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 можно вычислить, если известно положение наблюдателя на поверхности Земли, с аналогичной точностью. Направление можно описать углом наклона 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 имеющихся в наличии уровней , а затем визир выравнивается по Солнцу в указанное время, поэтому изображение Солнца проецируется на мишень с перекрестной решеткой. В этот момент основание компаса будет выровнено по направлению север-юг. Затем он фиксируется в этом положении, после чего визирные рычаги можно повернуть для совмещения с любым ориентиром или маяком, а направление можно считать с помощью нониусов как угол относительно истинного севера.
Это устройство позволило избежать проблем обычного магнитного компаса, используемого геодезистами, который отображал ошибочные показания в местах с высоким содержанием железной руды и непостоянными и неизвестными местными магнитными колебаниями. Инструмент оказался настолько точным, что правительство США выбрало его при обследовании государственных земель, границ штатов и железнодорожных маршрутов. Он получил награды различных организаций и использовался геодезистами с девятнадцатого по двадцатый век. [1]
Берт стал заместителем геодезиста США в 1833 году и начал обследовать государственные земли на территории к северо-западу от реки Огайо . [2] К 1834 году он и его геодезическая команда обследовали территорию в нижней части полуострова Мичиган . К 1835 году он обследовал землю на верхнем полуострове Мичигана, которая будет использоваться новыми поселенцами. [3] Здесь он обнаружил, что его чувствительный компас, который работал за счет притяжения магнитного поля, беспорядочно колебался из-за месторождений железной руды в области, которая мешала полю. Берт изобрел прибор, который для определения истинного севера полагался на солнечный свет, а не на магнетизм. Он назвал получившийся продукт инструментом для поиска истинного меридиана . [4] Он преодолел превратности компаса геодезиста, вызванные помехами от месторождений железной руды в местном районе суши. [5]
Берт впервые использовал солнечный инструмент в своих исследованиях в Мичигане. [6] Он обнаружил крупные залежи железной руды в Негони в округе Маркетт во время своего более позднего исследования в 1844 году верхней части полуострова штата Мичиган. [7] Это станет известно как Железный Диапазон Маркетт . [8] Примерно в то же время его команда обнаружила небольшие залежи железной руды на нижнем полуострове штата. [9] Его случайное открытие этих месторождений железа в Мичигане во многом способствовало промышленной революции в Америке . [10] С помощью инструмента Берта был открыт рудник Калумет и Гекла в Медной стране Мичигана , и он стал ведущим производителем меди в мире. [11]
Солнечный компас Берта использует местоположение Солнца в астрономических таблицах и позволяет геодезистам проводить более точные линии, экономя им много времени. У Берта была модель своего инструмента, построенная в 1835 году Уильямом Джеймсом Янгом , профессиональным производителем инструментов. [12] Затем он представил этот солнечный компас комитету Института 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 свой инновационный солнечный компас 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 исследования пятого главного меридиана в Айове. [16] [17]
С годами Берт усовершенствовал инструмент, добавив в него определенную механику, чтобы упростить работу 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 она более точна и проще в использовании, чем первая версия. [13] Генеральный геодезист Федерального земельного управления Э.С. Хейнс исследовал геодезический инструмент Берта в декабре 1840 года и сообщил в письме 1841 года, что благодаря четырехлетнему опыту геодезических работ он оказался превосходящим по технологии обычный компас, который тогда использовался большинством геодезистов. . [19] Комиссар Федерального земельного управления разослал письма геодезистам по всей территории Соединенных Штатов, в которых говорилось, что компас Берта был изготовлен геодезистом Генри Уэром и доступен для покупки. [16]
Берт в 1849 году поехал в Вашингтон со своим сыном, чтобы подать заявку на продление первоначального патента на солнечный компас 1835 года, срок действия которого истекал. [20] Комитет земельного комиссара, который состоял из сенаторов от Мичигана и других штатов, признавая ценность солнечного компаса Берта в общественных землеустроительных работах, убедил его отказаться от продления и обратиться к Конгрессу с просьбой о подходящей предварительной компенсации. Берт сделал, как было предложено, полагая, что он получит соответствующую компенсацию. Однако указанная компенсация не была реализована ни при жизни Берта, ни когда-либо после этого. [20] Поскольку после 1850 года на солнечный компас Берта не было патента, производители инструментов производили и продавали геодезистам «солнечный компас Берта» как коммерческий продукт. [21] Изобретатель потратил тысячи долларов на усовершенствование своего инструмента, но получил за свой труд только восемьдесят долларов от продажи своего инструмента. [20]
В предисловии к книге « Ключ к солнечному компасу и спутнику геодезиста» (1858 г.), написанной его соратником Уильямом С. Янгом, 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 изо дня в день возникали проблемы с показаниями, отличными от ожидаемых как константы или от предыдущих показаний. Было установлено, что магнитный компас подвержен помехам из-за местного притяжения железной руды. [20] Требовалось более точное руководство для геодезиста, поэтому Берт создал солнечный компас. [22]
Геодезист Бела Хаббард отметил в 1845 году, что с помощью солнечного компаса Берта они могли исследовать прямую линию через богатую железом страну, что было бы невыполнимой задачей при использовании обычного компаса. [23] Первоначальным толчком к созданию солнечного компаса Берта было его использование в тех случаях, когда старый модный компас был уязвим для крупных отложений наземного железа, которые приводили к непригодным показаниям. Затем было обнаружено, что он в целом превосходит обычный компас, даже когда местные месторождения железной руды не представляли проблемы. Присоединение солнечного компаса к транзиту геодезиста по-прежнему было рекомендуемым методом определения истинного направления на север, как указано в руководстве геодезиста 1973 года Бюро землеустройства США . [24] Этот инструмент получил широкое распространение для съемки земель в Соединенных Штатах и был обязательным для государственных съемок 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 от любой заданной точки на поверхности Земли. Его можно точно рассчитать для заданной даты и времени, и на него не влияют местные изменения магнитного поля из-за местных месторождений полезных ископаемых, таких как железная руда. Инструмент Берта позволяет геодезистам определять истинное направление на север относительно Солнца, не подвергаясь влиянию магнитного поля Земли. [18] Он изготовлен из латуни и поэтому не оказывает магнитного воздействия на стрелку компаса, [18] поскольку изначально он был небольшой насадкой к обычному компасу стандартного геодезиста. [25]
Применение солнечного компаса требует знания видимого движения Солнца вокруг Земли относительно Земли как центра системы отсчета и, более конкретно, относительно положения инструмента, когда он настроен для использования в съемке. . Понимание широтного и сезонного склонения, а также долготных изменений в зависимости от времени суток необходимо, поскольку компас имеет специальные узлы, позволяющие учитывать каждую из этих переменных. [22] [26]
На экваторе Земли в дни равноденствий Солнце не имеет сезонного склонения, восходит строго на востоке и заходит строго на западе. В полдень Солнце находится в самой высокой точке, прямо над головой. В полночь он находится в самой низкой точке и, кажется, движется в плоскости экватора. В местах, удаленных от экватора, полуденная высота Солнца будет уменьшена на угол местной горизонтали Земли к полярной оси (широте), поэтому на широте 10 ° южной или северной широты полуденная высота будет 90 °. − 10° = 80° в дни равноденствия. Этот угол известен геодезисту и устанавливается на дуге широты инструмента так, чтобы при выровненном основании и выравнивании компаса по истинному северу [27] ось часовой дуги была параллельна полярной оси. [22] [26]
Ось вращения Земли наклонена от перпендикуляра к плоскости ее орбиты вокруг Солнца. Этот угол приводит к тому, что угол высоты Солнца меняется в зависимости от сезона на величину, которая зависит от направления смещения. Оно предсказуемо меняется в течение года, плавно увеличиваясь и уменьшаясь с поддающейся расчету скоростью, и одновременно является постоянным для всей территории Земли. Это значение также известно геодезисту, поскольку оно публикуется в наборе таблиц альманаха. Поправка на это склонение вносится на дугу склонения компаса, который установлен с возможностью вращения на полярной оси поверх дуги широты, поскольку углы широты и склонения аддитивны. Угол наклона Солнца в зависимости от времени суток устанавливается по дуге часового угла, перпендикулярной полярной оси. Этот угол рассчитывается на основе долготы и времени по Гринвичу , которые также сводятся в таблицы для удобства геодезистов и навигаторов, поскольку вычисления утомительны для выполнения в полевых условиях, и любая ошибка может иметь серьезные последствия. [22] [26]
Если предположить, что Земля сферическая, то если провести прямую линию от восходящего солнца к заходящему, а также от солнца в полдень и полночь в дни равноденствия, обе эти линии прошли бы через центр Земли, а экватор пересек бы 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, и Земля рассматривается как центр ее вращения, линия от Солнца до центра Земли описывает конус. [22] [26]
Это коническое движение Солнца также можно проиллюстрировать выпуклыми спицами колеса крытой повозки, обод которой представляет видимый путь Солнца, ступица представляет Землю, а спицы представляют собой линии, проведенные от пути Солнца. Можно видеть, что линия, проведенная от Солнца к центру Земли, пройдет к северу или югу от экватора и будет равна ее склонению к северу или югу. Инструмент имеет экваториальное движение и механическую насадку для наведения на звезду в качестве эталона. [22] [26]
Солнечный компас Берта состоит из основной пластины, прикрепленной к штативу и выровненной с помощью двух ортогонально прикрепленных спиртовых уровней. Он оснащен обычным игольным ящиком компаса с делениями для северного конца стрелки около 36 градусов, с нониусом для определения отклонения стрелки и тремя регулируемыми дугами солнечного инструмента: одна настроена на широту местоположения. ; другой для сезонного склонения Солнца; и третий — час дня с поправкой на долготу места. Прицелы для настройки по Солнцу установлены на подвижном рычаге дуги склонения и имеют небольшую линзу для фокусировки изображения диска Солнца на визирной решетке. Верхняя пластина ориентирована по Солнцу и остается неподвижной после выравнивания полюсов, а пеленг определяется с помощью визиров на нижней пластине. Нижняя пластина оснащена геодезическими прицелами, может поворачиваться относительно верхней пластины и закрепляться в любом положении на верхней пластине. [22] [26] На нижней пластине имеется градуированное кольцо, которое отображает относительное вращение между верхней пластиной, ориентированной на север, и линией визирования на нижней пластине, а также имеет верньеры для точного считывания угла. [22] [26]
Дуга широты прикреплена перпендикулярно верхней пластине. Часовая дуга фиксируется перпендикулярно подвижной верхней части дуги широты, а дуга склонения поворачивается на полярной оси над дугой склонения и перпендикулярно ей. Положения дуг можно точно регулировать с помощью винтов, а углы считывать с помощью нониуса. При необходимости предусмотрены зажимные винты для фиксации компонентов на месте. На одном конце регулируемого колена дуги склонения установлены небольшие линзы, предназначенные для фокусировки изображения солнечного диска на визирную пластину, на которой записаны параллельные пары перпендикулярных линий, которые формируют изображение при правильном выравнивании. [22] [26]
Операция заключается в следующем:
Берт с годами совершенствовал этот инструмент, и он получил награды от различных организаций за свою технологию как простой, прочный, недорогой, надежный и точный и использовался геодезистами с девятнадцатого по двадцатый век. [2] В 1851 году он выставил свою последнюю версию на Большой Всемирной выставке в Лондоне. [28] Там он был рассмотрен и одобрен ученым Джоном Гершелем . [11] Берт получил приз на ярмарке за дизайн компаса. [11] [29] Затем он получил еще одну медаль за свою более простую и точную версию от членов жюри конкурса «Астрономические инструменты» с личным комплиментом от Альберта Эдварда, принца Уэльского , 15 октября 1851 года в Гайд-парке, Лондон, Англия . [30]
Этот прибор был изобретен, чтобы избежать сильно изменчивых и ненадежных показаний обычного компаса того времени в местности с аномалией магнитного поля, вызванной крупными месторождениями железной руды. Прибор оказался настолько точным, что правительство США определило его для обследования общественных земель, границ штатов и железнодорожных маршрутов. [31] Инструмент Берта использовался для обследования 75 процентов государственных земель Соединенных Штатов, составляющих почти миллиард акров. [20] Это сэкономило правительству миллионы долларов благодаря своей невысокой цене и точности исследования. Он обследовал минеральные земли во многих штатах, включая Мичиган, Висконсин, Миннесоту, Арканзас и Колорадо. Затраты на проект обследования участка земли составляли лишь часть того, что они стоили до его изобретения. Примером сравнения была граница между Айовой и Миннесотой, которая ранее обследовалась по цене 120 долларов за милю (75 долларов за километр) с использованием старомодных инструментов, тогда как с солнечным компасом Берта она составляла всего 15 долларов за милю (9,3 доллара за километр). ). [32]
........Соответственно, изобретатель внес несколько изменений и усовершенствований, подсказанных опытом, и в декабре 1840 года снова представил прибор как улучшенный комитету того же института, который сообщил о значительном улучшении точности и простоте его настройки и использования.