MAGNETISMO TERRESTRE E NAVALE BUSSOLA MAGNETICA GIROBUSSOLA
MAGNETISMO TERRESTE E NAVALE.
MAGNETISMO TERRESTRE In questa sede verranno forniti brevi cenni di magnetismo terreste utili a comprendere i fenomeni ad esso collegati ed interessanti per gli scopi del corso. II globo terracqueo è sede di un campo magnetico che si può immaginare come generato da un magnete posto nell'interno di esso, inclinato rispetto all'asse di rotazione, NON passante per il centro della Terra, ed avente la polarità Nord rivolta verso l'emisfero Sud e quella Sud verso l'emisfero Nord. Nord. •L'asse del magnete capace di produrre il campo magnetico terrestre, incontra la Terra in due punti che prendono il nome di Polo Magnetico Nord (emisfero Nord) e Polo Magnetico Sud (emisfero Sud) •In ogni punto della superficie terrestre un magnete sospeso per il suo centro di gravita, dirige, verso il Polo Magnetico Nord, Nord, quella delle sue estremità che viene chiamata rossa, rossa, e verso il Polo Magnetico Sud, Sud, quella che viene chiamata azzurra. azzurra. La coppia che dirige il magnete è tanto maggiore, quanto più grandi sono la massa magnetica m del magnete e la sua lunghezza L, cioè quanto maggiore è il suo momento magnetico M=mL. M=mL. •I poli magnetici terrestri NON coincidono con i poli geografici.
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Declinazione Magnetica
In un determinato punto della Terra l'angolo tra la direzione, del Nord vero e la direzione del Nord magnetico si chiama
DECLINAZIONE MAGNETICA e si indica con d. Avremo dunque la presenza di un Polo Nord Geografico ed un Polo Nord Magnetico, di un Polo Sud Geografico ed un Polo Sud Magnetico. I poli magnetici si spostano in modo impercettibile ma continuo nel corso degli anni e si è arrivati a calcolare che tra circa 20.000 anni i due Poli saranno invertiti. La Declinazione Magnetica varia nel tempo e da punto a punto della superficie terrestre in in cui ci si trova. La Declinazione Magnetica è indipendente dalla prora della nave, ma dipende esclusivamente esclusivamente dalla sua posizione geografica. La Declinazione Magnetica non è costante nel tempo, a causa del lento spostamento del poli poli magnetici. Riferendosi ai poli magnetici, per similitudine, si può in qualche qualche modo parlare di meridiani magnetici ed analogamente di paralleli magnetici ed Equatore magnetico. magnetico.
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Le linee di forza del campo magnetico terrestre variano la loro inclinazione rispetto al piano orizzontale in relazione alla latitudine magnetica dell'osservatore. L'inclinazione, rispetto al piano orizzontale, delle linee di forza del campo magnetico terrestre è zero all'Equatore magnetico e cresce progressivamente quasi fino a 90° in prossimità dei poli. poli. In una posizione geografica intermedia tra equatore magnetico e polo magnetico, la forza magnetica del campo magnetico terrestre "F "F", diretta lungo la direttrice delle linee di forza, può essere scomposta in due componenti Z ed H
La componente H, (quella orizzontale) è LA SOLA COMPONENTE UTILE PER L'ORIENTAMENTO DELLA BUSSOLA. BUSSOLA. Tale componente si riduce progressivamente avvicinandosi ai poli magnetici con l'aumentare della inclinazione delle linee di forza. Tale componente si riduce progressivamente avvicinandosi ai poli magnetici con l'aumentare della inclinazione delle linee di forza. Nelle carte nautiche la declinazione del luogo è calcolata e riportata riportata a stampa in vari punti della carta stessa sarà indispensabile tenerne conto per correggere i valori indicati dalla dalla nostra bussola (Pb = Prora Bussola)
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Linee di uguale forza magnetica
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Linee di uguale Declinazione Magnetica
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Sulle carte nautiche italiane, edite dall'Istituto Idrografico della Marina, il valore della declinazione magnetica è indicato all'interno delle rose graduate con delle scritte sovra impresse in colore Magenta, Magenta, che indicano: •Il valore ed il segno della declinazione magnetica, ( Attenzione Declinazioni Est Positive E = +; Declinazioni Ovest Negative W = -) •L'anno a cui si riferisce tale valore •L'entità della variazione annuale della declinazione
Nota bene: l'indicazione relativa al cambiamento della declinazione declinazione magnetica, con il passare degli anni, è riferita al "valore assoluto" della declinazione: "Aumenta" significa che la declinazione crescerà in valore assoluto assoluto a partire dall'anno di riferimento, sia essa di segno Est, sia di segno Ovest "Diminuisce" comporta che la declinazione diminuirà in valore assoluto, assoluto, sia essa di segno Est, sia di segno Ovest può capitare che, per effetto della diminuzione del suo valore nel tempo, tempo, la declinazione cambi il suo segno iniziale. iniziale.
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Un Paio di semplici esempi di calcolo Esempio: •Decl.(1980) Decl.(1980) 0° 40' E Aumenta annualmente di 5' circa Che va letta come segue:
La declinazione magnetica nel 1980 era 0° 40' Est (cioè segno +) la declinazione aumenta ogni anno di 5' in relazione al (lento) spostamento dei poli magnetici Facciamo il calcolo della declinazione per l'anno 2005 d (1980) 0° 40’ E variazione + 2°05’ (5’x25anni = 125’) d (2005)
2°45’ E= +2°,7 il segno della d è + perché Est
(per trasformare i primi in decimi: 45 : 60 x 10 = 7,5 approssimando approssimando per difetto 7decimi) 7decimi) Su un’altra carta leggo nella “rosa” Decl. (1983) 1° 35' W Diminuisce annualmente di 7' circa La declinazione magnetica nel 1983 era 1° 35' Ovest (cioè segno - ) la declinazione aumenta ogni anno di 5' in relazione al (lento) spostamento dei poli magnetici La declinazione magnetica per l’anno 2005 è: d (1983) 1° 35’ W variazione - 2° 22’ (7’x 25 anni = 175’) d(2005)
0° 47’ E = +0,8 il segno della deviazione è diventato positivo
(per trasformare i primi in decimi: 47: 60 x 10 = 7,8 approssimando approssimando per eccesso 8 decimi) decimi) Se non esistesse altro tipo di perturbazione si potrebbe scrivere: scrivere: PV= (Pb +/+/- d) La Prora Vera (Pv ) è uguale alla Prora Bussola (Pb ) corretta del valore di Declinazione magnetica (d (Pv) (Pb) (d) calcolato nel punto e per il momento della navigazione. Attenzione questa formula non considera la Deviazione della bussola bussola magnetica Corso integrativo per patente nautica
Magnetismo Navale E’ noto che un’unità navale può essere ricondotta con buona approssimazione approssimazione ad un magnete immerso nel campo magnetico terreste. E’ necessario, per comprendere meglio il fenomeno “Magnete “Magnete Nave”, Nave”, introdurre altre due definizioni: •La Permeabilità Magnetica che è la capacità di magnetizzarsi di un materiale. •La Forza Coercitiva che è la capacità del materiale di mantenere il suo stato di magnetizzazione. magnetizzazione. Le caratteristiche del “Magnete “Magnete Nave” Nave” varieranno in base ad innumerevoli fattori quali ad esempio il materiale costruttivo dello scafo, le dimensioni, il numero e la potenza degli degli apparati elettrici di bordo etc. etc. etc. Possiamo comunque per semplicità sintetizzare il “Magnete “Magnete Nave” Nave” come composto da “ Ferri Duri” Duri” e “Ferri “Ferri Dolci”. Dolci”. Intendendo con la dizione “Ferri “Ferri Duri” Duri” (ricchi di carbonio) tutti quei componenti come ad esempio lo scafo (naturalmente nelle unità con scafo metallico) che hanno una minore permeabilità magnetica ed una grande forza coercitiva. coercitiva. I “Ferri “Ferri Duri” Duri” si magnetizzeranno molto lentamente ma una volta magnetizzati manterranno il loro magnetismo per lunghissimo tempo. Il classico caso di magnetizzazione permanente dei “Ferri Duri” si ha durante la costruzione e l’allestimento della nave, poiché lo scafo rimanendo per mesi durante la costruzione costruzione nella stessa posizione, verrà attraversato dalle linee di forza del campo magnetico terrestre che inducendo una debolissima corrente elettrica porteranno ad una magnetizzazione permanente dei “Ferri Duri”. Duri”. Con la dizione “Ferri “Ferri Dolci” Dolci” viceversa intendiamo tutti quegli elementi (a basso tenore di carbonio) che hanno grande permeabilità magnetica ma bassa forza coercitiva. coercitiva. Questi elementi si magnetizzano in modo rapidissimo ed allo stesso stesso modo perdono la loro magneticità se sono allontanati dalla causa che ha provocato il magnetismo. Esempio classico sono i circuiti di un motore elettrico. Quando il motore è in funzione provoca un campo magnetico mentre quando è spento il campo magnetico è completamente diverso. Un conduttore (cavo elettrico) attraversato attraversato da corrente, genera un campo magnetico ad esso concatenato, di forza proporzionale all’intensità di corrente corrente e direzione ortogonale al conduttore stesso (Faraday (Faraday,, Newman). Newman).
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Avremo dunque un
Campo Magnetico Permanente prodotto dai “Ferri Duri”. Questo campo magnetico è un campo magnetico costante, si forma durante durante la costruzione della nave e prende un assetto definitivo alcuni mesi dopo il termine dell’allestimento. dell’allestimento. Ed un
Campo Magnetico Temporaneo prodotto dai “Ferri “Ferri Dolci”. Dolci”. Questo campo magnetico varierà con le condizioni della nave, con i macchinari in moto e con i materiali
ferrosi imbarcati e sbarcati dalla nave.
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La Bussola Magnetica La bussola è uno strumento per l'orientamento, fondamentale nella nella navigazione marittima e aerea. Il principio su cui si fonda la bussola magnetica riguarda l'interazione l'interazione tra l'ago calamitato e il campo magnetico terrestre. Un magnete libero di muoversi, i cui poli non siano disposti lungo lungo la congiungente tra i due opposti poli magnetici terrestri, subisce l'azione di una coppia di forze di modulo uguale, verso opposto e braccio non nullo, che lo fa ruotare fino ad assumere la direzione delle linee di forza forza del campo magnetico terrestre.
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Brevi Cenni Storici
L'ago magnetico sarebbe stato usato in Cina fin dal 2600 a. C. Antichi annali cinesi riferiscono, infatti, di un carro sul quale quale si trovavano alcune figure dalle sembianze umane che, con il braccio braccio teso in avanti, indicavano il Sud, Sud, ossia il punto cardinale più importante per i Cinesi. I primi cenni storici sull'utilizzazione in Europa della forza direttiva direttiva magnetica risalgono alla fine del sec. XII o al principio del XIII XIII e attribuiscono agli Amalfitani lo sfruttamento delle proprietà del magnete. Questa primitiva bussola consisteva in una sbarretta magnetizzata magnetizzata fissata sopra una canna di legno, galleggiante in un recipiente d'acqua. La sospensione cardanica fece la sua prima apparizione intorno alla metà del sec. XVI Al principio del sec. XIX apparvero le prime bussole a secco realizzate con criteri scientifici. Nel 1838 si riunì in Inghilterra Inghilterra un'apposita Commissione, che definì la cosiddetta bussola normale dell'Ammiragliato inglese (Admiralty (Admiralty Standard Compass), Compass), a quattro aghi, costruita secondo precisi principi di meccanica e di magnetismo. Fu usata su navi in ferro fino a quando, nel 1877, Sir W. Thomson non costruì la bussola basata sul principio di una rosa leggerissima con otto piccoli aghi, che si affermò in breve tempo.
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La BUSSOLA A SECCO "THOMSON" rimase in uso fino ai primi decenni del Novecento, nonostante l'entrata in uso delle più moderne ma ancora imperfette bussole a liquido. La rosa dei venti, disegnata su carta e sostenuta da un sottilissimo anello di alluminio, è collegata con fili di seta al cappelletto di sospensione e all'elemento sensibile, costituito da otto aghi in fili d'acciaio. Per diminuire ulteriormente l'attrito, la punta di sospensione è di iridio e nel cappelletto è incastrata una pietra pietra di zaffiro. Il peso complessivo della rosa è inferiore a 20 grammi. grammi. Solo verso la fine dell'Ottocento s'introdussero le bussole a liquido
La BUSSOLA A LIQUIDO "MAGNAGHI" "MAGNAGHI" fu costruita presso le officine di precisione dell'Istituto Idrografico, su progetto dell'Ammiraglio G. B. Magnaghi, Magnaghi, fondatore e primo direttore dell'Istituto stesso. Fu, quindi, la prima bussola magnetica a liquido in uso presso la Marina italiana. La graduazione, su corona metallica, poggia sul galleggiante munito di quattro fasci di tre aghi ciascuno, disposti simmetricamente a due a due in posizioni opposte. Il numero elevato di aghi era richiesto dalle limitate proprietà proprietà magnetiche dei materiali dell'epoca, mentre il galleggiante consente di ridurre a pochi grammi il peso della rosa nella miscela alcolica, assicurandone la necessaria sensibilità sensibilità
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Componenti e funzionamento della bussola magnetica
La bussola magnetica indica la direzione della componente orizzontale orizzontale della forza magnetica terrestre
Parti Costituenti la Bussola Magnetica: •Ago magnetico •Rosa - Cerchio graduato da 0° a 360° •Mortaio - Scatola cilindrica metallica contenente la rosa e l’ago magnetico •Sospensione cardanica - Sostiene il mortaio in modo da mantenere la bussola orizzontale malgrado il beccheggio della nave •Linea di fede - Giace nel piano longitudinale della nave ed è dipinta all’interno del mortaio •Miscela di acqua e alcool – E’contenuta nel mortaio e che copre la rosa e l’ago smorza le oscillazioni della rosa •Traguardo o grafometro - Consente di misurare i rilevamenti
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Giri di Bussola
Il campo magnetico del “magnete “magnete nave”, nave”, come abbiamo visto precedentemente, è variabile nel tempo e la sua componente orizzontale, l’unica che influenza l’ago della bussola, varia da prora a prora. Risulta dunque indispensabile prima COMPENSARE questo effetto sulla bussola magnetica, allo scopo di ridurre al minimo la perturbazione dovuta all’effetto del campo magnetico dei ferri di bordo e quindi conoscere l’errore residuo δ differente prora per prora da inserire come correttivo per conoscere il dato esatto. La compensazione di una bussola magnetica si realizza grazie a dei magneti che vengono posti ai lati della bussola stessa e la loro posizione esatta si determina grazie ai “Giri “Giri di Bussola” Bussola” .
Volendo semplificare, questa operazione avviene ormeggiando la nave ad una boa, in un punto particolare della rada, ove si conosce perfettamente la posizione geografica e la declinazione magnetica, quindi grazie ad un rimorchiatore viene fatto compiere alla nave un giro completo attorno alla boa. Mentre avviene il giro vengono presi ad intervalli regolari, in corrispondenza delle prore cardinali ed intercardinali i valori letti dalla bussola e quindi vengono posizionati i magneti per minimizzare l’errore di deviazione δ. I giri si ripetono più volte sino ad affinare al massimo la posizione dei magneti e quindi viene calcolata empiricamente per tutte le altre prore la deviazione. La raccolta di questi dati costituisce un documento importantissimo importantissimo che deve sempre accompagnare la bussola ovvero, la “Tabella “Tabella di Deviazione della Bussola”. Bussola”.
Ogni bussola ha una SUA Tabella di Deviazione.
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La Prora Vera Finalmente dopo tutte queste “Dotte” disquisizioni siamo pronti a calcolare la vera rotta che sta percorrendo la nostra unità navale. Tutte le indicazioni lette con la bussola magnetica dovranno essere corrette per poter indicare la lettura corretta. Relazione fondamentale: Pv = Prora Vera (La direzione Vera della prora della Nave) Pb = Prora Bussola (L’informazione letta sulla bussola magnetica) Pm = Prora Magnetica (L’informazione letta sulla bussola magnetica corretta della deviazione) d = Declinazione magnetica (angolo tra la direzione, del Nord vero e la direzione del Nord magnetico) δ = Deviazione magnetica ( il fattore correttivo relativo a quella particolare bussola, in quella particolare nave con quella particolare prora) Pm = Pb(+- δ) Pv = Pb ( +- d +- δ )
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La Girobussola Quanto detto sino ad ora riguardo alle varie correzioni necessarie necessarie per leggere correttamente le indicazioni della bussola magnetica non vale per la girobussola infatti il funzionamento di questo strumento , non non è basato sulle proprietà del campo magnetico terrestre ma sulle proprietà giroscopiche possedute da un giroscopio posto in moto rapidissimo. rapidissimo. Questo sistema, rispetto alla bussola magnetica, ha il vantaggio di indicare il nord geografico e di essere insensibile ai disturbi prodotti da campi magnetici perturbanti, mentre come svantaggio richiede la presenza presenza di un motore elettrico per mettere e mantenere in rotazione un rotore Funzionamento La girobussola è essenzialmente un giroscopio ovvero una ruota che che per effetto della rotazione tende a mantenere il suo asse sempre con la stessa orientazione. La ruota è mantenuta ininterrottamente in rotazione da un motore elettrico. Poiché la Terra ruota, un osservatore sulla superficie terrestre osserva che l'asse del giroscopio compie una rotazione ogni 24 ore, puntando sempre nella stessa direzione rispetto alle stelle fisse.
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Un giroscopio semplice non può funzionare da bussola. L'ingrediente aggiuntivo necessario è l'attrito. Se l'asse viene frenato per immersione in un liquido viscoso, si avrà una resistenza al riorientamento dell'asse stesso e si creerà un momento torcente ortogonale ad esso. Questo porterà progressivamente all'orientamento dell'asse in senso senso nordnord-sud, unica disposizione in cui l'asse non subisce più alcuna forza. E' la posizione di massima stabilità. Un sistema meccanico o elettromeccanico elettromeccanico rileva la posizione dell'asse e la ripete su pannelli indicatori posti nella plancia di comando. Poiché il funzionamento della girobussola è legato alla lenta rotazione rotazione terrestre, se il mezzo su cui è montata cambia direzione troppo rapidamente, specialmente in senso senso estest-ovest, il funzionamento ne è perturbato. Per questo motivo il tipo di giroscopio giroscopio descritto è usato prevalentemente sulle navi. Sintetizzando, la girobussola offre i seguenti vantaggi: •Indica il Nord Geografico. Geografico. •Non risente del campo magnetico dovuto al “magnete nave” ed al magnetismo magnetismo terreste. terreste. •Il dato relativo ad un unico elemento sensibile, grazie ad appositi appositi ripetitori elettromeccanici, può essere trasportato e visualizzato in tutta la nave. Per contro ha una serie di svantaggi: •Dipendenza dall’alimentazione elettrica •Tempo necessario per l’allineamento (prima della partenza dal porto porto è necessario avviare ed allineare i girostati almeno un paio di ore prima dell’uscita in mare, altrimenti il dato letto non è molto affidabile. Attualmente però questa problematica è stata praticamente risolta risolta grazie a girostati super rapidi. •Posizionamento della girobussola madre nel punto più basso della carena •Peso e dimensioni della girobussola madre (questo problema è stata risolto con la miniaturizzazione dei nuovi apparati. La praticità dell’uso della girobussola ne fanno un elemento attualmente attualmente insostituibile delle moderne unità navali.
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Ed ora per finire qualche domanda • • • • • • •
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Il polo Nord geografico coincide con il polo Nord Magnetico ? Con quale lettera si indica la Declinazione magnetica ? La declinazione magnetica è costante nel tempo ? La declinazione magnetica varia con la prora e con l’assetto della della nave ? Quale è la componente del campo magnetico terreste che influenza la bussola magnetica ? La Declinazione magnetica Ovest che segno ha ? Calcolare la seguente declinazione: Decl.(1990) Decl.(1990) 0° 30' E Aumenta annualmente di 5' circa I “Ferri duri” si magnetizzano rapidamente ? Esprimere il concetto di permeabilità magnetica e forza coercitiva. coercitiva. Il campo magnetico permanente è prodotto da quale tipo di ferri ? Cosa indica la bussola magnetica ? A cosa serve il grafometro posto sulla bussola ? Quale è il simbolo della Deviazione della bussola ? La deviazione della bussola è costante per tutte le bussole e per per tutte le prore ? A cosa servono i “Giri di bussola” ? Cosa è la tabella di deviazione ? Scrivere le due relazioni fondamentali per calcolare la Pm e la Pv. Pv. In mancanza di alimentazione elettrica la girobussola può funzionare funzionare ? Quale è l’elemento sensibile della girobussola ? La girobussola che direzione indica?
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