t-elle immobile dans le ciel ? L'explication est simple : l’axe de rotation de la Terre pointe presque exactement dans sa direction (voir le schéma 2). Son élévation mesurée au point O (l’angle 
) ainsi que le quasi parallélisme des rayons de l'étoile permettent d'assimiler l'angle à l'angle théorique 
(bien que l'analogie ne soit pas illustrée par le schéma). Il est ainsi possible d’obtenir directement une mesure de la latitude (l’angle 
) de l’endroit où l’on se trouve. Dans le schéma 2, on a en effet, d'après le théorème de Thalès :
Ce qui prouve que les triangles SAB et COA sont semblables. Il en résulte 
.
Or, 
et est déterminé grâce au sextant. Comme 
, on a donc successivement :
L'angle mesuré au sextant correspond donc à l'angle qui est précisément la latitude cherchée !
Malheureusement, l’étoile Polaire n'a pas d'homologue dans l’hémisphère Sud. Il faut alors se servir d’étoiles qui ne sont pas fixes pour déterminer la latitude, ce qui peut s’avérer particulièrement complexe et nécessite un couplage avec l'estime (pour l'observation de la configuration céleste) pour se reporter efficacement sur une carte de la voûte céleste déterminée à une heure précise.
