指南针

背景

指南针是一种用于确定地球表面方向的装置。最熟悉的罗盘类型是磁罗盘，它依赖于这样一个事实，即磁性物体往往会与地球磁场对齐。其他类型的指南针通过使用太阳或恒星的位置来确定方向，或者依赖于快速旋转的物体（陀螺仪）倾向于抵制从其轴指向的方向转向的事实。

磁罗盘的基本部件是指针（一块薄的磁性金属）、表盘（印有方向的圆形卡片）和外壳（将其他部件固定到位）。通常用作玩具的廉价指南针可能没有其他部件。用于更严肃目的的指南针通常具有其他部分，以使其更有用。这些其他部件可能包括盖子、盖子或保护指南针的外壳；使用透镜、棱镜或镜子使用户能够确定远处物体方向的瞄准器；以及标有英寸或毫米刻度的透明底板，以便指南针可以直接在地图上使用。

许多罗盘的一个重要功能是自动磁偏角调整。偏角，也称为方差，是磁北（指针指向的方向）与真北之间的差异。之所以存在这种差异，是因为地球的磁场与其北极和南极不完全对齐。赤纬量因地球表面上的不同地方而异。如果特定区域的偏角量已知，则自动偏角调整允许指南针用户直接从指南针读取真实方向，而不必在每次使用指南针时增加或减去偏角量。

历史

公元前 500 年 <小> 众所周知，磁石是一种天然存在的氧化铁形式，也称为磁铁矿，具有吸引铁的能力。没有人知道在何时何地第一次注意到一块自由移动的磁石倾向于将自身对齐，从而指向北方和南方。书面记录表明，中国人在公元 1100 年 使用磁罗盘 , 西欧人和阿拉伯人到 1200 A.D. , 和 1300 A.D. 之前的斯堪的纳维亚人

早期的指南针由一块木头上的一块磁石、一个软木塞或一根漂浮在一碗水中的芦苇组成。过了一会儿，一根磁石针绕在一个固定在水碗底部的销子上。到了 13 世纪，指南针上增加了一张标有方向的卡片。到 16 世纪中叶，水碗被悬挂在万向节上，这使得指南针在被海洋抛掷的船上使用时可以保持水平。

1745 年，英国发明家 Gowin Knight 开发了一种长期磁化钢的方法。这允许磁化钢针取代磁石针。 19 世纪初，钢铁开始广泛用于造船业。这导致磁罗盘的操作失真。 1837年，英国海军部成立了一个特别委员会来研究这个问题。到 1840 年，一种使用四根指针的新罗盘设计在克服这一困难方面取得了巨大成功，很快就被世界各地的海军采用。

直到 19 世纪中叶，航海者都使用干卡式罗盘（针在空气中旋转）和液体罗盘（针在水或其他液体中旋转）。干卡式罗盘容易受到冲击和振动的干扰，而液体罗盘则容易泄漏且难以维修。 1862 年，液体罗盘设计的改进很快使干卡罗盘在海军使用中过时了。到第一次世界大战时，英国军队在陆地上使用液体罗盘，液体罗盘仍然是最好的手持磁罗盘的标准。

原材料

磁罗盘的指针必须由金属物质制成，可以长时间磁化。罗盘针最常用的材料是钢。钢是铁和少量碳的合金。用于生产钢铁的原材料是铁矿石和焦炭（一种在没有空气的情况下将煤加热到高温而产生的富含碳的物质）。其他物质，如钴，经常被添加到钢中以生产合金，这种合金可以被磁化很长时间。

固定针头的外壳通常由丙烯酸塑料制成。丙烯酸塑料由化合物丙烯酸的各种衍生物制成。这些衍生物中最重要的是甲基丙烯酸甲酯。数以千计的甲基丙烯酸甲酯分子连接成一条长链，形成聚甲基丙烯酸甲酯，商品名为 Lucite 和 Plexiglas。聚甲基丙烯酸甲酯具有强度高、透明的优点。

制造
过程

做针

• 1 铁矿石、焦炭和石灰石在高炉中用热压缩空气加热。焦炭释放热量，熔化矿石，并释放一氧化碳，与矿石中的氧化铁反应释放铁。石灰石与矿石中的硫等杂质发生反应形成炉渣，炉渣漂浮在铁水上并被去除。这个过程的产物是生铁，它含有约90%的铁、3-5%的碳和各种杂质。
• 2 为了去除杂质和大部分碳，在高压下将氧气吹入熔融生铁中。杂质以炉渣的形式释放，碳以一氧化碳的形式释放。将剩余的钢水倒入模具中，冷却成每块重数千磅的钢锭。
• 3 将钢锭加热到大约 2,200° F (1,200° C) 并在开槽辊之间轧制以形成板坯。用巨大的剪刀切割板坯，重新加热，然后再次轧制，直到达到适合针的厚度。然后用锋利的模具将薄钢板冲压成针状。重复这个过程，用一张钢板生产许多针。
• 4 针从钢铁制造商运到罗盘制造商。在指南针工厂，针被手动插入自动转盘上的支架中。当转盘旋转时，针的“北”端喷上红色油漆，针的“南”端喷上白色油漆。随着针的继续前进，它会暴露在由电子磁化器产生的强磁场中。
• 5 从转盘上取下磁针，让油漆干燥。针也可以在烤箱中烘烤以干燥油漆。然后将它们存放在仓库中，直到需要组装为止。

制作房屋

• 6 聚甲基丙烯酸甲酯是通过将甲基丙烯酸甲酯溶液置于光、热或各种化学催化剂下形成的。然后通过称为注塑成型的工艺形成罗盘外壳的部件。加热聚甲基丙烯酸甲酯直到它熔化成液体。然后注入熔融塑料 一个简单的旋转针式罗盘的正面和侧视图。放入模具中，制成所需产品的形状。让模具冷却，打开，取出固体塑料。各种塑料部件从塑料制造商运送到指南针制造商，并在需要时进行储存。

组装指南针

• 7 当指南针制造商收到批发商的订单时，工厂经理会安排必要的零件从仓库发给装配线上的工人。随着罗盘沿着装配线前进，塑料部件会咬合在一起。一些塑料组件通过打印机移动，打印机会在其上印上公司徽标等标记，或带有用于地图的比例标记。
• 8 罗盘最关键的部件之一是小瓶，它装有针头。针在枢轴上保持平衡，使其能够自由移动。便宜的罗盘可能有一个钢制的枢轴，但最好的罗盘有宝石枢轴以防止磨损。宝石枢轴由非常坚硬的材料制成，例如锇铱合金，并覆盖有人造蓝宝石等材料。
• 9 将小瓶浸入用作润湿剂的液体中。阻尼器是一种物质，当针受到干扰时，它会使针更快地静止。各种液体用于阻尼器。这些液体必须是透明的，并且不得与指南针的任何组件发生反应。用于此目的的典型液体可能是乙醇和水的混合物。
• 10 用声波焊接密封装满液体的小瓶。这避免了将针暴露在高温下，这可能会干扰其磁性。在这个过程中，超声波被用来在小瓶要密封的地方熔化塑料。然后让塑料凝固，形成紧密的密封。随着密封小瓶卡在底板上，指南针的组装继续进行。 底板指南针。
• 11 已完成的罗盘包装方式可防止被盗和损坏。它们可能被包装在蛤蜊包装中，其中一个类似蛤壳的塑料容器围绕着罗盘。它们也可能采用泡罩包装，其中附在一块扁平纸板上的塑料泡罩环绕着指南针。包装好的指南针被放置在纸板箱中并运送给批发商。

质量控制

在制造过程的每个步骤中，构成指南针的各种组件都经过目视检查，如果有缺陷，则将其移除。常见的缺陷包括印刷错误和润版液中的气泡。指南针最重要的部分，磁针，不太可能有缺陷。针头不能正常工作的少数情况通常是由于消费者将针头暴露在强磁场或电场中造成的。在这种情况下，针可能会被重新磁化，使其指向后，“北”端指向南。

磁罗盘质量控制的最重要部分是用户学习如何正确使用罗盘的责任。指南针是非常可靠的工具，但如果用户不知道如何正确使用它们，它们就毫无用处。知道如何允许偏角是使用磁罗盘的一项关键技能。在世界的某些地方，不考虑偏角可能会导致几度的误差，从而导致用户偏离预定目的地数英里。学习正确使用指南针的一个很好的方法是参加定向运动。这项运动涉及使用地图和指南针与其他人竞争，寻找从起点到选定目的地的路径。

未来

1970 年代，美国海军开始了一项名为全球定位系统 (GPS) 的雄心勃勃的项目。 GPS 项目于 1980 年代由美国空军接管，并于 1993 年 6 月完成。 GPS 由一个包含 24 颗卫星的系统组成，其中包含向地球广播极其准确的时间信号的原子钟。通过分析这些信号到达接收器的确切时间，可以非常准确地确定位置。不比普通罗盘大多少的设备可以确定大约 100 ft (30 m) 内的位置。

乍一看，似乎 GPS 有可能使磁罗盘过时。事实上，恰恰相反。由于 GPS 指示位置而非方向，因此 GPS 设备制造商建议将其与指南针一起使用。指南针还具有不需要能源供应的优势。与 GPS 不同，当茂密的树木或大型建筑物阻碍接收电子信号时，可以使用指南针。尽管 GPS 有望彻底改变导航，但传统的指南针仍将是我们如何寻找道路的重要组成部分。