Солнечный компас Берта или астрономический компас/солнечный компас — это геодезический инструмент, который использует направление Солнца вместо магнетизма. Уильям Остин Берт изобрел свой солнечный компас в 1835 году. Солнечный компас работает по принципу, согласно которому направление на Солнце в определенное время может быть вычислено, если известно положение наблюдателя на поверхности Земли, с такой же точностью. Направление можно описать в терминах угла Солнца относительно оси вращения планеты .
Этот угол состоит из угла, обусловленного широтой , в сочетании с углом, обусловленным сезоном, и углом, обусловленным временем суток. Эти углы устанавливаются на компасе для выбранного времени суток, основание компаса устанавливается по уровню с помощью предоставленных спиртовых уровней , а затем прицелы выравниваются по Солнцу в указанное время, так что изображение Солнца проецируется на крестовую решетку. В этот момент основание компаса будет выровнено по истинному направлению север-юг. Затем оно фиксируется на месте в этом выравнивании, после чего прицельные рычаги можно вращать для выравнивания с любым ориентиром или маяком, а направление можно считывать с нониусов как угол относительно истинного севера.
Это устройство избегало проблем обычного магнитного компаса, используемого геодезистами, который показывал нестабильные показания в местности с высоким содержанием железной руды и непостоянным и неизвестным местным магнитным смещением. Инструмент оказался настолько точным, что правительство Соединенных Штатов выбрало его для съемки общественных земель, государственных границ и железнодорожных путей. Он завоевал награды от различных организаций и использовался геодезистами с девятнадцатого по двадцатый век. [1]
Берт стал заместителем геодезиста Соединенных Штатов в 1833 году и начал проводить съемку государственных земель на территории к северо-западу от реки Огайо . [2] К 1834 году он и его бригада геодезистов проводили съемку территории на нижнем полуострове Мичигана . К 1835 году он проводил съемку земель на верхнем полуострове Мичигана для использования новыми поселенцами. [3] Здесь он обнаружил, что его чувствительный компас, работавший на притяжении магнитного поля, хаотично колебался из-за залежей железной руды в этом районе, которые мешали полю. Берт разработал приспособление для инструмента, которое полагалось на солнечный свет, а не на магнетизм, чтобы найти истинный север. Он назвал полученный продукт прибором для поиска истинного меридиана . [4] Он преодолел капризы компаса геодезиста, вызванные помехами от залежей железной руды в местном районе суши. [5]
Берт впервые использовал солнечный инструмент в своих исследованиях Мичигана. [6] Он обнаружил крупные выходящие на поверхность залежи железной руды в Негони в округе Маркетт в своем более позднем исследовании 1844 года верхнего полуострова штата Мичиган. [7] Это станет известно как Железный хребет Маркетт . [8] Его команда обнаружила небольшие залежи железной руды на нижнем полуострове штата примерно в то же время. [9] Его случайное открытие этих залежей железа в Мичигане внесло большой вклад в промышленную революцию Америки . [10] Шахта Калумет и Гекла в Медном краю Мичигана была обнаружена с помощью инструмента Берта, и она стала ведущим производителем меди в мире. [11]
Солнечный компас Берта использует местоположение Солнца с помощью астрономических таблиц и позволяет геодезистам проводить более точные линии, экономя им много времени. Берт заказал модель своего инструмента, построенную в 1835 году Уильямом Джеймсом Янгом , профессиональным изготовителем инструментов. [12] Затем он представил этот солнечный компас комитету в Институте Франклина в Филадельфии. [13] Они изучили его характеристики, а затем наградили Берта двадцатью долларами золотом и медалью Джона Скотта за его технологию. [14] Берт запатентовал свое изобретение солнечного компаса 25 февраля 1836 года. [15] С тех пор его называют солнечным компасом Берта или астрономическим компасом. Он использовал его в сезоне 1836–1837 годов для обследования пятого главного меридиана в Айове. [16] [17]
Берт усовершенствовал инструмент на протяжении многих лет, внеся некоторые изменения в механику, чтобы упростить его эксплуатацию и повысить точность. [12] В 1840 году он получил еще один патент на свой улучшенный солнечный компас. [18] Он повторно представил обновленную версию инструмента в Институт Франклина, где они обнаружили, что он более точен и прост в использовании, чем первая версия. [13] Генеральный инспектор Федерального земельного управления Э. С. Хейнс проверил геодезический инструмент Берта в декабре 1840 года и сообщил в письме от 1841 года, что с его четырехлетним опытом в геодезии он, как было установлено, превосходит по технологии обычный компас, который тогда использовался большинством геодезистов. [19] Комиссар Федерального земельного управления разослал письма генеральным геодезистам по всем Соединенным Штатам, в которых говорилось, что компас Берта был изготовлен геодезистом Генри Уэром и доступен для покупки. [16]
В 1849 году Берт отправился в Вашингтон со своим сыном, чтобы подать заявку на возобновление своего первоначального патента на солнечный компас 1835 года, который должен был истечь. [20] Комитет уполномоченных по землепользованию, в который входили сенаторы от Мичигана и других штатов, признавая ценность солнечного компаса Берта в государственных землеустроительных работах, убедил его отказаться от возобновления и подать прошение в конгресс о соответствующей авансом компенсации. Берт сделал, как было предложено, полагая, что он получит соответствующую компенсацию. Однако указанная компенсация не была получена ни при жизни Берта, ни в какое-либо другое время после этого. [20] Поскольку после 1850 года патента на солнечный компас Берта не было, производители инструментов изготавливали и продавали «солнечный компас Берта» геодезистам как коммерческий продукт. [21] Изобретатель потратил тысячи долларов на усовершенствование своего инструмента, но получил только восемьдесят долларов от продажи своего инструмента за свои труды. [20]
В предисловии к своей книге «Ключ к солнечному компасу и спутнику геодезиста» (1858) его коллега Уильям С. Янг Берт ссылается на многочисленные просьбы о такой книге о том, как использовать его солнечный компас. Он объясняет, что у обычного геодезического компаса были проблемы с истинным меридианом в разных местах. У него также были проблемы изо дня в день с разными показаниями от ожидаемых как константы или от предыдущих показаний. Было установлено, что магнитный компас был подвержен помехам от местного притяжения железной руды. [20] Требовалось более точное руководство для геодезиста, поэтому Берт создал солнечный компас. [22]
Геодезист Бела Хаббард заметил в 1845 году, что с солнечным компасом Берта они могли провести съемку прямой линии через богатую железом страну, что было бы невозможной задачей при использовании обычного компаса. [23] Первоначальным стимулом для солнечного компаса Берта было использование там, где старый компас был уязвим к крупным залежам железа на суше, которые давали непригодные для использования показания. Затем было обнаружено, что он в целом превосходит обычный компас, даже когда местные залежи железной руды не представляли проблемы. Присоединение солнечного компаса к транзиту геодезиста по-прежнему было рекомендуемым методом получения истинного направления на север, как указано в руководстве геодезиста 1973 года Бюро по управлению земельными ресурсами США . [24] Инструмент был широко принят для съемки земель в Соединенных Штатах и обязателен для правительственной съемки с середины девятнадцатого века до 2000 года, когда технология спутниковой системы глобального позиционирования стала предпочтительным методом съемки. [18]
Геодезисты могут определить истинный север, наблюдая за Солнцем или другими астрономическими объектами, такими как звезды или Луна, которые имеют направление из любой заданной точки на поверхности Земли. Его можно точно рассчитать для заданной даты и времени, и на него не влияют локальные изменения магнитного поля из-за местных залежей минералов, таких как железная руда. Инструмент Берта позволяет геодезистам определять истинное направление на север относительно Солнца, а не под влиянием магнитного поля Земли. [18] Он сделан из латуни и, следовательно, не оказывает магнитного влияния на стрелку компаса, [18] поскольку изначально он был небольшой приставкой к стандартному общему компасу геодезиста. [25]
Применение солнечного компаса требует знания видимого движения Солнца вокруг Земли относительно Земли как центра системы отсчета, и, более конкретно, относительно положения инструмента при настройке для использования в обследовании. Необходимо понимание широтного и сезонного склонения и долготного изменения со временем суток, поскольку компас имеет специальные подузлы для учета каждой из этих переменных. [22] [26]
На экваторе Земли в равноденствия Солнце не имеет сезонного склонения, восходит строго на востоке и заходит строго на западе. В полдень Солнце находится в своей самой высокой точке, прямо над головой. Оно находится в самой низкой точке в полночь и, по-видимому, движется в плоскости экватора. В местах, удаленных от экватора, полуденная высота Солнца будет уменьшена на угол локальной горизонтали Земли к полярной оси – широте – так что на широте 10° к югу или северу полуденная высота будет составлять 90° − 10° = 80° в равноденствия. Этот угол известен геодезисту и устанавливается на дуге широты инструмента так, чтобы при выровненном основании и выровненном по истинному северу компасе [27] ось часовой дуги была параллельна полярной оси. [22] [26]
Ось вращения Земли наклонена от перпендикуляра к плоскости ее орбиты вокруг Солнца. Этот угол заставляет угол высоты Солнца меняться в зависимости от сезона на величину, которая зависит от направления смещения. Он предсказуемо меняется в течение года, плавно увеличиваясь и уменьшаясь с вычисляемой скоростью, и является постоянным для всей Земли в одно и то же время. Это значение также известно геодезисту, поскольку оно опубликовано в наборе таблиц в альманахе. Поправка на это склонение делается на дуге склонения компаса, который установлен для вращения на полярной оси поверх дуги широты, поскольку углы широты и склонения являются аддитивными. Угол Солнца из-за времени суток устанавливается на дуге часового угла, которая перпендикулярна полярной оси. Этот угол рассчитывается из долготы и GMT , также сведен в таблицу для удобства геодезистов и навигаторов, поскольку вычисления утомительны для выполнения в полевых условиях, и любая ошибка может иметь серьезные последствия. [22] [26]
Предполагая сферическую Землю, если провести прямую линию от восходящего до заходящего солнца, а также от солнца в полдень и в полночь в равноденствия, обе эти линии пройдут через центр Земли, а экватор пересечет эти линии. Это не так, когда солнце имеет северное или южное склонение, потому что его видимое движение будет под углом к экваториальной плоскости, равным величине склонения солнца к северу или югу, так что когда солнце имеет северное или южное склонение, а Земля рассматривается как центр его вращений, линия от Солнца к центру Земли описывает конус. [22] [26]
Это коническое движение Солнца можно также проиллюстрировать с помощью вогнутых спиц колеса крытой повозки, где обод представляет видимый путь Солнца, ступица представляет Землю, а спицы являются линиями, проведенными от пути Солнца. Можно увидеть, что линия, проведенная от Солнца к центру Земли, пройдет к северу или к югу от экватора, в степени, равной его склонению к северу или югу. Инструмент имеет экваториальное движение с механическим приспособлением для визирования звезды в качестве ориентира. [22] [26]
Солнечный компас Берта состоит из основной пластины, установленной на штативе и выровненной с помощью двух ортогональных прикрепленных спиртовых уровней. Он несет общий компасный игольчатый ящик, имеющий деления для северного конца стрелки около 36 градусов, с нониусом для считывания отклонения стрелки и тремя регулируемыми дугами солнечного инструмента: одна установлена на широту местоположения; другая на сезонное склонение Солнца; и третья на час дня, скорректированный на долготу местоположения. Прицелы для установки выравнивания по Солнцу установлены на подвижном плече дуги склонения и имеют небольшую линзу для фокусировки изображения диска Солнца на целевой решетке. Верхняя пластина совмещена с Солнцем и остается неподвижной после полярного выравнивания, в то время как пеленги берутся с помощью прицелов на нижней пластине. Нижняя пластина несет геодезические прицелы и может вращаться относительно верхней пластины и может быть закреплена в любом положении на верхней пластине. [22] [26] На нижней пластине имеется градуированное кольцо, которое показывает относительное вращение между верхней пластиной, ориентированной на север, и линией визирования на нижней пластине, а также имеет нониусы, позволяющие точно считывать угол. [22] [26]
Широтная дуга прикреплена перпендикулярно к верхней пластине. Часовая дуга закреплена перпендикулярно к подвижной верхней части широтной дуги, а дуга склонения поворачивается на полярной оси над и перпендикулярно дуге склонения. Положения дуг можно точно отрегулировать винтами, а углы можно считать с помощью нониуса. При необходимости предусмотрены зажимные винты для фиксации компонентов на месте. На одном конце регулируемого плеча дуги склонения установлены небольшие линзы, которые фокусируют изображение диска Солнца на целевой пластине, на которой нанесены параллельные пары перпендикулярных линий для кадрирования изображения при правильном выравнивании. [22] [26]
Операция выполняется следующим образом:
Берт совершенствовал инструмент на протяжении многих лет, и он получил награды от различных организаций за свою технологию, как простую, прочную, недорогую, надежную и точную, и использовался геодезистами с девятнадцатого по двадцатый век. [2] В 1851 году он выставил свою последнюю версию на Всемирной выставке в Лондоне. [28] Там он был изучен и одобрен ученым Джоном Гершелем . [11] Берт получил приз от ярмарки за свой дизайн компаса. [11] [29] Затем он получил еще одну медаль за свою более простую и точную версию от членов жюри Астрономических инструментов с личным комплиментом Альберта Эдуарда, принца Уэльского , 15 октября 1851 года в Гайд-парке, Лондон, Англия . [30]
Этот инструмент был изобретен, чтобы уйти от крайне изменчивых и ненадежных показаний, которые давал обычный компас того времени в местности с аномалией магнитного поля, вызванной крупными месторождениями железной руды. Инструмент оказался настолько точным, что правительство Соединенных Штатов указало его для обследования государственных земель, границ штатов и железнодорожных путей. [31] Инструмент Берта использовался для обследования 75 процентов государственных земель Соединенных Штатов, состоящих из почти миллиарда акров. [20] Он сэкономил правительству миллионы долларов из-за своей невысокой цены и точности обследования. Он обследовал минеральные земли во многих штатах, включая Мичиган, Висконсин, Миннесоту, Арканзас и Колорадо. Расходы на проект по обследованию участка земли составляли лишь часть того, что он стоил до его изобретения. Примером сравнения может служить граница между Айовой и Миннесотой, которая ранее обследовалась по цене 120 долларов за милю (75 долларов/км) с использованием устаревших инструментов, в то время как с солнечным компасом Берта она составляла всего 15 долларов за милю (9,3 доллара/км). [32]
........Соответственно, изобретатель внес несколько изменений и усовершенствований, подсказанных опытом, и в декабре 1840 года снова представил инструмент в улучшенном виде комитету того же института, который сообщил о решительном улучшении точности и простоте его настройки и использования.