Reflekterande instrument
Reflekterande instrument är de som använder speglar för att förbättra sin förmåga att göra mätningar. Speciellt tillåter användningen av speglar en att observera två objekt samtidigt medan man mäter vinkelavståndet mellan objekten. Även om reflekterande instrument används i många yrken, är de främst förknippade med himmelsnavigering eftersom behovet av att lösa navigeringsproblem, i synnerhet problemet med longituden , var den primära motivationen i deras utveckling.
Instrumentens mål
Syftet med reflekterande instrument är att tillåta en observatör att mäta höjden på ett himlaobjekt eller mäta vinkelavståndet mellan två objekt. Drivkraften bakom den utveckling som diskuteras här var lösningen på problemet med att hitta sin longitud till sjöss. Lösningen på detta problem ansågs kräva ett noggrant sätt att mäta vinklar och noggrannheten ansågs förlita sig på observatörens förmåga att mäta denna vinkel genom att samtidigt observera två objekt samtidigt.
Bristen på tidigare instrument var välkänd. Att kräva att observatören skulle observera två objekt med två divergerande siktlinjer ökade sannolikheten för ett fel. De som övervägde problemet insåg att användningen av spekulationer (speglar i modernt språkbruk) kunde tillåta att två objekt observerades i en enda vy. Vad som följde är en serie uppfinningar och förbättringar som förfinade instrumentet till den grad att dess noggrannhet översteg vad som krävdes för att bestämma longitud. Alla ytterligare förbättringar krävde en helt ny teknik.
Tidiga reflekterande instrument
Några av de tidiga reflekterande instrumenten föreslogs av forskare som Robert Hooke och Isaac Newton . Dessa användes lite eller kanske inte har byggts eller testats i stor omfattning. Van Breen-instrumentet var undantaget, eftersom det användes av holländarna. Det hade dock lite inflytande utanför Nederländerna .
Joost van Breens reflekterande tvärstav
Spegelboog (spegelbåge) uppfanns 1660 av holländaren Joost van Breen och var en reflekterande korsstav . Detta instrument verkar ha använts i ungefär 100 år, främst i Zeeland Chamber of the VOC (The Dutch East India Company) .
Robert Hookes enkelreflekterande instrument
Representativ teckning av Robert Hookes reflekterande instrument. Den visar inte exakt de fina detaljerna i instrumentet utan snarare den grundläggande funktionaliteten. Indexet med teleskop monterat visas i svart, radiearmen med spegeln (grå) fäst i blått och ackordet i grönt på vitt. Siktlinjerna representeras av den röda streckade linjen.
Hookes instrument var ett enkelreflekterande instrument. Den använde en enda spegel för att reflektera bilden av ett astronomiskt föremål för observatörens öga. Detta instrument beskrevs första gången 1666 och en fungerande modell presenterades av Hooke vid ett möte i Royal Society en tid senare.
Enheten bestod av tre primära komponenter, en indexarm, en radiell arm och en graderad ackord. De tre var arrangerade i en triangel som på bilden till höger. Ett kikarsikte var monterat på indexarmen. Vid rotationspunkten för den radiella armen monterades en enda spegel. Denna rotationspunkt gjorde att vinkeln mellan indexarmen och den radiella armen kunde ändras. Den graderade kordan kopplades till den motsatta änden av den radiella armen och kordan fick rotera runt änden. Ackordet hölls mot den avlägsna änden av indexarmen och gled mot den. Graderingarna på kordan var enhetliga och genom att använda den för att mäta avståndet mellan ändarna på indexarmen och den radiella armen kunde vinkeln mellan dessa armar bestämmas. En tabell med ackord användes för att omvandla en mätning av avstånd till en mätning av vinkel. Användningen av spegeln resulterade i att den uppmätta vinkeln var dubbelt så stor som vinkeln inkluderad av index och radiearm.
Spegeln på den radiella armen var tillräckligt liten för att observatören kunde se reflektionen av ett föremål i halva teleskopets sikt medan han såg rakt fram i den andra halvan. Detta gjorde det möjligt för observatören att se båda objekten samtidigt. Att justera de två objekten tillsammans i teleskopvyn resulterade i att vinkelavståndet mellan dem representerades på den graderade ackordet.
Även om Hookes instrument var nytt och väckte en del uppmärksamhet vid den tiden, finns det inga bevis för att det utsattes för några tester till sjöss. Instrumentet användes lite och hade ingen nämnvärd effekt på astronomi eller navigering.
Halleys reflekterande instrument
1692 presenterade Edmond Halley designen av ett reflekterande instrument för Royal Society.
Detta är ett intressant instrument, som kombinerar funktionaliteten hos en radio latino med ett dubbelt teleskop . Teleskopet (AB i den intilliggande bilden) har ett okular i ena änden och en spegel (D) halvvägs längs sin längd med en objektivlins längst bort (B). Spegeln hindrar bara halva fältet (antingen vänster eller höger) och tillåter att objektivet syns på den andra. I spegeln reflekteras bilden från den andra objektivlinsen (C). Detta tillåter betraktaren att se båda bilderna, en rakt igenom och en reflekterad, samtidigt bredvid varandra. Det är viktigt att brännvidderna för de två objektivlinserna är desamma och att avstånden från spegeln till båda objektiven är identiska. Om detta villkor inte är uppfyllt kan de två bilderna inte föras till ett gemensamt fokus .
Spegeln är monterad på staven (DF) på radio latino-delen av instrumentet och roterar med den. Vinkeln den här sidan av radion latinos romb gör mot teleskopet kan ställas in genom att justera rombens diagonala längd. För att underlätta detta och möjliggöra finjustering av vinkeln är en skruv (EC) monterad så att betraktaren kan ändra avståndet mellan de två hörnen (E och C).
Observatören ser horisonten med den direkta linsens syn och ser ett himlaobjekt i spegeln. Om du vrider på skruven för att få de två bilderna direkt intill ställs instrumentet in. Vinkeln bestäms genom att ta skruvens längd mellan E och C och omvandla denna till en vinkel i en ackordtabell .
Halley specificerade att teleskopröret var rektangulärt i tvärsnitt. Detta gör konstruktionen enkel, men är inget krav då andra tvärsnittsformer kan rymmas. De fyra sidorna av radiolatinodelen (CD, DE, EF, FC) måste vara lika långa för att vinkeln mellan teleskopet och objektivets sida (ADC) ska vara exakt två gånger vinkeln mellan teleskopet och spegeln (ADF) (eller med andra ord – att framtvinga att infallsvinkeln är lika med reflektionsvinkeln ). Annars kommer instrumentkollimationen att äventyras och de resulterande mätningarna skulle vara felaktiga.
Himlaobjektets höjdvinkel kunde ha bestämmas genom att läsa av graderingar på staven vid skjutreglaget, men det var inte så Halley designade instrumentet. Detta kan tyda på att den övergripande designen av instrumentet av en slump var som en radio latino och att Halley kanske inte var bekant med det instrumentet.
Det finns ingen kunskap om huruvida detta instrument någonsin testats till sjöss.
Newtons reflekterande kvadrant
Newtons reflekterande kvadrant liknade i många avseenden Hadleys första reflekterande kvadrant som följde den.
Newton hade kommunicerat designen till Edmund Halley omkring 1699. Halley gjorde dock ingenting med dokumentet och det fanns kvar i hans papper bara för att upptäckas efter hans död. Men Halley diskuterade Newtons design med medlemmar av Royal Society när Hadley presenterade sin reflekterande kvadrant 1731. Halley noterade att Hadleys design var ganska lik det tidigare Newtonska instrumentet.
Som ett resultat av denna oavsiktliga sekretess spelade Newtons uppfinning liten roll i utvecklingen av reflekterande instrument.
Oktanten
Det som är anmärkningsvärt med oktanten är antalet personer som självständigt uppfann enheten på kort tid. John Hadley och Thomas Godfrey får båda äran för att ha uppfunnit oktanten . De utvecklade självständigt samma instrument runt 1731. De var dock inte de enda.
I Hadleys fall designades två instrument. Den första var ett instrument mycket likt Newtons reflekterande kvadrant. Den andra hade i huvudsak samma form som den moderna sextanten. Få av den första designen konstruerades, medan den andra blev standardinstrumentet från vilket sextanten härrörde och, tillsammans med sextanten, förflyttade alla tidigare navigationsinstrument som användes för himmelsnavigering .
Caleb Smith, en engelsk försäkringsmäklare med ett starkt intresse för astronomi, hade skapat en oktant 1734. Han kallade den ett astroskop eller havskvadrant . Han använde ett fast prisma förutom en indexspegel för att ge reflekterande element. Prismor ger fördelar jämfört med speglar i en tid då polerade i spekulummetall var sämre och både försilvran av en spegel och tillverkningen av glas med plana, parallella ytor var svårt. Men de andra designelementen i Smiths instrument gjorde det sämre än Hadleys oktant och det användes inte nämnvärt.
Jean-Paul Fouchy, en matematikprofessor och astronom i Frankrike , uppfann en oktant 1732. Hans var i huvudsak densamma som Hadleys. Fouchy kände inte till utvecklingen i England vid den tiden, eftersom kommunikationen mellan de två landets instrumenttillverkare var begränsad och publikationerna från Royal Society , särskilt Philosophical Transactions , inte distribuerades i Frankrike. Fouchys oktant överskuggades av Hadleys.
Sextanten
- Huvudartikeln, Sextant , täcker användningen av instrumentet i navigering. Den här artikeln koncentrerar sig på instrumentets historia och utveckling
Ursprunget till sextanten är okomplicerat och inte i tvist. Amiral John Campbell , efter att ha använt Hadleys oktant i havsförsök av metoden för månavstånd, fann att den saknades. Den 90° vinkel som täcks av instrumentets båge var otillräcklig för att mäta några av de vinkelavstånd som krävdes för metoden. Han föreslog att vinkeln skulle ökas till 120°, vilket ger sextanten. John Bird gjorde den första sådan sextanten 1757.
Med sextantens utveckling blev oktanten något av ett andra klassens instrument. Oktanten, även om den ibland konstruerades helt av mässing, förblev i första hand ett instrument med träram. Det mesta av utvecklingen inom avancerade material och konstruktionstekniker var reserverade för sextanten.
Det finns exempel på sextanter gjorda av trä, men de flesta är gjorda av mässing. För att säkerställa att ramen var styv använde instrumenttillverkare tjockare ramar. Detta hade en nackdel i att göra instrumentet tyngre, vilket kunde påverka noggrannheten på grund av handskakning då navigatorn arbetade mot dess vikt. För att undvika detta problem modifierades ramarna. Edward Troughton patenterade den dubbelramade sextanten 1788. Denna använde två ramar som hölls parallellt med distanser. De två ramarna var ungefär en centimeter från varandra. Detta ökade avsevärt ramens styvhet. En tidigare version hade en andra ram som bara täckte den övre delen av instrumentet och säkrade speglarna och teleskopet. Senare versioner använde två fulla ramar. Eftersom distanserna såg ut som små pelare kallades dessa även pelarsextanter .
Troughton experimenterade också med alternativa material. Vågen var pläterade med silver , guld eller platina . Guld och platina minimerade båda korrosionsproblemen . De platinapläterade instrumenten var dyra, på grund av bristen på metall, men billigare än guld. Troughton kände William Hyde Wollaston genom Royal Society och detta gav honom tillgång till den ädla metallen. Instrument från Troughtons företag som använde platina kan lätt identifieras med ordet Platina ingraverat på ramen. Dessa instrument är fortfarande högt värderade som samlarobjekt och är lika exakta idag som när de konstruerades.
Allt eftersom utvecklingen av delande motorer fortskred, var sextanten mer exakt och kunde göras mindre. För att möjliggöra enkel läsning av verniern lades en liten förstoringslins till. Dessutom, för att minska bländning på ramen, hade vissa en diffusor som omgav förstoringsglaset för att mjuka upp ljuset. När noggrannheten ökade ersattes den cirkulära bågvernaren med en trumfräs.
Ramdesigner modifierades över tiden för att skapa en ram som inte skulle påverkas negativt av temperaturförändringar. Dessa rammönster blev standardiserade och man kan se samma allmänna form i många instrument från många olika tillverkare.
För att kontrollera kostnaderna finns nu moderna sextanter i precisionstillverkad plast. Dessa är lätta, prisvärda och av hög kvalitet.
Typer av sextanter
Medan de flesta tänker på navigering när de hör termen sextant , har instrumentet använts i andra yrken.
- Navigators sextant
- Den vanliga typen av instrument som de flesta tänker på när de hör termen sextant .
- Ljudande sextanter
- Dessa är sextanter som konstruerades för användning horisontellt snarare än vertikalt och utvecklades för användning i hydrografiska mätningar .
- Surveyors sextanter
- Dessa konstruerades för användning uteslutande på land för horisontella vinkelmätningar. Istället för ett handtag på ramen hade de ett uttag för att kunna fästa en lantmätares Jacobs stav .
- Box- eller ficksextanter
- Dessa är små sextanter som helt finns i ett metallfodral. Först utvecklade av Edward Troughton, de är vanligtvis alla i mässing med de flesta av de mekaniska komponenterna inuti höljet. Teleskopet sträcker sig från en öppning i sidan. Indexet och andra delar är helt täckta när fodralet skjuts på. Populär bland lantmätare för sin lilla storlek (vanligtvis bara 6,5–8 cm [ 2 + 1 ⁄ 2 - 3 + 1 ⁄ 4 tum] i diameter och 5 cm [2 tum] djup), deras noggrannhet möjliggjordes av förbättringar i delingsmotorerna används för att gradera bågarna. Bågarna är så små att förstoringsglas är fästa för att de ska kunna läsas.
Utöver dessa typer finns det termer som används för olika sextanter.
En pelarsextant kan vara antingen:
- En sextant med dubbel ram, patenterad av Edward Troughton 1788.
- En lantmätares sextant med uttag för en lantmätarpersonal (pelaren).
Den förra är den vanligaste användningen av termen.
Bortom sextanten
Quintant och andra
Flera tillverkare erbjöd instrument med andra storlekar än en åttondel eller en sjättedel av en cirkel. En av de vanligaste var kvintanten eller femtedelen av en cirkel (72° bågeavläsning till 144°). Andra storlekar fanns också, men de udda storlekarna blev aldrig vanliga. Många instrument finns med skalor som läser till till exempel 135°, men de kallas helt enkelt sextanter. På samma sätt finns det 100° oktanter, men dessa är inte separerade som unika typer av instrument.
Det fanns intresse för mycket större instrument för speciella ändamål. I synnerhet gjordes ett antal helcirkelinstrument, kategoriserade som reflekterande cirklar och upprepande cirklar .
Reflekterande cirklar
Den reflekterande cirkeln uppfanns av den tyske geometern och astronomen Tobias Mayer 1752, med detaljer publicerade 1767. Hans utveckling föregick sextanten och motiverades av behovet av att skapa ett överlägset mätinstrument.
Den reflekterande cirkeln är ett komplett cirkulärt instrument graderat till 720° (för att mäta avstånd mellan himmelska kroppar behöver man inte avläsa en vinkel större än 180°, eftersom minimiavståndet alltid kommer att vara mindre än 180°). Mayer presenterade en detaljerad beskrivning av detta instrument för Board of Longitude och John Bird använde informationen för att konstruera en sexton tum i diameter för utvärdering av Royal Navy. Detta instrument var ett av dem som användes av amiral John Campbell under hans utvärdering av månavståndsmetoden . Den skiljde sig genom att den var graderad till 360° och var så tung att den försågs med ett stöd som fästes i ett bälte. Den ansågs inte vara bättre än Hadley-oktanten och var mindre bekväm att använda. Som ett resultat rekommenderade Campbell byggandet av sextanten.
Jean-Charles de Borda vidareutvecklade den reflekterande cirkeln. Han modifierade kikarsiktets position på ett sådant sätt att spegeln kunde användas för att ta emot en bild från vardera sidan i förhållande till teleskopet. Detta eliminerade behovet av att försäkra sig om att speglarna var exakt parallella vid nollläsning. Detta förenklade användningen av instrumentet. Ytterligare förfining utfördes med hjälp av Etienne Lenoir . De två förfinade instrumentet till dess definitiva form 1777. Detta instrument var så distinkt att det fick namnet Borda-cirkel eller upprepande cirkel . Borda och Lenoir utvecklade instrumentet för geodetisk mätning . Eftersom den inte användes för de himmelska måtten, använde den inte dubbelreflektion och ersatte två kikarsikten. Som sådan var det inte ett reflekterande instrument. Det var anmärkningsvärt som jämlikt med den stora teodoliten skapad av den berömda instrumentmakaren Jesse Ramsden .
Josef de Mendoza y Ríos gjorde om Bordas reflekterande cirkel (London, 1801). Målet var att använda den tillsammans med hans Lunar Tables publicerade av Royal Society (London, 1805). Han gjorde en design med två koncentriska cirklar och en nockskala och rekommenderade att medelvärde tre sekventiella avläsningar för att minska felet. Bordas system baserades inte på en cirkel på 360° utan 400 grader (Borda ägnade år åt att beräkna sina tabeller med en cirkel delad i 400°). Mendozas måntabeller har använts under nästan hela artonhundratalet (se Månavstånd (navigering) ) .
Edward Troughton modifierade också den reflekterande cirkeln. Han skapade en design med tre indexarmar och nocken . Detta möjliggjorde tre samtidiga avläsningar för att medelvärde ut felet.
Som navigationsinstrument var den reflekterande cirkeln mer populär hos den franska flottan än hos den brittiska.
Bris sextant
Bris-sextanten är inte en sann sextant, men den är ett verkligt reflekterande instrument baserat på principen om dubbelreflektion och föremål för samma regler och fel som vanliga oktanter och sextanter. Till skillnad från vanliga oktanter och sextanter är Bris-sextanten ett instrument med fast vinkel som kan noggrant mäta några specifika vinklar till skillnad från andra reflekterande instrument som kan mäta vilken vinkel som helst inom instrumentets räckvidd. solens eller månens höjd .
Lantmäteri sektor
Francis Ronalds uppfann ett instrument för att registrera vinklar 1829 genom att modifiera oktanten. En nackdel med reflekterande instrument i lantmäteritillämpningar är att optiken kräver att spegeln och pekarmen roterar genom halva vinkelseparationen mellan de två objekten. Vinkeln behöver alltså läsas, noteras och en gradskiva används för att rita vinkeln på en plan. Ronalds idé var att konfigurera indexarmen att rotera genom två gånger spegelns vinkel, så att armen sedan kunde användas för att rita en linje i rätt vinkel direkt på ritningen. Han använde en sektor som bas för sitt instrument och placerade horisontglaset vid ena spetsen och indexspegeln nära gångjärnet som förbinder de två linjalerna. De två roterande elementen var sammanlänkade mekaniskt och pipan som stödde spegeln var två gånger diametern på gångjärnet för att ge det erforderliga vinkelförhållandet.
externa länkar
- National Maritime Museum Porträtt av en kapten i handelsflottan som håller en Caleb Smith Octant.