Отражающие приборы — это приборы, которые используют зеркала для повышения своей способности производить измерения. В частности, использование зеркал позволяет наблюдать два объекта одновременно, измеряя угловое расстояние между объектами. Хотя отражающие приборы 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.
Целью отражающих инструментов является предоставление наблюдателю возможности измерять высоту небесного объекта или угловое расстояние между двумя объектами. Движущей силой обсуждаемых здесь разработок было решение проблемы определения долготы в море. Решение этой проблемы, как считалось, требовало точных средств измерения углов, а точность, как считалось, зависела от способности наблюдателя измерять этот угол, одновременно наблюдая за двумя объектами.
Недостаток прежних инструментов был хорошо известен. Требование от наблюдателя наблюдать два объекта с двух расходящихся линий зрения увеличивало вероятность ошибки. Те, кто рассматривал эту проблему, поняли, что использование specula (зеркал на современном языке) может позволить наблюдать два объекта в одном виде. За этим последовал ряд изобретений и усовершенствований, которые усовершенствовали инструмент до такой степени, что его точность превысила ту, которая требовалась для определения долготы. Любые дальнейшие усовершенствования требовали совершенно новой технологии.
Некоторые из ранних отражающих инструментов были предложены такими учеными, как Роберт Гук и Исаак Ньютон . Они использовались мало или, возможно, не были построены или испытаны широко. Инструмент Ван Брина был исключением, поскольку он использовался голландцами. Однако он имел мало влияния за пределами Нидерландов .
Изобретенный в 1660 году голландцем Йостом ван Брином, spiegelboog (зеркальный смычок) представлял собой отражающий крестообразный жезл . Этот инструмент, по-видимому, использовался в течение приблизительно 100 лет, в основном в Зеландской палате VOC ( Голландской Ост-Индской компании ). [1]
Инструмент Гука был одноотражательным инструментом. Он использовал одно зеркало для отражения изображения астрономического объекта в глаз наблюдателя. [2] Этот инструмент был впервые описан в 1666 году, а рабочая модель была представлена Гуком на заседании Королевского общества некоторое время спустя.
Устройство состояло из трех основных компонентов: указательного плеча, радиального плеча и градуированной хорды. Все три были расположены в треугольнике, как на изображении справа. На указательном плече был установлен телескопический прицел. В точке вращения радиального плеча было установлено одно зеркало. Эта точка вращения позволяла изменять угол между указательным плечом и радиальным плечом. Градуированная хорда была соединена с противоположным концом радиального плеча, и хорде было разрешено вращаться вокруг конца. Хорда удерживалась против дальнего конца указательного плеча и скользила по нему. Градуировки на хорде были равномерными, 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 приводило к тому, что измеренный угол был в два раза больше угла, включенного в указательное и радиусное плечо.
Зеркало на радиальном плече было достаточно маленьким, чтобы наблюдатель мог видеть отражение объекта в половине поля зрения телескопа, одновременно глядя прямо вперед в другой половине. Это позволяло наблюдателю видеть оба объекта одновременно. Выравнивание двух объектов вместе в поле зрения телескопа приводило к тому, что угловое расстояние между ними отображалось на градуированной хорде.
Хотя инструмент Гука был новинкой и привлек некоторое внимание в то время, нет никаких свидетельств того, что он подвергался каким-либо испытаниям в море. [2] Инструмент использовался мало и не оказал существенного влияния на астрономию или навигацию.
В 1692 году Эдмонд Галлей представил Королевскому обществу проект отражающего прибора. [2]
Это интересный инструмент, сочетающий в себе функциональность радио-латино с двойным телескопом . Телескоп (AB на соседнем изображении) имеет окуляр на одном конце и зеркало (D) на полпути по его длине с одной линзой объектива на дальнем конце (B). Зеркало закрывает только половину поля (либо слева, либо справа) и позволяет видеть объектив на другом конце. В зеркале отражается изображение от второй линзы объектива (C). Это позволяет наблюдателю видеть оба изображения, одно прямое и одно отраженное, одновременно рядом друг с другом. Важно, чтобы фокусные расстояния двух линз объектива были одинаковыми, а расстояния от зеркала до каждой линзы были одинаковыми. Если это условие не выполняется, два изображения не могут быть приведены к общему фокусу .
Зеркало установлено на рейке (DF) радиолатинской части инструмента и вращается вместе с ней. Угол, который эта сторона ромба радиолатино образует с телескопом, можно установить, отрегулировав длину диагонали ромба. Чтобы облегчить это и обеспечить точную регулировку угла, установлен винт (EC), позволяющий наблюдателю изменять расстояние между двумя вершинами (E и C).
Наблюдатель смотрит на горизонт с помощью прямого взгляда линзы и видит небесный объект в зеркале. Поворот винта так, чтобы два изображения оказались прямо рядом, настраивает инструмент. Угол определяется путем взятия длины винта между E и C и преобразования ее в угол в таблице хорд .
Галлей указал, что труба телескопа должна быть прямоугольной в поперечном сечении. Это упрощает конструкцию, но не является обязательным требованием, поскольку могут быть использованы 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, чтобы обеспечить равенство угла падения углу отражения ). В противном случае коллимация инструмента будет нарушена, и полученные измерения будут ошибочными.
Угол возвышения небесного объекта можно было определить, считывая градуировки на рейке у слайдера, однако Галлей не так спроектировал инструмент. Это может означать, что общая конструкция инструмента была случайно похожа на радио-латино и что Галлей мог не быть знаком с этим инструментом.
Нет никаких сведений о том, испытывался ли этот прибор когда-либо в море. [2]
Отражающий квадрант Ньютона во многих отношениях был похож на первый отражающий квадрант Хэдли, который последовал за ним.
Ньютон сообщил о проекте Эдмунду Галлею около 1699 года. Однако Галлей ничего не сделал с документом, и он остался в его бумагах, чтобы быть обнаруженным только после его смерти. [3] Однако Галлей обсуждал проект Ньютона с членами Королевского общества, когда Хэдли представил свой отражающий квадрант в 1731 году. Галлей отметил, что проект Хэдли был весьма похож на более ранний ньютоновский инструмент. [2]
В результате этой непреднамеренной секретности изобретение Ньютона сыграло незначительную роль в развитии отражательных приборов.
Что примечательно в октанте, так это количество людей, которые независимо друг от друга изобрели это устройство за короткий промежуток времени. Джон Хэдли и Томас Годфри оба получили признание за изобретение октанта . Они независимо друг от друга разработали один и тот же инструмент около 1731 года. Однако они были не единственными.
В случае Хэдли были разработаны два инструмента. Первый был инструментом, очень похожим на отражающий квадрант Ньютона. Второй имел по сути ту же форму, что и современный секстант. Было построено немного образцов первой конструкции, в то время как второй стал стандартным инструментом, от которого произошел секстант , и вместе с секстантом вытеснил все предыдущие навигационные инструменты, использовавшиеся для небесной навигации .
Калеб Смит, английский страховой брокер, сильно интересовавшийся астрономией, создал октант в 1734 году. Он назвал его Астроскопом или Морским квадрантом . [4] Он использовал фиксированную призму в дополнение к индексному зеркалу для обеспечения отражающих элементов. Призмы имели преимущества перед зеркалами в эпоху, когда полированные зеркала из металла-зеркала были хуже, а серебрение зеркала и производство стекла с плоскими параллельными поверхностями были затруднительны. Однако другие элементы конструкции инструмента Смита сделали его хуже октанта Хэдли, и он не использовался в значительной степени. [3]
Жан-Поль Фуши, профессор математики и астроном из Франции , изобрел октант в 1732 году. [3] Его изобретение было по сути тем же, что и у Хэдли. Фуши не знал о разработках в Англии в то время, поскольку связь между производителями инструментов двух стран была ограничена, а публикации Королевского общества , в частности Philosophical Transactions , не распространялись во Франции. [5] Октант Фуши был затмен октантом Хэдли.
Происхождение секстанта простое и не вызывает сомнений. Адмирал Джон Кэмпбелл , использовавший октант Хэдли в морских испытаниях метода лунных расстояний , обнаружил, что он несовершенен. Угол в 90°, образуемый дугой инструмента, был недостаточен для измерения некоторых угловых расстояний, требуемых для метода. Он предложил увеличить угол до 120°, получив секстант. Джон Берд изготовил первый такой секстант в 1757 году. [6]
С развитием секстанта октант стал чем-то вроде второсортного инструмента. Октант, хотя иногда и изготавливался полностью из латуни, в основном оставался инструментом с деревянной рамой. Большинство разработок в области передовых материалов и методов строительства были зарезервированы для секстанта.
Существуют примеры секстантов, сделанных из дерева, однако большинство из них сделаны из латуни. Чтобы обеспечить жесткость рамы, производители инструментов использовали более толстые рамы. Это имело недостаток в том, что делало инструмент тяжелее, что могло повлиять на точность из-за дрожания рук, когда навигатор работал против его веса. Чтобы избежать этой проблемы, рамы были модифицированы. Эдвард Троутон запатентовал секстант с двойной рамой в 1788 году. [7] Он использовал две рамы, удерживаемые параллельно с помощью распорок. Две рамы находились на расстоянии около сантиметра друг от друга. Это значительно увеличивало жесткость рамы. Более ранняя версия имела вторую раму, которая закрывала только верхнюю часть инструмента, закрепляя зеркала и телескоп. Более поздние версии использовали две полные рамы. Поскольку распорки выглядели как маленькие столбики, их также называли столбовыми секстантами .
Троутон также экспериментировал с альтернативными материалами. Весы покрывались серебром , золотом или платиной . Золото и платина минимизировали проблемы с коррозией . Платиновые инструменты были дорогими из-за дефицита металла, хотя и менее дорогими, чем золото. Троутон знал Уильяма Хайда Волластона через Королевское общество, и это дало ему доступ к драгоценному металлу. [8] Инструменты компании Троутона, в которых использовалась платина, можно легко узнать по слову Platina, выгравированному на раме. Эти инструменты по-прежнему высоко ценятся как предметы коллекционирования и так же точны сегодня, как и во время их создания. [9]
По мере развития делительных машин секстант становился точнее и мог быть уменьшен. Для того чтобы обеспечить легкое считывание показаний нониуса , была добавлена небольшая увеличительная линза. Кроме того, чтобы уменьшить блики на раме, некоторые имели рассеиватель, окружающий увеличительное стекло, чтобы смягчить свет. По мере повышения точности круговой дуговой нониус был заменен барабанным нониусом.
Конструкции рам со временем модифицировались, чтобы создать раму, которая не будет подвержена негативному влиянию изменений температуры. Эти шаблоны рам стали стандартизированными, и можно увидеть одну и ту же общую форму во многих инструментах от многих разных производителей.
Для контроля расходов современные секстанты теперь доступны из прецизионного пластика. Они легкие, доступные и качественные.
Хотя большинство людей, услышав слово «секстант» , ассоциируют его с навигацией , этот инструмент используется и в других профессиях.
Помимо этих типов, существуют термины, используемые для обозначения различных секстантов.
Секстант-столб может быть:
Первый вариант является наиболее распространённым использованием термина.
Несколько производителей предлагали инструменты с размерами, отличными от одной восьмой или одной шестой части окружности. Одним из самых распространенных был квинтант или квинта окружности (отсчет дуги 72° до 144°). Были доступны и другие размеры, но необычные размеры так и не стали обычными. Многие инструменты встречаются со шкалами, отсчет которых составляет, например, 135°, но их просто называют секстантами. Аналогично, существуют октанты 100°, но они не выделяются как уникальные типы инструментов.
Интерес к более крупным инструментам специального назначения был. В частности, было изготовлено несколько инструментов полного круга, классифицированных как отражающие круги и повторяющиеся круги .
Зеркальный круг был изобретен немецким геометром и астрономом Тобиасом Майером в 1752 году [6] , подробности были опубликованы в 1767 году [3]. Его разработка предшествовала секстанту и была мотивирована необходимостью создания превосходного геодезического инструмента. [3]
Зеркальный круг представляет собой полный круглый инструмент, градуированный 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 инструмента Совету по долготе , и Джон Берд использовал эту информацию для создания одного инструмента диаметром шестнадцать дюймов для оценки Королевским флотом. [11] Этот инструмент был одним из тех, которые использовал адмирал Джон Кэмпбелл во время его оценки метода определения лунного расстояния . Он отличался тем, что был градуирован до 360° и был настолько тяжелым, что его снабжали опорой, прикрепленной к ремню. [11] Он не считался лучше октанта Хэдли и был менее удобен в использовании. [3] В результате Кэмпбелл рекомендовал создание секстанта.
Жан-Шарль де Борда усовершенствовал отражательный круг. Он изменил положение телескопического прицела таким образом, что зеркало можно было использовать для получения изображения с любой стороны относительно телескопа. Это устранило необходимость удостовериться, что зеркала были точно параллельны при считывании нуля. Это упростило использование инструмента. Дальнейшие усовершенствования были выполнены с помощью Этьена Ленуара . Они вдвоем усовершенствовали инструмент до его окончательной формы в 1777 году. [3] Этот инструмент был настолько отличительным, что получил название круг Борда или повторяющийся круг . [6] [12] Борда и Ленуар разработали инструмент для геодезической съемки . Поскольку он не использовался для небесных измерений, он не использовал двойное отражение и заменял два телескопических прицела. Таким образом, он не был отражательным инструментом. Он был примечателен тем, что был равен большому теодолиту, созданному известным производителем инструментов Джесси Рамсденом .
Хосеф де Мендоса-и-Риос перепроектировал отражающий круг Борды (Лондон, 1801). Целью было использовать его вместе с его Лунными таблицами, опубликованными Королевским обществом (Лондон, 1805). Он создал конструкцию с двумя концентрическими кругами и шкалой нониуса и рекомендовал усреднять три последовательных отсчета, чтобы уменьшить погрешность. Система Борды была основана не на круге в 360°, а на 400 градах (Борда потратил годы, вычисляя свои таблицы с кругом, разделенным на 400°). Лунные таблицы Мендосы использовались на протяжении почти всего девятнадцатого века (см. Лунное расстояние (навигация) ).
Эдвард Троутон также модифицировал отражающий круг. Он создал конструкцию с тремя индексными рычагами и нониусами . Это позволило проводить три одновременных считывания для усреднения ошибки.
Как навигационный инструмент, отражающий круг был более популярен во французском флоте, чем в британском. [6]
Секстант Bris 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 Bris является инструментом с фиксированным углом, способным 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 .
Фрэнсис Рональдс изобрел инструмент для записи углов в 1829 году, изменив октант. Недостатком отражательных инструментов в геодезических приложениях является то, что оптика требует, чтобы зеркало и указательный рычаг вращались на половину углового разделения двух объектов. Таким образом, угол необходимо считать, отметить и использовать транспортир , чтобы нарисовать угол на плане. Идея Рональдса состояла в том, чтобы настроить указательный рычаг для вращения на двойной угол зеркала, так чтобы рычаг затем можно было использовать для рисования линии под правильным углом непосредственно на чертеже. Он использовал сектор в качестве основы своего инструмента и поместил горизонтальный стакан на одном конце, а указательное зеркало около шарнира, соединяющего две линейки. Два вращающихся элемента были связаны механически, а ствол, поддерживающий зеркало, был в два раза больше диаметра шарнира, чтобы дать требуемое угловое отношение. [13]