עמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים
אוניברסיטת תל אביב. בית ספר לחינוך. המרכז לחינוך מדעי וטכנולוגי


תקציר
משחר ההיסטוריה השתמשו ספנים בשיטות שונות כדי לאתר את מקומם, ולכוון את דרכם בים. על ההתפתחות והשימוש במכשירי ניווט ימי. המצפן המגנטי, הקוואדראט, והאצטרולב.



ניווט ימי וכלי ניווט
מחברת: צביה לוטן


מבוא

כיוון הספינות בים והובלתן ממקום אחד למקום אחר מכונה "ניווט ימי".
משחר ההיסטוריה השתמשו ספנים בשיטות שונות כדי לאתר את מקומם בים וכדי לדעת כיצד יגיעו ליעדם. הספנים המוקדמים הסתמכו על נתוני הטבע ועל גרמי השמים, מבלי להשתמש במכשירי עזר. ספנים אלו נעזרו בשינוי בצבע המים, בכיווני הזרימה, בתנועות ציפורים ובסימנים נוספים - ובעזרתם הצליחו לעבור מרחקים של מאות קילומטרים בים פתוח.

ואולם, כדי לצאת למסע לגילוי נתיב ימי, אמצעים אלו בעייתיים מאוד. הצלחתה של הפלגת גילוי תלויה בבחירת מסלול הפלגה ובמעקב מדויק אחרי הכיוון והמרחק שהספינה עברה. בים לא מוכר ספן המתבסס אך ורק על נתוני הטבע (השונים מאזור לאזור) ועל גרמי השמים (המציינים כיוון כללי בלבד) יטעה בבחירת כיוון נכון לספינה. במסעות גילוי הטעויות מצטברות, הופכות לטעויות קריטיות, והמגלה הולך לאיבוד בים.
בעת ניווט מחוץ למים המוכרים יש צורך במכשירי ניווט.

בשנת 1250 בערך החלה התפתחות משמעותית בשימוש במכשירי ניווט הימי ובפיתוחם. המעצמות הימיות של המאה ה-13 - פיזה, גנואה וונציה, המובילות בפיתוחים - הכניסו שני עזרי ניווט מכריעים: המצפן והמפה הימית.

במאות ה-14 וה-15 הו נוספו מכשירים חדשים ואחרים שוכללו. לפיתוח מכשירי הניווט הצטרפו מלומדים מקטלניה שבספרד, מהאי מיורקה ומפורטוגל. חלק גדול מהם היו יהודים אנוסים.

מכשירי הניווט סייעו לכל ספן לעקוב אחרי מסלול ההפלגה : הכיוון, מהירות ההפלגה המרחק והזמן שעבר. בעזרתם קבע הספן כל שעה את מיקומו במרחב. אמצעים אלו לא פותחו כדי לגלות מקומות חדשים, אלא כדי שההפלגה מנמל מוכר אחד לנמל מוכר אחר תהיה בטוחה יותר ומהירה יותר, בלא שיהיה צורך להתקרב לחופים.

במאה ה-15 השתמשו באירופה במגוון של כלי ניווט ימיים:

מצפן מגנטי

המצפן היה המכשיר הראשון שהומצא כדי לעזור למנווט בים וביבשה. המצפן בנוי ממחט מגנטית המתיישרת תמיד על הציר צפון-דרום בהשפעת השדה המגנטי של כדור הארץ. כך מצביעה המחט על כיוון הצפון.

מגנטיות ופעולת המצפן המגנטי

לכל מגנט שני קטבים המכונים "צפוני" ו"דרומי". קטבים שונים מושכים זה את זה וקטבים זהים דוחים זה את זה.
שני הקטבים כאחד מושכים ברזל, ההופך בעצמו למגנט בהשפעת מגנט. אם נשבור מגנט לשניים נקבל שני מגנטים אשר לכל אחד מהם שני קטבים. המגנט משפיע על סביבתו באמצעות שדה מגנטי.

המצפן מבוסס על המשיכה בין שני מגנטים ועל קיום השדה המגנטי של כדור הארץ. לשדה מגנטי של כדור הארץ שני קטבים כמו לכל מגנט. אחד מהקטבים סמוך לקוטב הצפוני ומכונה "הקוטב המגנטי הצפוני", והאחר סמוך לקוטב הדרומי, ומכונה "הקוטב המגנטי הדרומי". קוטבי השדה המגנטי של כדור הארץ, כמו כל קוטב מגנטי, דוחים קטבים מגנטים דומים להם ומושכים קטבים שונים מהם.

השדה המגנטי של הארץ אינו חזק עד כדי כך שיוכל להזיז ממקומם מגנטים רגילים; אולם כאשר שמים מחט מגנטית דקה על ציר (או על מים) ימשך אחד הקטבים שלה אל הקוטב המגנטי הצפוני, והאחר אל הקוטב המגנטי הדרומי, כך שהמחט תצביע על כיוון השדה המגנטי. מחט כזו הנה למעשה מצפן.

גילוי הקשר בין המגנט והצפון

תופעת המגנטיות היתה ידועה כבר בעולם העתיק, ביוון ובסין. היוונים הכירו תחמוצת ברזל (הקרויה מגנטיט) המושכת אליה ברזל.

איננו יודעים מתי גילו שמגנט נמשך אל הצפון, ומתי החלו להשתמש בידע תאורטי זה ליצירת מצפן. אזכור ראשון של שימוש במצפן מופיע בתעודה סינית מהמאה ה-11. הסינים הציבו בראשי שיירות את "מרכבת הדרום" - מרכבה ובה מצפן מסורבל המורכב מכד מלא מים, שעליהם צפה טבעת ועליה מחט עשויה ברזל. קצה האחד של המחט פנה תמיד לכיוון דרום והראה את הכיוון לשיירה.

לא ברור אם המצפן הומצא בכמה מקומות באופן עצמאי, או הידע עליו עבר בדרך כלשהי מסין לאירופה ולערב. ידוע לנו בוודאות כי השתמשו במצפן באירופה לכל המאוחר בשנת 1187, ובארצות ערב - בשנת 1220.

כיצד שיכללו האירופאים את המצפן?

המצפנים הראשונים באירופה הורכבו מקערת מים ובה מחט מברזל, שצפה על שבב עץ. בשל האיכות הנמוכה של החומרים היה צריך למגנט את המחט כל כמה שעות בעזרת מגנט גדול שאותו נשאו בספינה.

בתחילה השתמשו האירופאים במצפן באופן מזדמן ומשני - כדי לאמת את הניווט העיקרי, שנעשה לפי גרמי השמים, או כאשר הכוכבים הוסתרו על ידי עננים. עד מהרה הפך המצפן באירופה הדרומית למכשיר הניווט העיקרי. ב-1296 כבר תואר מצפן שבו שבב העץ הוחלף בציר, עשוי מפליז שעליה מונחת סיכה, המחט, כפי שמקובל במצפנים מגנטיים עד היום.

עוד שיפור היה כתיבת כיוונים נוספים, מלבד צפון ודרום, על כרטיס עגול מסביב לקערה. בתחילה נכתבו 32 כיווני רוחות השמים המוכרים לימאים. ארבעת הכיוונים העיקריים היו צפון, דרום, מזרח ומערב. בשל הצורה שבה סימנו את הכיוונים נקרא המצפן "שושנת הרוחות". הכרטיס קושט בעיטורים שונים, שהמפורסם שבהם הוא ציור קו הצפון כחבצלת. החבצלת היא למעשה איור מסולסל של האות T, המייצגת את המילה Tramontana "רוח הצפון" בלטינית.

ב-1380 אוזכר בראשונה כרטיס כיוונים הניתן לסיבוב בהתאם לכיוון המחט. בעזרת הכרטיס המסתובב אפשר היה לדעת את הכיוון המדויק שבו שטה הספינה בלי צורך לערוך חישובים כלשהם. שושנת הרוחות הופיעה גם על מפות ימאים. השילוב של מפות אלו יחד עם המצפן הקל על הניווט בימים המוכרים.

המלה "מצפן" - compasso , במקור - ציינה לא רק מצפן אלא גם טבלאות תיקונים, שנקראו Toleta de Marteloio הטבלאות פותחו כדי לחשב את כיוון סטיית הספינה בזמן סערה כך שאפשר יהיה לתקנו בשוך הרוח. ימאים לא חישבו זאת בעצמם, אלא נעזרו בטבלאות ובמצפן.

בראשית המאה ה-15 שימש המצפן המגנטי כלי ניווט מרכזי בים התיכון. הנווט התבונן במצפן ברציפות כדי לוודא את כיוון הפלגתו, והכוכבים שימשו לאישור בלבד.
המצפן שיחרר את הנווט מתלות בשמים בהירים, ואיפשר הפלגות מדויקות בכל עונות השנה. אם הרוח היתה נוחה - נע הנווט עם המצפן בכיוון והגיע ליעדו.

המצפן איפשר למגלים להאמין ביכולתם להפליג באוקיינוסים פתוחים לכיוון חלקי עולם שלא הגיעו אליהם לפני כן.

אך המחט המגנטית במצפן לא הראתה במדויק את כיוון צפון. הסטייה גדלה בזמן סערות וכשנבנו אוניות מברזל.

איך פתרו את הבעיה של סטיית הצפון המגנטי מהצפון האמיתי?

במהלך המאה ה-15 התברר כי המצפן אינו מכוון בדיוק לצפון, אלא סוטה ממנו בזוית קטנה. הסיבה לכך היא שלמעשה מכוון המצפן לקוטב המגנטי, הנמצא מדרום לקוטב הצפוני בצפונה של קנדה.

קולומבוס סימן במסעו השני סימון מיוחד על חלק מהמצפנים שלקח, כדי להבחין בין הצפון המגנטי והצפון האמיתי; אולם הוא לא ידע שתיקון זה נכון רק לאירופה, ולא לימים החדשים שבהם שט, מפני שזווית ההפרש בין הצפון המגנטי לצפון האמיתי משתנה בהתאם למקום שבו אנו נמצאים.

איך פתרו את הבעיה של סטיית המצפן המגנטי בסערות ובאוניות מברזל?
כדי שמחט המצפן לא תושפע מתנועות הספינה, הניחו את קופסת המצפן על גולות משככות זעזועים.
(מצפן כזה נמצא בספינה של הנרי השמיני משנת 1546.)
כאשר החלו להיבנות הספינות ממתכות, הושפעה המחט המגנטית מהשדה המגנטי של גוף הספינה המתכתי.

הבעיה נפתרה רק כשהומצא מצפן גירוסקופ, המבוסס על כוח המשיכה ועל תנועותיו הסיבוביות של כדור הארץ, בשנת 1908.

כיום נעשה ניווט האונייה בעזרת קשר עם לוויין המקיף את כדור הארץ.
עם זאת, בכל אונייה נמצא גם מצפן מגנטי, למקרה של תקלות בקשר עם הלווין.

קוודראנט - מציאת קו הרוחב בעזרת כוכב הצפון

מבין הכוכבים הרבים הנראים נעים בשמים במהלך הלילה ממזרח למערב (כתוצאה מסיבוב הארץ על צירה) בולט כוכב אחד בכך שמקומו נשאר קבוע במהלך כל הלילה.
זהו כוכב הצפון. כוכב הצפון נמצא מעל הקוטב הצפוני, ולכן סיבוב כדור הארץ אינו משנה את מיקומו בשמים. הזווית שבה נראה כוכב הצפון מצביעה על קו הרוחב הגיאוגרפי שבו נמצא הצופה כלומר, עד כמה נמצא הצופה צפונה מקו המשווה.

צופה בקוטב הצפוני (קו רוחב 90) יראה את הכוכב בדיוק מעל ראשו כלומר, בזווית של 90 מעלות. מישראל נראה כוכב הצפון בזוית של כ-32 מעלות (בהתאם למקום המדויק שבו נמצא המתבונן). ואכן, אנו יושבים בקו הרוחב 32.
המכשיר שאיפשר למדוד את הזווית שבה נראה כוכב הצפון, בדיוק טוב יחסית בחצי הכדור הצפוני, הנו הקוודראנט.

הפעם הראשונה שבה ידוע לנו בוודאות על התבוננות בכוכב הצפון באמצעות המכשיר היתה ב-1460.

הקוודראנט הוא משטח מתכתי בצורת רבע עיגול. בקטע המעוגל מוצמד פס מדידה מחולק בין 0 ל-90 מעלות. במרכז העיגול תלוי חוט ועליו משקולת, החוצה את פס המדידה. על אחת הצלעות הישרות של המשטח המתכתי עובר חור מקצה לקצה.
כאשר הנווט מסתכל על כוכב הצפון דרך שני החורים שבצלע הישרה של הקוודראנט, הנקודה שבה חוצה החוט
עם המשקולת את פס המדידה מציינת (במעלות) את הגובה של הכוכב מעל קו האופק. זווית זו, אם מסתכלים על כוכב הצפון, יכולה להראות למתבונן בקירוב את קו הרוחב הגיאוגרפי בחצי הכדור הצפוני שבו הוא מצוי.
ידוע כי קולומבוס נשא עמו במסעותיו קוודראנט.

הימאים לא יכלו להשתמש בצורה מדויקת בנתון של זווית המדידה מהקוואדראט כיוון שהיא תלויה ביום בשנה ואף בשעה שבה מתבצעת המדידה. המדידה של קווי רוחב באמצע המאה ה-15 לא היתה מדויקת.

אצטרולב - מציאת קו הרוחב בעזרת כוכב

האצטרולב הוא מכשיר למדידת גובה הכוכבים או השמש במעלות מעל האופק וכך לקבוע את קו הרוחב שבו אנו נמצאים.

כיצד משתמשים באצטרולב?
האצטרולב בנוי מעיגול מתכת שלם ועליו זרוע נעה. הנווט הסתכל דרך נקבי הצצה בזרוע עד שאור השמש או אור הכוכב עבר דרך שני הנקבים. המחוג שבקצה הזרוע הראה על גובה הכוכב או השמש במעלות מעל האופק - הוא קו הרוחב.

פיתוחו החל, כנראה, בידי היונים הקדמונים. הערבים המשיכו לפתחו ולמדו את האירופאים להשתמש בו.
הפורטוגלים המשיכו לשכללו והשתמשו בו במסעות הגילוי להודו. אברהם זכות, האסטרונום היהודי שגורש מספרד, הוזמן לבית-ספר לניווט בסגרש על ידי אנריקה, הנווט מפורטוגל (1460-1394). הוא שיכלל את האצטרולב וחיבר לוחות אסטרונומים, שאיפשרו לספנים לתרגם את נתוני האצטרולב לקו הרוחב הגיאוגרפי שבו הם נמצאים.
לוחות אלה החליפו לוחות אסטרונומיים, שחוברו בספרד במאה ה-13 על ידי שני יהודים לפי בקשתו של המלך אלפונסו העשירי.

אצטרולובים משוכללים יותר (תלת ממדיים) שימשו כדי לדמות את תנועת הכוכבים ואת מיקומיהם היחסיים ללא צורך בחישוב.
האצטרולב פחות מדויק מהקוודראנט. ידוע כי קולומבוס נשא במסעו גם קוודראנט וגם אצטרולב.

ראה פיתוח לוחות אסטרונומיים בפריט מיפוי - התפתחות המיפוי באירופה

ניווט לפי חישוב עיוור

חלק חשוב בשיטות הניווט היה ניווט לפי חישוב עיוור. שיטה זו היתה מקובלת מאוד בעת הפלגות בים התיכון. הניווט נעשה באמצעות מדידה של תנועת הספינה - כיוון, מהירות ומשך ההפלגה - ותרגומה למרחק שעברה הספינה מנקודה מוכרת. המיקום החדש של הספינה סומן באמצעות נעיצת סיכה על המסלול המתוכנן במפת ימאים מיוחדת, הקרויה "פורטלאנו".המעקב אחרי ההתקדמות של הספינה נעשה באופן שיטתי לאורך כל הנתיב וכל נקודה חדשה שאליה הגיע הספינה שימשה נקודת התייחסות למדידה הבאה של תנועת הספינה.

כיצד מדדו את המהירות?

מהירות הספינה נמדדה בעזרת פיסת עץ שנזרקה בצד הספינה. על מעקה הספינה היו שני סימנים. כאשר גזר העץ הגיע לסימן הראשון, הנווט היה מתחיל לדקלם במהירות מלל מסוים, וכאשר העץ הגיע לסימן השני חדל לדקלם. לפי אורך הדקלום אפשר היה לאמוד את הזמן שעבר. בעזרת טבלאות מוכנות שאותן נשא הנווט תורגם אורך הקטע המדוקלם למהירות.

שיטה נוספת למדידת מהירות היתה בעזרת שעון חול של חצי דקה וקורה הקשורה לחבל, שעליו קשרים במרווחים שווים. הקורה הוטלה מירכתי הספינה והמהירות חושבה על ידי ספירת הקשרים שנמצאו בים לאחר חצי דקה.

מאוחר יותר הפכו הקשרים שעל החבלים למילה המייצגת יחידות המודדות מהירות. "קשר ימי" שווה מייל ימי אחד (שהוא 1,850 מטר) לשעה.

כיצד מדדו את משך ההפלגה?

את הזמן בספינה מדדו באמצעות שעון חול, שהומצא במאה ה-13 בוונציה. שעוני החול בספינות נבנו למדידת פרקי זמן של שעה או של חצי שעה. נער הסיפון היה אחראי על הפיכתו של שעון החול. לרוב היה מכריז על הפעולה באמצעות פעמון או גונג, ובכך מודיע לכל על הזמן שחלף.

שעון החול לא מדד את הזמן במדויק, וכדי למנוע סטייה מצטברת של הזמן, הושוו שעות הזריחה, שעות השקיעה ושעת חצות. שעת חצות נקבעה על ידי מדידת המיקום של הדובה הקטנה לאורך כל השנה.

בים הצפוני ובים הבלטי לא התפתחו מפות ולוחות אסטרונומיים. המלחים נווטו את ספינותיהם לפי שיט חופים תוך התחשבות בשינויים שחלו בחופים בזמן גאות ושפל. את השינויים בעומק המים הם מדדו בעזרת מוט מעופרת (rutter).
אנשי הים מפורטוגל ומספרד הכירו את מסורות הניווט של הים התיכון והים הצפוני. כאשר הפליגו למסעות גילוי יכלה מסורת הים הצפוני לסייע בידם להכיר את הגאות והשפל של מי האוקיינוס האטלנטי, אך לא לנווט.

ביבליוגרפיה:
כותר: ניווט ימי וכלי ניווט
שם  האתר: האופק מתרחב
מחברת: לוטן, צביה
בעלי זכויות : אוניברסיטת תל אביב. בית ספר לחינוך. המרכז לחינוך מדעי וטכנולוגי
הוצאה לאור: אוניברסיטת תל אביב. בית ספר לחינוך. המרכז לחינוך מדעי וטכנולוגי
הערות: 1. תחקיר: שאול קציר.
2. עיצוב גרפי: סשה פיסרבסקי, רם עפרון.
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית