Светоотражающий инструмент - Reflecting instrument
Отражающие инструменты - это те, в которых зеркала используются для повышения их способности производить измерения. В частности, использование зеркал позволяет одновременно наблюдать два объекта при измерении углового расстояния между ними. Хотя отражающие инструменты используются во многих профессиях, они в первую очередь связаны с астрономической навигацией, поскольку необходимость решения навигационных задач, в частности проблемы долготы , была основной мотивацией в их разработке.
Цели инструментов
Цель отражающих инструментов, чтобы позволить наблюдателю измерять высоту от более небесного объекта или измерить угловое расстояние между двумя объектами. Движущей силой обсуждаемых здесь разработок было решение проблемы определения долготы в море. Было замечено, что для решения этой проблемы требуются точные средства измерения углов, а точность должна зависеть от способности наблюдателя измерить этот угол, одновременно наблюдая за двумя объектами одновременно.
Дефицит предшествующих инструментов был хорошо известен. Требование, чтобы наблюдатель наблюдал за двумя объектами с двумя расходящимися линиями обзора, увеличивал вероятность ошибки. Те, кто рассмотрел проблему поняла , что использование воронок (зеркала в современном языке) может разрешить два объекта , которые должны соблюдаться в одном представлении. За этим последовал ряд изобретений и усовершенствований, которые довели прибор до такой степени, что его точность превысила ту, которая требовалась для определения долготы. Любые дальнейшие улучшения требовали совершенно новой технологии.
Ранние отражающие инструменты
Некоторые из первых отражающих инструментов были предложены такими учеными, как Роберт Гук и Исаак Ньютон . Они мало использовались или, возможно, не были построены или тщательно протестированы. Инструмент Ван Брина был исключением, поскольку его использовали голландцы. Однако за пределами Нидерландов он имел небольшое влияние .
Изобретенный в 1660 году голландцем Йостом ван Брином, spiegelboog (зеркальный лук) представлял собой отражающий крестовый посох . Этот инструмент, по-видимому, использовался около 100 лет, в основном в Зеландской палате VOC ( Голландская Ост-Индская компания ).
Одноотражающий инструмент Роберта Гука
Указатель с установленным телескопом показан черным цветом, лучевая стрелка с прикрепленным зеркалом (серым) - синим, а хорда - зеленым на белом. Лучи обзора представлены красной пунктирной линией.
Инструмент Гука был инструментом однократного отражения. В нем использовалось одно зеркало, чтобы отражать изображение астрономического объекта для глаза наблюдателя. Этот инструмент был впервые описан в 1666 году, а рабочая модель была представлена Гук на заседании Королевского общества некоторое время спустя.
Устройство состояло из трех основных компонентов: указательного плеча, радиального плеча и градуированной хорды. Все трое были расположены в треугольнике, как на изображении справа. На указательном рычаге был установлен оптический прицел. В точке вращения радиального плеча монтировалось одиночное зеркало. Эта точка вращения позволяла изменять угол между индексным рычагом и радиальным рычагом. Градуированная хорда была соединена с противоположным концом радиального плеча, и хорда могла вращаться вокруг конца. Ремень держался за дальний конец указательного рычага и скользил по нему. Градуировка на хорде была равномерной, и, используя ее для измерения расстояния между концами указательного плеча и радиального плеча, можно было определить угол между этими плечами. Таблица хорд использовалась для преобразования измерения расстояния в измерение угла. Использование зеркала привело к тому, что измеренный угол в два раза больше угла, включаемого указателем и радиусным плечом.
Зеркало на лучевом плече было достаточно маленьким, чтобы наблюдатель мог видеть отражение объекта в половине поля зрения телескопа, а в другой половине - прямо перед собой. Это позволяло наблюдателю видеть оба объекта одновременно. Выравнивание двух объектов вместе в обзоре телескопов привело к тому, что угловое расстояние между ними было отображено на градуированной хорде.
Хотя инструмент Гука был новинкой и в то время привлек некоторое внимание, нет никаких свидетельств того, что он подвергался каким-либо испытаниям в море. Инструмент мало использовался и не оказал существенного влияния на астрономию или навигацию.
Светоотражающий инструмент Галлея
В 1692 году Эдмонд Галлей представил Королевскому обществу дизайн световозвращающего инструмента.
Это интересный инструмент, сочетающий в себе функции радиолатиноамериканца с двойным телескопом . Телескоп (AB на соседнем изображении) имеет окуляр на одном конце и зеркало (D), расположенное частично по его длине, с одной линзой объектива на дальнем конце (B). Зеркало закрывает только половину поля (слева или справа) и позволяет видеть объектив на другой стороне. В зеркале отражается изображение второй линзы объектива (С). Это позволяет наблюдателю одновременно видеть оба изображения, одно прямолинейное, а другое отраженное. Важно, чтобы фокусные расстояния двух линз объектива были одинаковыми, а расстояния от зеркала до обеих линз были одинаковыми. Если это условие не выполняется, два изображения не могут быть сфокусированы на общем фокусе .
Зеркало установлено на рейке (пеленгатор) радиолатиноамериканской части инструмента и вращается вместе с ней. Угол, который эта сторона ромба радиолатиноамериканца образует к телескопу, может быть установлен путем регулировки длины диагонали ромба. Чтобы облегчить это и обеспечить точную регулировку угла, установлен винт (EC), позволяющий наблюдателю изменять расстояние между двумя вершинами (E и C).
Наблюдатель видит горизонт прямой линзой и видит в зеркале небесный объект . Поворачивая винт, чтобы расположить два изображения непосредственно рядом, настраивает инструмент. Угол определяется путем преобразования длины винта между E и C в угол в таблице хорд .
Галлей уточнил, что труба телескопа должна быть прямоугольной в поперечном сечении. Это упрощает конструкцию, но не является обязательным требованием, поскольку можно использовать другие формы поперечного сечения. Четыре стороны радиолатиноамериканской части (CD, DE, EF, FC) должны быть равны по длине, чтобы угол между телескопом и стороной объектива (ADC) был точно в два раза больше угла между телескопом и зеркалом. (ADF) (или другими словами - добиться, чтобы угол падения был равен углу отражения ). В противном случае коллимация инструмента будет нарушена, и результаты измерений будут ошибочными.
Угол возвышения небесного объекта можно было определить по шкале на рейке ползунка, однако Галлей разработал инструмент не так. Это может указывать на то, что общий дизайн инструмента был случайно похож на радиолатиноамериканец, и что Галлей, возможно, не был знаком с этим инструментом.
Неизвестно, испытывался ли когда-либо этот прибор в море.
Отражающий квадрант Ньютона
Отражающий квадрант Ньютона во многих отношениях был подобен первому отражающему квадранту Хэдли, который последовал за ним.
Ньютон сообщил об этом чертеже Эдмунду Галлею около 1699 года. Однако Галлей ничего не сделал с документом, и он остался в его документах только для того, чтобы быть обнаруженным после его смерти. Однако Галлей действительно обсуждал конструкцию Ньютона с членами Королевского общества, когда Хэдли представил свой отражающий квадрант в 1731 году. Галлей отметил, что конструкция Хэдли очень похожа на более ранний ньютоновский инструмент.
В результате этой непреднамеренной секретности изобретение Ньютона сыграло небольшую роль в разработке отражающих инструментов.
Октант
Что примечательно в октанте, так это количество людей, которые самостоятельно изобрели устройство за короткий промежуток времени. Джон Хэдли и Томас Годфри получили признание за изобретение октанта . Они независимо разработали один и тот же инструмент около 1731 года. Однако они были не единственными.
В случае Хэдли было разработано два инструмента. Первый был инструментом, очень похожим на отражающий квадрант Ньютона. Второй по сути имел ту же форму, что и современный секстант. Были построены немногие из первой конструкции, в то время как второй стал стандартным инструментом, из которого произошел секстант, и, вместе с секстантом, вытеснил все предыдущие навигационные инструменты, используемые для астрономической навигации .
Калеб Смит , английский страховой брокер, сильно интересовавшийся астрономией, создал октант в 1734 году. Он назвал его Астроскопом или Морским квадрантом . Он использовал фиксированную призму в дополнение к индексному зеркалу, чтобы обеспечить отражающие элементы. Призмы имели преимущества перед зеркалами в эпоху, когда полированные металлические зеркала были хуже, а серебрение зеркала и производство стекла с плоскими параллельными поверхностями было затруднено. Однако другие элементы дизайна инструмента Смита сделали его хуже октанта Хэдли, и он не использовался значительно.
Жан-Поль Фуши , профессор математики и астроном из Франции, изобрел октант в 1732 году. По сути, он был таким же, как у Хэдли. Фуши не знал о развитии событий в Англии в то время, поскольку связи между производителями инструментов в двух странах были ограничены, а публикации Королевского общества, особенно « Философские труды» , не распространялись во Франции. Октант Фучи был омрачен октантом Хэдли.
Секстант
- Основная статья « Секстант» посвящена использованию этого инструмента в навигации. Эта статья посвящена истории и развитию инструмента.
Происхождение секстанта очевидно и не оспаривается. Адмирал Джон Кэмпбелл , применив октант Хэдли в ходовых испытаниях метода лунных расстояний , обнаружил, что этого недостаточно. Угол 90 ° , образуемая дуга инструмента был недостаточен , чтобы измерить некоторые из угловых расстояний , требуемых для метода. Он предложил увеличить угол до 120 °, получив секстант. Джон Берд сделал первый такой секстант в 1757 году.
С развитием секстанта октант стал чем-то вроде инструмента второго класса. Октант, хотя иногда и полностью изготовленный из латуни, оставался в основном инструментом с деревянной рамой. Большинство разработок в области передовых материалов и строительных технологий было зарезервировано для секстанта.
Есть примеры секстантов, сделанных из дерева, но большинство из них - из латуни. Чтобы рама была жесткой, производители инструментов использовали более толстые рамы. Это имело недостаток в том, что инструмент становился тяжелее, что могло повлиять на точность из-за дрожания рук, когда штурман работал против своего веса. Чтобы избежать этой проблемы, рамы были модифицированы. Эдвард Троутон запатентовал секстант с двойной рамкой в 1788 году. В ней использовались две рамки, удерживаемые параллельно с распорками. Две рамки находились на расстоянии примерно сантиметра друг от друга. Это значительно увеличило жесткость рамы. В более ранней версии имелась вторая рама, которая закрывала только верхнюю часть инструмента, фиксируя зеркала и телескоп. В более поздних версиях использовалось два полных кадра. Поскольку распорки выглядели как столбики, их также называли секстантами столбов .
Тротон также экспериментировал с альтернативными материалами. Весы были высевают с серебром , золотом или платиной . И золото, и платина сводят к минимуму проблемы с коррозией . Инструменты с платиновым покрытием были дорогими из-за дефицита металла, хотя и были дешевле золота. Тротон знал Уильяма Хайда Волластона через Королевское общество, и это дало ему доступ к драгоценному металлу. Инструменты компании Troughton, в которых использовалась платина, можно легко идентифицировать по слову Platina, выгравированному на рамке. Эти инструменты по-прежнему высоко ценятся как предметы коллекционирования и сегодня так же точны, как и тогда, когда они были сконструированы.
По мере развития деления машин секстант становился более точным, и его можно было сделать меньше. Для облегчения считывания нониуса была добавлена небольшая увеличительная линза. Кроме того, чтобы уменьшить блики на кадре, у некоторых был рассеиватель, окружающий лупу, чтобы смягчить свет. По мере повышения точности нониус дуги окружности был заменен нониусом барабанного типа.
Со временем конструкция рамы была изменена, чтобы создать раму, на которую не повлияют изменения температуры. Эти образцы оправы стали стандартизированными, и можно увидеть одну и ту же общую форму во многих инструментах от разных производителей.
Чтобы контролировать расходы, современные секстанты теперь доступны из высокоточного пластика. Они легкие, доступные по цене и качественные.
Виды секстантов
Хотя большинство людей думают о навигации, когда слышат термин секстант , этот инструмент использовался и в других профессиях.
- Секстант навигатора
- Обычный тип инструмента, о котором думает большинство людей, когда слышат термин секстант .
- Звучащие секстанты
- Это секстанты, которые были построены для использования по горизонтали, а не по вертикали, и были разработаны для использования в гидрографических исследованиях .
- Секстанты геодезистов
- Они были сконструированы для использования исключительно на суше для горизонтальных угловых измерений. Вместо ручки на раме у них было гнездо, позволяющее прикрепить посох геодезиста Джейкоба .
- Коробочные или карманные секстанты
- Это небольшие секстанты, полностью помещенные в металлический футляр. Впервые разработанные Эдвардом Тротоном, они обычно все из латуни с большинством механических компонентов внутри корпуса. Телескоп выходит из бокового отверстия. Индекс и другие части полностью закрываются, если надеть крышку корпуса. Популярность среди геодезистов из-за их небольшого размера (обычно всего 6,5–8 см [ 2 1 ⁄ 2 - 3 1 ⁄ 4 дюйма] в диаметре и 5 см [2 дюйма] в глубину), их точность стала возможной благодаря улучшениям в двигателях деления, используемых для градуировать дуги. Дуги настолько малы, что к ним прилагаются лупы, позволяющие их считывать.
Помимо этих типов, существуют термины, используемые для различных секстантов.
Столб секстант может быть:
- Секстант с двойной рамкой, запатентованный Эдвардом Тротоном в 1788 году.
- Секстант геодезиста с гнездом для геодезического штаба (столб).
Первый - наиболее распространенное использование этого термина.
Помимо секстанта
Квинтант и другие
Некоторые производители предлагали инструменты с размерами, отличными от одной восьмой или одной шестой круга. Одной из наиболее распространенных была квинтантная или пятая часть круга (считывание дуги от 72 ° до 144 °). Были доступны и другие размеры, но необычные размеры так и не стали обычным явлением. Многие инструменты имеют шкалу, показывающую, например, 135 °, но их просто называют секстантами. Точно так же есть 100-градусные октанты, но они не выделяются как уникальные типы инструментов.
Был интерес к инструментам гораздо большего размера для специальных целей. В частности, был изготовлен ряд инструментов с полным кругом, классифицированных как отражающие круги и повторяющиеся круги .
Отражающие круги
Отражающий круг был изобретен немецким геометром и астрономом Тобиасом Майером в 1752 году, а подробности были опубликованы в 1767 году. Его разработка предшествовала секстанту и была мотивирована необходимостью создания лучшего геодезического инструмента.
Отражающий круг представляет собой полный круговой инструмент с градуировкой до 720 ° (для измерения расстояний между небесными телами нет необходимости считывать угол больше 180 °, поскольку минимальное расстояние всегда будет меньше 180 °). Майер представил подробное описание этого прибора Совету по долготе, и Джон Берд использовал эту информацию, чтобы построить один шестнадцатидюймовый в диаметре для оценки Королевским флотом. Этот инструмент был одним из тех, что использовал адмирал Джон Кэмпбелл во время его оценки метода лунного расстояния . Он отличался тем, что имел градуировку на 360 ° и был настолько тяжелым, что имел опору, прикрепленную к ремню. Он не считался лучше октанта Хэдли и был менее удобен в использовании. В результате Кэмпбелл рекомендовал создание секстанта.
Жан-Шарль де Борда развил круг отражений. Он изменил положение оптического прицела таким образом, чтобы зеркало можно было использовать для получения изображения с любой стороны относительно телескопа. Это избавило от необходимости проверять точную параллельность зеркал при считывании нуля. Это упростило использование инструмента. Дальнейшие доработки были выполнены с помощью Этьена Ленуара . Они вдвоем усовершенствовали инструмент до его окончательной формы в 1777 году. Этот инструмент был настолько отличительным, что получил название « круг Борда» .
Йозеф де Мендоса-и-Риос переработал отражающий круг Борды (Лондон, 1801 г.). Цель состояла в том, чтобы использовать его вместе с его Лунными таблицами, опубликованными Королевским обществом (Лондон, 1805 г.). Он сделал схему с двумя концентрическими кругами и нониусной шкалой и рекомендовал усреднить три последовательных отсчета, чтобы уменьшить ошибку. Система Борды была основана не на окружности 360 °, а на 400 градусах (Борда провел годы, рассчитывая свои таблицы с кругом, разделенным на 400 °). Лунные таблицы Мендосы использовались почти весь девятнадцатый век (см. Лунное расстояние (навигация) ).
Эдвард Тротон также модифицировал отражающий круг. Он создал дизайн с тремя рычагами и нониусами . Это позволило провести три одновременных чтения, чтобы усреднить ошибку.
Как навигационный инструмент, отражающий круг был более популярен во французском флоте, чем в британском.
Один инструмент, полученный из отражающего круга, - это повторяющийся круг . Изобретенный Ленуаром в 1784 году Борда и Ленуар разработали инструмент для геодезической съемки . Поскольку он не использовался для астрономических измерений, он не использовал двойное отражение и заменял два телескопических прицела. Таким образом, это не был отражающий инструмент. Он был примечателен тем, что не уступал великому теодолиту, созданному известным мастером инструментов Джесси Рамсденом .
Брис секстант
Секстант Брис не является настоящим секстантом, но это настоящий отражающий инструмент, основанный на принципе двойного отражения и подчиняющийся тем же правилам и ошибкам, что и обычные октанты и секстанты. В отличие от обычных октантов и секстантов, секстант Бриса представляет собой инструмент с фиксированным углом, способный точно измерять несколько определенных углов, в отличие от других отражающих инструментов, которые могут измерять любой угол в пределах диапазона инструмента. Он особенно подходит для определения высоты солнца или луны .
Геодезический сектор
Фрэнсис Рональдс изобрел инструмент для записи углов в 1829 году путем изменения октанта. Недостатком отражающих инструментов в геодезических приложениях является то, что оптика требует, чтобы зеркало и указательный рычаг вращались на половину углового расстояния между двумя объектами. Таким образом, угол необходимо считать, отметить и использовать транспортир , чтобы нарисовать угол на плане. Идея Рональдса заключалась в том, чтобы настроить указательный рычаг так, чтобы он поворачивался на угол, в два раза превышающий угол зеркала, чтобы затем рычаг можно было использовать для рисования линии под правильным углом непосредственно на чертеже. Он использовал сектор в качестве основы своего инструмента и поместил горизонтальное стекло на одном конце, а указательное зеркало рядом с шарниром, соединяющим две линейки. Два вращающихся элемента были связаны между собой механически, а цилиндр, поддерживающий зеркало, был вдвое больше диаметра шарнира, чтобы обеспечить необходимое угловое соотношение.
Рекомендации
Внешние ссылки
- Национальный морской музей Портрет капитана торгового флота с Октантом Калеба Смита.