Instrument odblaskowy - Reflecting instrument
Przyrządy odblaskowe to takie, które wykorzystują lustra w celu zwiększenia ich zdolności do dokonywania pomiarów. W szczególności zastosowanie luster pozwala na jednoczesną obserwację dwóch obiektów podczas pomiaru odległości kątowej między obiektami. Chociaż przyrządy odblaskowe są wykorzystywane w wielu zawodach, kojarzą się one przede wszystkim z nawigacją na niebie, gdyż główną motywacją do ich rozwoju była potrzeba rozwiązywania problemów nawigacyjnych, w szczególności długości geograficznej .
Cele instrumentów
Celem przyrządów odblaskowych jest umożliwienie obserwatorowi zmierzenia wysokości ciała niebieskiego lub pomiaru odległości kątowej między dwoma obiektami. Siłą napędową omawianych tu wydarzeń było rozwiązanie problemu znalezienia własnej długości geograficznej na morzu. Uznano, że rozwiązanie tego problemu wymaga dokładnych środków pomiaru kątów, a dokładność zależy od zdolności obserwatora do pomiaru tego kąta poprzez jednoczesną obserwację dwóch obiektów jednocześnie.
Niedobór wcześniejszych instrumentów był dobrze znany. Wymaganie od obserwatora obserwacji dwóch obiektów z dwoma rozbieżnymi liniami widzenia zwiększało prawdopodobieństwo błędu. Ci, którzy rozważali ten problem, zdali sobie sprawę, że użycie wzierników (zwierciadeł we współczesnym języku) może pozwolić na obserwację dwóch obiektów w jednym widoku. Następnie nastąpiła seria wynalazków i ulepszeń, które dopracowały instrument do tego stopnia, że jego dokładność przekraczała wymaganą do określenia długości geograficznej. Wszelkie dalsze ulepszenia wymagały zupełnie nowej technologii.
Wczesne instrumenty refleksyjne
Niektóre z wczesnych instrumentów odbijających zostały zaproponowane przez naukowców, takich jak Robert Hooke i Isaac Newton . Były one rzadko używane lub nie zostały zbudowane lub szeroko przetestowane. Instrument van Breen był wyjątkiem, ponieważ był używany przez Holendrów. Miał jednak niewielki wpływ poza Holandią .
Wynaleziony w 1660 roku przez Holendra Joosta van Breen, spiegelboog (łuk lustrzany) był odbijającą krzyżową laską . Wydaje się, że ten instrument był używany od około 100 lat, głównie w Zelandzkiej Izbie VOC ( Holenderska Kompania Wschodnioindyjska ).
Jedno odblaskowy instrument Roberta Hooke'a
Indeks z zamontowanym teleskopem jest pokazany w kolorze czarnym, ramię promieniowe z lusterkiem (szarym) przymocowanym na niebiesko, a cięciwa w kolorze zielonym na białym. Linie wzroku są przedstawione czerwoną przerywaną linią.
Instrument Hooke'a był instrumentem z pojedynczym odbiciem. Używał pojedynczego lustra, aby odbijać obraz obiektu astronomicznego w oku obserwatora. Instrument ten został po raz pierwszy opisany w 1666 roku, a model roboczy został przedstawiony przez Hooke na spotkaniu Towarzystwa Królewskiego jakiś czas później.
Urządzenie składało się z trzech głównych elementów, ramienia wskazującego, ramienia promieniowego i stopniowanej cięciwy. Wszystkie trzy zostały ułożone w trójkąt, jak na obrazku po prawej stronie. Na ramieniu wskazującym zamontowano celownik teleskopowy. W miejscu obrotu ramienia promieniowego zamontowano jedno lusterko. Ten punkt obrotu pozwolił na zmianę kąta między ramieniem wskazującym a ramieniem promieniowym. Stopniowana cięciwa została połączona z przeciwległym końcem ramienia promieniowego i cięciwa mogła obracać się wokół końca. Cięciwa była trzymana na odległym końcu ramienia wskazującego i zsunęła się z nim. Podziałki na cięciwie były jednakowe i na podstawie pomiaru odległości między końcami ramienia wskazującego i ramienia promieniowego można było określić kąt między tymi ramionami. Tabela akordów została wykorzystana do przeliczenia pomiaru odległości na pomiar kąta. Zastosowanie lusterka spowodowało, że zmierzony kąt był dwukrotnie większy od kąta zawartego w indeksie i ramieniu promieniowym.
Lustro na ramieniu promieniowym było na tyle małe, że obserwator mógł zobaczyć odbicie obiektu w połowie pola widzenia teleskopu, patrząc na wprost w drugiej połowie. Pozwoliło to obserwatorowi zobaczyć oba obiekty jednocześnie. Dopasowanie dwóch obiektów do siebie w widoku teleskopu spowodowało, że odległość kątowa między nimi była reprezentowana na stopniowanej cięciwie.
Chociaż instrument Hooke'a był nowatorski i przyciągał w tamtym czasie uwagę, nie ma dowodów na to, że został poddany jakimkolwiek testom na morzu. Instrument był rzadko używany i nie miał znaczącego wpływu na astronomię ani nawigację.
Instrument odbijający Halleya
W 1692 roku Edmond Halley przedstawił Królewskiemu Towarzystwu projekt odbijającego instrumentu.
To ciekawy instrument, łączący funkcjonalność radia latino z podwójnym teleskopem . Teleskop (AB na sąsiednim zdjęciu) ma okular na jednym końcu i lusterko (D) na części swojej długości z jedną soczewką obiektywu na drugim końcu (B). Lustro zasłania tylko połowę pola (w lewo lub w prawo) i pozwala widzieć obiektyw z drugiej strony. W lustrze odbija się obraz z drugiej soczewki obiektywu (C). Pozwala to obserwatorowi widzieć oba obrazy, jeden prosty i jeden odbity, jednocześnie obok siebie. Istotne jest, aby ogniskowe obu obiektywów były takie same, a odległości od lustra do obu soczewek były identyczne. Jeśli ten warunek nie zostanie spełniony, dwa obrazy nie mogą być ustawione na wspólną ostrość .
Lustro jest zamontowane na pięciolinii (DF) części radiowo-latino instrumentu i obraca się wraz z nią. Kąt, jaki ta strona rombu radia latino stawia w stosunku do teleskopu, można ustawić, dostosowując długość przekątnej rombu. Aby to ułatwić i umożliwić precyzyjną regulację kąta, zamontowano śrubę (EC) tak, aby obserwator mógł zmienić odległość między dwoma wierzchołkami (E i C).
Obserwator patrzy na horyzont z bezpośredniego widzenia obiektywu i widzi niebiański obiekt w lustrze. Obracanie śruby w celu przeniesienia dwóch obrazów bezpośrednio do siebie ustawia instrument. Kąt określa się, biorąc długość śruby między E i C i przeliczając ją na kąt w tabeli cięciw .
Halley określił, że rura teleskopu ma przekrój prostokątny. To sprawia, że konstrukcja jest łatwa, ale nie jest wymagana, ponieważ można zastosować inne kształty przekroju. Cztery boki części radio latino (CD, DE, EF, FC) muszą mieć taką samą długość, aby kąt między teleskopem a stroną soczewki obiektywu (ADC) był dokładnie dwa razy większy od kąta między teleskopem a lustrem (ADF) (czyli innymi słowy - wymuszenie kąta padania równego kątowi odbicia ). W przeciwnym razie kolimacja instrumentu będzie zagrożona, a wyniki pomiarów będą błędne.
Kąt wzniesienia ciała niebieskiego można było określić, odczytując podziałki na pięciolinii na suwaku, jednak nie tak Halley zaprojektował instrument. Może to sugerować, że ogólna konstrukcja instrumentu była przypadkowo podobna do radia latino i że Halley mógł nie być zaznajomiony z tym instrumentem.
Nie wiadomo, czy ten instrument był kiedykolwiek testowany na morzu.
Odbijający kwadrant Newtona
Odbijający kwadrant Newtona był pod wieloma względami podobny do pierwszego odbijającego kwadrantu Hadleya, który nastąpił po nim.
Newton przekazał projekt Edmundowi Halleyowi około 1699 r. Jednak Halley nie zrobił nic z dokumentem i pozostał w jego dokumentach tylko po to, aby został odkryty po jego śmierci. Jednak Halley omawiał projekt Newtona z członkami Towarzystwa Królewskiego, kiedy Hadley przedstawił swój kwadrant odbijający w 1731 r. Halley zauważył, że projekt Hadleya był dość podobny do wcześniejszego instrumentu Newtona.
W wyniku tej nieumyślnej tajemnicy wynalazek Newtona odegrał niewielką rolę w rozwoju instrumentów odblaskowych.
Oktant
W oktancie niezwykła jest liczba osób, które samodzielnie wynalazły urządzenie w krótkim czasie. John Hadley i Thomas Godfrey są obaj uznani za wynalezienie oktanta . Samodzielnie opracowali ten sam instrument około 1731 roku. Nie byli jednak jedynymi.
W przypadku Hadley zaprojektowano dwa instrumenty. Pierwszy był instrumentem bardzo podobnym do odbijającego kwadrantu Newtona. Drugi miał zasadniczo taką samą formę jak współczesny sekstant. Niewiele z pierwszego projektu zostało skonstruowanych, podczas gdy drugi stał się standardowym instrumentem, z którego wywodził się sekstant i wraz z sekstantem wyparł wszystkie wcześniejsze instrumenty nawigacyjne używane do nawigacji na niebie .
Caleb Smith , angielski broker ubezpieczeniowy z dużym zainteresowaniem astronomią, stworzył oktant w 1734 roku. Nazwał go Astroskopem lub Kwadrantem Morskim . Oprócz lustra indeksującego użył stałego pryzmatu, aby zapewnić elementy odblaskowe. Pryzmaty mają przewagę nad zwierciadłami w czasach, gdy polerowane lustra metalowe były gorsze i zarówno srebrzenie lustra, jak i produkcja szkła o płaskich, równoległych powierzchniach były trudne. Jednak inne elementy konstrukcyjne instrumentu Smitha sprawiły, że był on gorszy od oktanta Hadleya i nie był znacząco używany.
Jean-Paul Fouchy , profesor matematyki i astronom we Francji, wynalazł oktant w 1732 roku. Jego był zasadniczo taki sam jak Hadley. Fouchy nie wiedział o wydarzeniach w Anglii w tamtym czasie, ponieważ komunikacja między producentami instrumentów w obu krajach była ograniczona, a publikacje Towarzystwa Królewskiego, szczególnie Transakcje filozoficzne , nie były rozprowadzane we Francji. Oktant Fouchy'ego został przyćmiony przez Hadleya.
Sekstant
- Główny artykuł, Sextant , omawia użycie instrumentu w nawigacji. Ten artykuł koncentruje się na historii i rozwoju instrumentu
Pochodzenie sekstansu jest proste i nie podlega dyskusji. Admirał John Campbell , po użyciu oktantu Hadleya w morskich próbach metody pomiaru odległości księżycowych , stwierdził, że tego brakowało. Kąt 90 ° wyznaczony przez łuk instrumentu był niewystarczający do zmierzenia niektórych odległości kątowych wymaganych dla tej metody. Zasugerował, aby zwiększyć kąt do 120 °, uzyskując sekstans. John Bird wykonał pierwszy taki sekstans w 1757 roku.
Wraz z rozwojem sekstantu oktant stał się czymś w rodzaju instrumentu drugiej klasy. Oktant, choć czasami zbudowany w całości z mosiądzu, pozostał głównie instrumentem o drewnianej ramie. Większość osiągnięć w zakresie zaawansowanych materiałów i technik konstrukcyjnych była zarezerwowana dla sekstantu.
Istnieją przykłady sekstantów wykonanych z drewna, jednak większość z nich jest wykonana z mosiądzu. Aby rama była sztywna, producenci instrumentów zastosowali grubsze ramy. Miało to wadę polegającą na tym, że instrument był cięższy, co mogło wpływać na dokładność z powodu drżenia ręki, gdy nawigator pracował pod jego ciężarem. Aby uniknąć tego problemu, ramki zostały zmodyfikowane. Edward Troughton opatentował podwójnie oprawiony sekstant w 1788 roku. Wykorzystał on dwie ramy trzymane równolegle za pomocą przekładek. Obie ramy były oddalone od siebie o około centymetr. To znacznie zwiększyło sztywność ramy. Wcześniejsza wersja miała drugą ramę, która zakrywała tylko górną część instrumentu, zabezpieczając lustra i teleskop. Późniejsze wersje wykorzystywały dwie pełne klatki. Ponieważ elementy dystansowe wyglądały jak małe filary, nazywano je również sekstantami słupkowymi .
Troughton eksperymentował również z materiałami alternatywnymi. Wagi zostały galwanicznie ze srebra , złota lub platyny . Złoto i platyna minimalizują problemy z korozją . Instrumenty pokryte platyną były drogie ze względu na niedobór metalu, choć tańsze niż złoto. Troughton znał Williama Hyde'a Wollastona przez Royal Society, co dało mu dostęp do cennego metalu. Instrumenty firmy Troughton, w których zastosowano platynę, można łatwo rozpoznać po wyrytym na ramie napisie Platina . Instrumenty te pozostają wysoko cenione jako przedmioty kolekcjonerskie i są dziś tak samo dokładne, jak wtedy, gdy zostały zbudowane.
W miarę postępu prac związanych z rozdzielaniem silników sekstant był dokładniejszy i można go było zmniejszyć. Aby umożliwić łatwy odczyt noniusza , dodano małą soczewkę powiększającą. Ponadto, aby zmniejszyć odblaski na ramie, niektóre miały dyfuzor otaczający lupę, aby zmiękczyć światło. Wraz ze wzrostem dokładności noniusz z łukiem okrągłym został zastąpiony noniuszem bębnowym.
Konstrukcje ram były z czasem modyfikowane, aby stworzyć ramę, na którą nie miałyby negatywnego wpływu zmiany temperatury. Te wzory ramek zostały znormalizowane i można zobaczyć ten sam ogólny kształt w wielu instrumentach różnych producentów.
Aby kontrolować koszty, dostępne są obecnie nowoczesne sekstanty z precyzyjnie wykonanego plastiku. Są lekkie, niedrogie i wysokiej jakości.
Rodzaje sekstantów
Podczas gdy większość ludzi myśli o nawigacji, gdy słyszy termin sekstant , instrument był używany w innych zawodach.
- Sekstant nawigatora
- Powszechny typ instrumentu, o którym większość ludzi myśli, gdy słyszy termin sekstans .
- Brzmiące sekstanty
- Są to sekstanty, które zostały skonstruowane do użytku poziomego, a nie pionowego i zostały opracowane do użytku w badaniach hydrograficznych .
- Sekstanty geodetów
- Zostały one skonstruowane do użytku wyłącznie na lądzie do poziomych pomiarów kątowych. Zamiast rączki na ramie miały gniazdo umożliwiające zamocowanie laski geodety Jacoba .
- Sekstansy pudełkowe lub kieszonkowe
- Są to małe sekstanty całkowicie zamknięte w metalowej obudowie. Po raz pierwszy opracowane przez Edwarda Troughton, są one zwykle wykonane z mosiądzu, a większość elementów mechanicznych znajduje się wewnątrz obudowy. Teleskop wysuwa się z bocznego otworu. Indeks i inne części są całkowicie zakryte po nasunięciu etui. Popularny inspektorów ich małej wielkości (zwykle tylko 6,5-8 cm [ 2 1 / 2 - 3 1 / 4 In] o średnicy 5 cm [2 cale] głęboko), ich dokładność została włączona ulepszeń w dzielących silnikach stosowanych do ukończyć łuki. Łuki są tak małe, że przymocowane są lupy, aby umożliwić ich odczytanie.
Oprócz tych typów istnieją określenia używane dla różnych sekstantów.
Filar sekstant mogą być:
- Sekstant z podwójną ramą, opatentowany przez Edwarda Troughton w 1788 roku.
- Sekstant geodezyjny z gniazdem na laskę geodety (słupek).
To pierwsze jest najczęściej używanym terminem.
Poza sekstantem
Quintant i inni
Kilku producentów oferowało instrumenty o rozmiarach innych niż jedna ósma lub jedna szósta koła. Jednym z najczęstszych był kwintant lub piąty okręgu (odczyt łuku 72 ° do 144 °). Dostępne były również inne rozmiary, ale nieparzyste rozmiary nigdy nie stały się powszechne. Spotyka się wiele instrumentów ze skalami odczytującymi np. 135 °, ale nazywa się je po prostu sekstantami. Podobnie, istnieje 100 oktantów, ale nie są one oddzielane jako unikalne typy instrumentów.
Pojawiło się zainteresowanie znacznie większymi instrumentami specjalnego przeznaczenia. W szczególności wykonano szereg instrumentów z pełnym okręgiem, sklasyfikowanych jako koła odbijające i powtarzające się .
Odbijające kręgi
Krąg odblaskowy został wynaleziony przez niemieckiego geometra i astronoma Tobiasa Mayera w 1752 r., A szczegóły zostały opublikowane w 1767 r. Jego rozwój poprzedzał sekstant i był motywowany potrzebą stworzenia doskonałego instrumentu geodezyjnego.
Koło odbijające to kompletny przyrząd kołowy wyskalowany do 720 ° (aby zmierzyć odległości między ciałami niebieskimi, nie ma potrzeby odczytywania kąta większego niż 180 °, ponieważ minimalna odległość będzie zawsze mniejsza niż 180 °). Mayer przedstawił szczegółowy opis tego instrumentu Board of Longitude, a John Bird wykorzystał te informacje do skonstruowania jednego szesnastu cali średnicy do oceny przez Royal Navy. Instrument ten był jednym z instrumentów używanych przez admirała Johna Campbella podczas oceny metody odległości księżycowej . Różnił się tym, że był wyskalowany do 360 ° i był tak ciężki, że był wyposażony we wspornik przymocowany do paska. Nie był uważany za lepszy od oktanta Hadleya i był mniej wygodny w użyciu. W rezultacie Campbell zalecił wykonanie sekstantu.
Jean-Charles de Borda dalej rozwinął krąg refleksyjny. Zmodyfikował pozycję celownika teleskopowego w taki sposób, aby lustro mogło być używane do odbierania obrazu z dowolnej strony względem teleskopu. Eliminuje to potrzebę upewnienia się, że lusterka są dokładnie równoległe podczas odczytu zera. Uprościło to korzystanie z instrumentu. Dalsze udoskonalenia zostały wykonane z pomocą Etienne Lenoir . Obaj udoskonalili instrument do ostatecznej formy w 1777 roku. Instrument ten był tak charakterystyczny, że nadano mu nazwę krąg Borda .
Josef de Mendoza y Ríos przeprojektował krąg odblaskowy Borda (Londyn, 1801). Celem było użycie go razem z jego Lunar Tables opublikowanymi przez Royal Society (Londyn, 1805). Wykonał projekt z dwoma koncentrycznymi okręgami i noniuszem i zalecił uśrednienie trzech kolejnych odczytów, aby zmniejszyć błąd. System Bordy nie opierał się na okręgu 360 °, ale na 400 stopniach (Borda przez lata obliczał swoje tabele z okręgiem podzielonym na 400 °). Tabele księżycowe Mendozy były używane przez prawie cały XIX wiek (patrz Odległość księżycowa (nawigacja) ).
Edward Troughton zmodyfikował również odbijający okrąg. Stworzył projekt z trzema ramionami wskazującymi i noniuszami . Pozwoliło to na uśrednienie błędu przy trzech jednoczesnych odczytach.
Jako instrument nawigacyjny, odblaskowy okrąg był bardziej popularny we francuskiej marynarce wojennej niż w Wielkiej Brytanii.
Jednym z instrumentów wywodzących się z odbijającego się koła jest powtarzający się okrąg . Wynaleziony przez Lenoira w 1784 roku, Borda i Lenoir opracowali instrument do pomiarów geodezyjnych . Ponieważ nie był używany do pomiarów na niebie, nie wykorzystywał podwójnego odbicia i zastąpił dwa celowniki teleskopowe. Jako taki nie był to odblaskowy instrument. Był godny uwagi jako równy wielkiemu teodolitowi stworzonemu przez znanego producenta instrumentów, Jesse Ramsdena .
Bris sekstant
Sekstant Brisa nie jest prawdziwym sekstantem, ale jest prawdziwym narzędziem refleksyjnym opartym na zasadzie podwójnej refleksji i podlegającym tym samym regułom i błędom, co zwykłe oktanty i sekstanty. W przeciwieństwie do zwykłych oktantów i sekstantów, sekstant Brisa jest przyrządem o stałym kącie, zdolnym do dokładnego pomiaru kilku określonych kątów, w przeciwieństwie do innych przyrządów odblaskowych, które mogą mierzyć dowolny kąt w zakresie instrumentu. Szczególnie nadaje się do określania wysokości słońca lub księżyca .
Sektor geodezyjny
Francis Ronalds wynalazł instrument do rejestrowania kątów w 1829 roku, modyfikując oktant. Wadą przyrządów odblaskowych w zastosowaniach geodezyjnych jest to, że optyka dyktuje, że lustro i ramię wskazujące obracają się o połowę odstępu kątowego dwóch obiektów. Zatem kąt należy odczytać, zanotować i użyć kątomierza do narysowania kąta na planie. Pomysł Ronaldsa polegał na skonfigurowaniu ramienia wskazującego tak, aby obracało się o dwukrotność kąta lustra, tak aby ramię mogło następnie zostać użyte do narysowania linii pod odpowiednim kątem bezpośrednio na rysunku. Użył sektora jako podstawy swojego instrumentu i umieścił szkło horyzontalne na jednym końcu i lustro indeksujące w pobliżu zawiasu łączącego dwie linijki. Dwa obrotowe elementy zostały połączone mechanicznie, a lufa podtrzymująca lustro miała dwukrotnie większą średnicę niż zawias, aby uzyskać wymagany kąt nachylenia.
Bibliografia
Linki zewnętrzne
- Narodowe Muzeum Morskie Portret kapitana marynarki handlowej trzymającej oktanta Caleba Smitha.