Boussole

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Une boussole est un instrument de navigation constitué d’une aiguille magnétisée qui s’aligne sur le champ magnétique de la Terre. Elle indique ainsi le nord magnétique, à ne pas confondre avec le nord géographique. La différence entre les deux directions en un lieu donné s’appelle la déclinaison magnétique. Le pôle Nord magnétique terrestre est en réalité un pôle de magnétisme « sud » qui attire le pôle « nord » de l'aimant que constitue l'aiguille de la boussole. Cette erreur historique d'appellation conventionnelle des pôles de magnétisme nord sera difficile à rectifier^[1]. Les lignes du champ magnétique terrestre sur lesquelles l'aiguille de la boussole s'aligne pointent sous terre au niveau des pôles nord et sud (et non pas à la surface). Dans l'hémisphère nord, l'extrémité nord de la boussole est donc attirée vers le bas. Pour compenser ce phénomène, l'extrémité sud de l'aiguille de la boussole est légèrement lestée. Quand on utilise une boussole "hémisphère nord" dans l'hémisphère sud, l'extrémité sud de l'aiguille est attirée vers le bas par le champ magnétique, alors qu'elle est déjà pourvue d'un contrepoids. Résultat, la pointe sud de la boussole accroche sur le fond de la cavité dans laquelle elle est logée, et fonctionne donc beaucoup moins bien.

Une boussole fournit une direction de référence connue qui aide à la navigation. Les points cardinaux sont (dans le sens des aiguilles d’une montre) : Nord, Est, Sud, et Ouest. Une boussole peut être utilisée conjointement à une horloge pour fournir une estimation de sa navigation.

Le terme boussole s’emploie principalement en navigation terrestre. En navigation maritime et aérienne, équipée d’une ligne de foi (repère parallèle à l’axe du navire ou de l’aéronef, gravé sur l’instrument et donnant la direction suivie), elle est alors appelée compas.

Une boussole de gousset.

Boussole ultra-légère pour la course d'orientation.

Principe physique

Une boussole peut être constituée de n’importe quel dispositif utilisant une aiguille magnétisée tournant librement sur un pivot, afin qu’elle puisse indiquer la direction du nord magnétique du globe terrestre.

Mais, comme l'électromagnétisme convient qu'un pôle nord soit attiré par un pôle sud, le pôle dit « nord magnétique » est en fait un pôle sud pour le physicien.

Malgré cette anomalie, l'usage est resté de l'appeler « pôle nord magnétique », puisqu'il se situe (de nos jours, et seulement de nos jours) à proximité du pôle nord géographique.

Cependant, si les pôles magnétiques s'inversaient, comme cela a déjà été le cas dans la préhistoire, on ne sait quelle serait la convention adoptée alors.

Autrefois, certaines boussoles étaient combinées avec un cadran solaire, lequel utilisait l’ombre portée d’une aiguille ou d’un triangle rabattable ; cette association permettait d’orienter le cadran et d’obtenir l’heure approximativement (cf. l’astrolabe).

Une boussole gyroscopique peut également être employée pour trouver le nord géographique.

L’élément de base est une tige magnétique. On peut la réaliser en alignant une tige de fer ou d’acier sur le champ magnétique de la Terre et puis la faisant chauffer puis refroidir (recuire) ou en la frottant. Cependant, cette méthode produit seulement un aimant de faible puissance ; aussi d’autres méthodes sont préférables.

Cette tige magnétisée (ou aiguille magnétique) est alors placée sur un support de friction quasi-nulle qui lui permet de pivoter librement pour s’aligner sur le champ magnétique ambiant. On y appose alors une marque à une extrémité afin que l’utilisateur puisse distinguer les directions nord et sud. Une convention moderne veut que l’extrémité pointant vers le nord soit marquée d’une manière quelconque, souvent de peinture fluorescente ou rouge.

Historique

Maquette d'une cuillère indiquant le sud (appelée sinan) du temps des Han (206 avant J.-C. - 220 après J.-C.) (Il y a quelques discussions sur l'existence historique de l'objet utilitaire correspondant)^[2]

La boussole est une invention chinoise. Il y a cependant quelques désaccords sur la date précise à laquelle fut inventée la boussole. La première boussole chinoise n'était probablement pas conçue pour la navigation, mais consistait en une pierre d'aimant utilisée pour harmoniser l'énergie environnementale (le Qì 氣/气) selon les principes géomantiques du Feng shui^[3]. Il existe des références littéraires dignes d'attention qui mettent en évidence son antiquité :

• la première référence littéraire chinoise citant le « magnétisme » se trouve dans un ouvrage de Wang Xu (en) du IV^e siècle av. J.‑C. intitulé Livre du maître de la vallée du diable (鬼谷子) : « la magnétite fait venir le fer à elle, ou l'attire »^[4]. L'ouvrage précise également que des habitants de la cité-État de Zheng connaissaient leur position en utilisant la « flèche du sud » : certains historiens des sciences considèrent qu'il s'agit du premier usage de la boussole en tant qu'instrument de navigation, d'autres pensent que cette flèche désigne en fait le chariot pointant le sud^[5].

• la première mention de « l'attraction d'une aiguille par un aimant » se trouve dans un ouvrage chinois composé entre 70 et 80 après J.-C. (Lunheng ch. 47) : « La magnétite attire une aiguille » (de fer). Ce passage de Louen-heng est le premier texte chinois mentionnant l'attraction d'une aiguille par un « aimant »^[6]. En 1948, le savant Wang Chen Tuo construisit un « compas » sous la forme d'une cuillère indiquant le sud sur la base de ce texte. Cependant, « on ne trouve pas de mention explicite d'un aimant dans le Louen-heng »^[2].
• La première référence à un « instrument d'orientation » magnétique spécifique se trouve dans un livre écrit sous la dynastie des Song et daté de 1040-1044. Il y a la description d'un « poisson indiquant le sud » en fer, flottant dans un bol d'eau, et se dirigeant vers le sud. Cet instrument est décrit comme un moyen de s'orienter « dans l'obscurité de la nuit ».

Le Wujing Zongyao (武经总要, « Réunion des techniques militaires les plus importantes ») précise : Quand les troupes doivent faire face au mauvais temps, ou à la nuit noire, et que l'on n'arrive plus à s'orienter, (...) ils faisaient appel à un instrument mécanique pointant vers le sud, appelé aussi « poisson indiquant le sud »^[7]. On parvenait à ce résultat en chauffant du métal (tout particulièrement si c'était de l'acier), selon le procédé connu aujourd'hui sous le nom de « thermo-rémanence », et qui aurait été capable de provoquer un léger état de magnétisation^[7]. Si les Chinois sont parvenus à cette connaissance dès cette époque, ce n'est en revanche que vers 1600 que l'on arriva à une découverte similaire en Europe, lorsque William Gilbert publia son ouvrage De Magnete ^[8].

La boussole passe pour avoir été inventée en Europe par un Amalfitain nommé Flavio Gioja en 1300 ou 1302. S'il ne fait aucun doute que des boussoles furent utilisées par les navigateurs européens dès cette époque, le nom de Flavio Gioja résulte d'une série de déformations et de mauvaises lectures de divers textes. Selon l'historien de la marine française, Charles Bourel de La Roncière, « Flavio Gioja est un mythe, la date et le lieu de l'invention sont controuvés »^[9].

Utilisation de la boussole

Boussole allemande de la société Pasto à prisme (échelles)

Boussole à prisme : visée 220° par l’oculaire

D’autres caractéristiques communes aux boussoles modernes portables à la main sont une plaque de base équipée de règles graduées permettant de mesurer les distances sur les cartes, une lunette tournante pour mesurer l’angle formé entre le nord magnétique (voir déclinaison magnétique) indiqué par l’aiguille et la direction du point visé, et un miroir réfléchissant l’image de l’aiguille sur le cadran lorsque l’on vise un point repère. La plupart des boussoles possèdent aussi un système de visée composé d’un cran de mire et d’un guidon servant de collimateur ou bien d’un fil tendu dans un évidement, ou d’une ligne peinte ou tracée dans le couvercle. Certaines boussoles possèdent une aiguille aimantée supportant un cadran mobile (comme la rose des vents des compas de marine) et la lecture se fait alors automatiquement au moyen d’une ligne tracée sur le verre (voir la photo de la boussole de l’armée américaine). Un troisième type de boussole, plus perfectionné encore, possède un prisme dirigé vers le bord extérieur du cadran et un oculaire dans lequel on peut directement lire la valeur d’angle (voir photos).

La boussole a plusieurs usages : navigation, artillerie, géodésie etc. En navigation, elle peut servir à déterminer la position présente de l’utilisateur ou bien indiquer une marche à suivre.

• Dans le premier cas, l’utilisateur doit relever le gisement de points de repères (pont, clocher d’église, sommet de montagne etc.) visibles depuis l’endroit où il se trouve et comparer ses observations avec une carte. À cet effet, il orientera le dispositif de visée de sa boussole vers le point marquant choisi et tournera ensuite la lunette pour mettre le repère indiquant le nord magnétique en regard de la direction indiquée par l’aiguille, visible dans le miroir. L’observateur placera ensuite la boussole sur la carte (posée à plat et orientée vers le nord magnétique) et repérera la position du point marquant préalablement visé. Pour déterminer sa position par rapport à cet objet, il tracera une ligne droite partant du point marquant passant par le centre du cadran (point de rotation de l’aiguille) et fonction de l’angle mesuré. Une seconde ligne partant d’un autre point marquant visible et coupant la première permettra de déterminer la position présente avec plus de précision.
• Pour déterminer une marche à suivre (un cap), la manière la plus simple est de considérer tout d’abord que l’aiguille indique toujours la même direction, c’est-à-dire le nord. Si l’on note soigneusement les distances parcourues (temps et vitesse de déplacement) et les angles mesurés à chaque changement de direction, on peut tracer l’évolution de son propre itinéraire et revenir à son point de départ uniquement à l’aide d’une boussole seule (sans carte). Hormis les régions présentant une forte déviation magnétique (par ex. présence de métaux ferrugineux dans le sol) de 20 degrés ou plus, une boussole simple (de gousset) suffira sur courte distance pour éviter de marcher dans une direction entièrement fausse dans la mesure où le terrain est à peu près plat et aucun obstacle ne vient gêner la visibilité.

Orientation de la boussole sur la carte (D représente la déclinaison magnétique locale)

Lorsque l’aiguille est alignée sur la flèche du cadran, la valeur d’angle (en degrés) indiquée sur la lunette rotative de la boussole indique le relèvement (angle de gisement) du sommet, c’est-à-dire le cap à suivre pour s’y rendre directement, par exemple s’il disparaissait de la vue.

Si l’on utilise la boussole en liaison avec une carte, on doit alors appliquer une méthode entièrement différente. Il faut tenir compte de la déclinaison magnétique. Celle-ci variant en fonction de la position dans l’espace et du temps, il faudra éventuellement la calculer (ou la demander au club de randonnée local) pour déterminer combien de degrés mesure l’angle entre le nord magnétique (indiqué par l’aiguille) et le nord géographique (haut de la carte). Cet angle devra être pris en compte lors de la visée du point de repère.

Pour mesurer un angle vrai, c’est-à-dire par rapport au nord géographique et non pas au nord magnétique, par exemple à l’aide d’une boussole ayant un côté en forme de règle graduée, on placera le point zéro de la règle sur la position présente repérée sur la carte (préalablement orientée avec le haut vers le nord géographique) et on orientera la règle dans la direction de la destination souhaitée (certaines sources recommandent aux débutants pour plus de sécurité de tracer une ligne sur la carte). On tournera ensuite la lunette (supportant le cadran transparent de la boussole) pour orienter le zéro de la graduation angulaire vers le nord géographique en alignant les lignes parallèles sur les lignes nord-sud (longitude) ou sur le bord latéral de la carte. Le cap à suivre est alors indiqué sur la ligne de visée de la boussole. Tenir ensuite la boussole horizontalement au niveau des yeux et l’orienter de manière à ce que l’aiguille reste en regard de la valeur d’angle correspondant au nord magnétique. L’axe longitudinal de la boussole (généralement matérialisé par une flèche) indiquera le cap à suivre.

Méthode simplifiée : (sans orienter la carte le haut vers le nord) on peut déterminer sur la carte sa position présente en fonction d’un point de repère visible dans le paysage en orientant sur ce dernier la flèche de visée de la boussole et en tournant la lunette de manière à aligner les lignes parallèles et l’aiguille. On placera ensuite sur la carte un coin de la boussole sur le point de repère visé et on la fera tourner jusqu’à ce que les lignes parallèles soient alignées sur les lignes de longitude (nord-sud) de la carte. La position présente se situe sur la règle graduée de la boussole ou dans son prolongement. Une seconde ligne tracée à partir d’un autre point de repère et coupant la première permettra de déterminer la position avec plus de précision.

Inversement, cette méthode est aussi applicable pour déterminer le cap à suivre. Placer d’abord la boussole sur la carte, le bord de la règle étant sur une ligne imaginaire reliant la position présente et le point zéro sur l’objectif à atteindre, sans tenir compte de l’aiguille. Tourner ensuite la lunette (supportant le cadran transparent de la boussole) pour aligner les lignes parallèles sur les lignes nord-sud de la carte (ou sur le bord latéral de la carte) en conservant le repère nord (zéro) du côté « nord ». L’angle ainsi défini par ces lignes et le côté du boîtier de la boussole correspond au sens de la marche à suivre par rapport au nord, matérialisé par la flèche de la boussole. En tenant la boussole au niveau des yeux (à bout de bras), se placer de manière telle que l’aiguille soit alignée sur les lignes parallèles et pointée vers le nord.

La photo montre un sommet visé à partir des indications de la carte.

Boussoles de marine et compas de navigation

Habitacle de compas ancien d'un navire de la marine marchande (Musée de Toulon)

Compas de marine à cadran (lecture par dessus).

Compas de voilier à sphère (lecture latérale).

Les boussoles de marine sont appelées communément compas. Elles sont de plusieurs types :

• fixée sur une paroi verticale pour permettre une lecture par le côté,
• placée dans un logement vertical pour permettre une lecture par dessus,
• suspendue au plafond, dite mouchard et lisible par en dessous en position couchée.

Elles se composent généralement d’une capsule remplie d'un liquide qui freine les oscillations de l'équipage magnétique, c'est-à-dire une rose des vents plate ou en forme de sphère ou d'hémisphère graduée ; la viscosité du liquide force la rose (ou la sphère graduée) à s’arrêter rapidement sans osciller de part et d’autre du nord magnétique. Une ligne de lourdaud, qui peut être une inscription sur la cuvette de boussole ou une petite tige fixe, indique l’axe longitudinal (direction de la marche) du bateau par rapport au cadran de la boussole.

Les compas contenant une rose des vents plate se trouvent dans une cuvette hermétiquement fermée par un couvercle de verre qui est articulée grâce à une suspension à cardan. Ceci garantit leur maintien en position horizontale quels que soient les mouvements du navire. La masse métallique des navires doit être prise en compte et les compas doivent être compensés par des spécialistes à l'aide de dispositifs spéciaux supplémentaires.

Les grands navires se fient plus précisément au compas gyroscopique ou plus récemment au compas satellitaire plutôt qu’à un compas magnétique pour la navigation, bien que la présence de ce dernier reste toujours obligatoire règlementairement. Le compas magnétique, gyroscopique ou satellitaire se voit fréquemment associé à un système de maintien automatique du cap (pilote automatique) et de navigation intégré. Des compas électroniques vanne de flux (fluxgate (en)) sont de plus en plus souvent utilisés sur les voiliers, même de petite taille.

Aéronautique

voir Compas (navigation)

Boussoles électroniques

Certaines montres et autres instruments de mesure possèdent une boussole à base de composants électroniques. Il s’agit généralement de deux ou trois capteurs de champ magnétique fournissant les données de base à un microprocesseur. Le calcul trigonométrique permet d’afficher le cap.

Souvent, le dispositif est un composant discret fournissant un signal (numérique ou analogique) proportionnel à son orientation. Ce signal est alors interprété par un contrôleur ou un microprocesseur et traité en interne ou transmis à un dispositif d’affichage (voir un exemple de réalisation, avec les composants de base et le schéma de câblage correspondant).

Points de la boussole / Graduation

Traditionnellement, le cadran ou rose des vents est divisé en trente-deux points équidistants (appelés comme quarts, le quart vaut 11° 15') bien que les boussoles modernes soient graduées en degrés plutôt que points cardinaux (voir plus bas graduation). Les quatre directions principales - est, ouest, nord et sud - sont les points cardinaux et les noms des autres sont dérivés de ces derniers (exemple: sud = 180°; sud-sud-est = 157° 30').

Il existe plusieurs systèmes de graduation pour les boussoles :

• Le plus connu est la division en 360 degrés.
• D’autres systèmes utilisent la division en 400 grades (gons) ou en 6400 millièmes.
• Les armées des pays de l’Est (ancien bloc soviétique) utilisent des boussoles graduées en 6000 millièmes qui les fait ressembler au cadran d’une horloge (60 unités), un angle droit mesurant 15 unités (photos : boussole à main de la NVA et boussole-bracelet russe). Elles sont parfois aussi graduées dans le sens anti-horaire (source: Compassipedia - voir liens externes).
• Certaines sont équipées d’un inclinomètre pour mesurer les angles verticaux et d’un niveau à bulle.

• 

  Boussole de poignet des fantassins de l’armée soviétique (sous les chiffres 15°, 30° et 45° de l’échelle extérieure en sens anti-horaire : les lettres cyrilliques 3 (zapad, ouest), Ю (youg, sud) et B (vostok, est).

• 

  Boussole de l’ancienne NVA de RDA graduée en 60°.

• 

  Boussole graduée en gons (ou grades) avec table de conversion.

• 

  Boussole RECTA graduée en millièmes d’artillerie.

Boussoles militaires

Boussole de type Bézard (Sté Lufft) de l’Armée Française (la visée s’effectue à travers les encoches du couvercle).

Chaque corps de métier utilise des boussoles spécifiques car celles-ci doivent satisfaire à des exigences différentes.

Fantassin

Le fantassin a besoin d’un modèle compact, léger et d’une solidité à toute épreuve.

Ce sont la plupart du temps des boîtiers métalliques repliables protégeant le verre et bloquant l’aiguille. La société allemande Lufft^[10] avait développé dès le début du XX^e siècle une boussole type Bézard^[11] utilisée par les armées de nombreux pays européens dont la France (photo de gauche). La société suisse Recta avait développé un dispositif à tiroir particulièrement ergonomique (voir galerie).

Artillerie

L’artilleur a besoin de mesurer l’angle de site en plus de l’angle de gisement par rapport à une cible. Ces boussoles ont un inclinomètre et parfois un ou deux niveaux à bulle.

Certains systèmes à loupe et à prisme permettent de voir la rose du compas grossie en même temps que l’objet visé.

• 

  Boussole de l’armée suisse.

• 

  Boussole de fantassin américain à double graduation (degrés et millièmes).

• 

  Visée (graduation vue au travers de la loupe).

• 

  Boussole avec inclinomètre (l’ergot rabattable définit un plan tangent au boîtier en regard du point zéro).

• 

  Boussole finlandaise (Physica A.B.).

Quelques marques de boussoles célèbres

• Recta^[12]
• Breithaupt^[13]
• Silva^[14]

Notes et références

Voir aussi

• La théorie du Feng shui utilise aussi la boussole pour orienter les meubles dans un appartement (entre autres)
• Les Musulmans peuvent aussi rechercher la direction de la Mecque (appelée Qibla) pour la prière à l'aide de boussoles spéciales.
• L’astrologie chinoise combine une boussole et un animal, comme la tortue (symbole de longévité).

Articles connexes

• La Boussole et l'Astrolabe
• Magnétisme
• Fonction trigonométrique, azimut, coordonnées, site, gisement ;
• Compas, boussole de faisceau, boussole de vanne de flux, compas gyroscopique, boussole de Gyrosin, boussole gyrostatique ;
• Gyromètre
• Centrale à inertie, goniomètre.
• Alexandre Neckam, fut le premier occidental à décrire la boussole vers 1180-1187 dans son ouvrage De nominubus ustensilium.

Liens externes

• (fr) Compassipedia, Cybermusée virtuel des Boussoles et Compas

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