Burts solkompass

William Austin Burts solkompass

Burts solkompass eller astronomiska kompass är ett mätinstrument som använder sig av solens riktning istället för magnetism. William Austin Burt uppfann sin solkompass 1835. Solkompassen fungerar enligt principen att riktningen till solen vid en angiven tidpunkt kan beräknas om observatörens position på jordens yta är känd, med en liknande precision. Riktningen kan beskrivas i termer av solens vinkel i förhållande till planetens rotationsaxel .

Denna vinkel består av vinkeln på grund av latitud , i kombination med vinkeln på grund av årstiden och vinkeln på grund av tiden på dygnet. Dessa vinklar ställs in på kompassen för en vald tid på dygnet, kompassbasen ställs in i nivå med hjälp av vattenpasset som tillhandahålls, och sedan riktas siktet mot solen vid den angivna tiden, så att bilden av solen projiceras på korsgittermålet. Vid denna tidpunkt kommer kompassbasen att vara inriktad i sann nord–sydlig linje. Den låses sedan på plats i denna inriktning, varefter siktarmarna kan vridas för att rikta in sig med vilket landmärke eller fyr som helst, och riktningen kan avläsas från nockarna som en vinkel i förhållande till sann nord.

Denna anordning undvek problemen med den normala magnetiska kompassen som används av lantmätare, som visade oberäkneliga avläsningar när de befann sig på en plats med hög järnmalmshalt och inkonsekvent och okänd lokal magnetisk variation. Instrumentet visade sig vara så noggrant att det var USA:s regerings val när man undersökte offentlig mark, delstatsgränser och järnvägsrutter. Den vann priser från olika organisationer och användes av lantmätare från 1800- till 1900-talet.

Historia

Burt blev en ställföreträdande lantmätare i USA 1833 och började undersöka statlig mark för ett territorium nordväst om Ohiofloden . År 1834 undersökte han och hans lantmäteribesättning territorium på den nedre halvön Michigan . Han undersökte land på övre halvön i Michigan 1835 för att användas av nya bosättare. Här fann han att hans känsliga kompass som fungerade genom magnetfältsattraktion fluktuerade oregelbundet på grund av järnmalmsavlagringarna i området som störde fältet. Burt utarbetade ett instrumentfäste som förlitade sig på solljus, inte magnetism, för att hitta sanna norr. Han kallade den resulterande produkten ett True Meridian Finding- instrument. Den övervann nycklarna i lantmätarens kompass som orsakades av störningar från järnmalmsfyndigheter i ett lokalt landområde.

Burt använde först solinstrumentet i sina undersökningar i Michigan. Han hittade stora utfällda fyndigheter av järnmalm vid Negaunee i Marquette County i sin senare undersökning 1844 av den övre halvön i delstaten Michigan. Detta skulle bli känt som Marquette Iron Range . Hans besättning hittade ungefär samtidigt små fyndigheter av järnmalm på delstatens nedre halvö. Hans oavsiktliga upptäckt av dessa järnfyndigheter i Michigan bidrog mycket till Amerikas industriella revolution . Calumet och Hecla-gruvan i Michigans kopparland upptäcktes med Burts instrument, och den blev den ledande kopparproducenten i världen.

Burts solkompass använder solens placering med astronomiska tabeller och gör det möjligt för lantmätare att köra mer exakta linjer, vilket sparar mycket tid. Burt lät bygga en modell av sitt instrument 1835 av William James Young , en professionell instrumentmakare. Han lämnade sedan in denna solkompass till en kommitté vid Franklin Institute i Philadelphia. De undersökte dess egenskaper och belönade sedan Burt med tjugo dollar i guld och John Scott-medaljen för sin teknologi. Burt patenterade sin solkompassinnovation den 25 februari 1836. Den har sedan dess kallats Burts solkompass eller astronomiska kompass. Han använde den under säsongen 1836–1837 för att kartlägga den femte huvudmeridianen i Iowa.

Burt förbättrade instrumentet under åren med viss mekanik för att göra det enklare att använda med bättre noggrannhet. 1840 fick han ytterligare ett patent på sin förbättrade solkompass. Han skickade in den uppdaterade versionen av instrumentet till Franklin Institute där de fann att det var mer exakt och lättare att använda än den första versionen. Federal Land Offices generallantmätare ES Haines undersökte Burts mätinstrument i december 1840 och rapporterade i ett brev från 1841 att det med sin fyraåriga erfarenhet av mätning visade sig vara överlägset i teknik jämfört med den normala kompassen som då användes av de flesta inspektörer. Kommissarien för Federal Land Office skickade brev till generalinspektörer i hela USA och sa att Burts kompass tillverkades av inspektören Henry Ware och var tillgänglig för köp.

Burt åkte 1849 till Washington med sin son för att ansöka om en förnyelse av sitt originalpatent för solkompass från 1835 som var på väg att löpa ut. Landkommissionärskommittén, som bestod av senatorer från Michigan och andra stater, som insåg värdet av Burts solkompass vid offentliga markmätningar, övertalade honom att avstå från förnyelse och göra en framställning till kongressen om lämplig förskottskompensation. Burt gjorde som föreslagits och trodde att han skulle få en lämplig kompensation. Den angivna ersättningen förverkligades dock inte under Burts livstid eller vid någon tidpunkt därefter. Eftersom det inte fanns något patent på Burts solkompass efter 1850, tillverkade och sålde instrumenttillverkare "Burts solkompass" till lantmätare som en kommersiell produkt. Uppfinnaren spenderade tusentals dollar för att fullända sitt instrument, men fick bara åttio dollar i försäljning av sitt verktyg för sitt arbete.

I förordet till sin Key to Solar Compass and Surveyor's Companion (1858) av sin medarbetare William S. Young hänvisar Burt till de många förfrågningarna om en sådan bok om hur man använder sin solkompass. Han förklarar att den gemensamma lantmätarens kompass hade problem med den sanna meridianen på olika orter. Den hade också problem från dag till dag med andra avläsningar än vad som förväntades som en konstant eller från tidigare avläsningar. Det fastställdes att en magnetisk kompass var benägen att störa från den lokala attraktionen av järnmalm. En mer exakt guide för lantmätaren önskades, så solkompassen skapades av Burt.

Lantmätare Bela Hubbard noterade 1845 att de med Burts solkompass kunde kartlägga en rak linje genom ett järnrikt land, vilket skulle ha varit en omöjlig uppgift med det vanliga kompassinstrumentet. Den ursprungliga drivkraften för Burts solkompass var för användning där den gamla modekompassen var sårbar för stora landjärnavlagringar som gjorde oanvändbara avläsningar. Den visade sig då vara överlägsen i allmänhet den vanliga kompassen, även när lokala järnmalmsfyndigheter inte var ett problem. En solkompassfäste till lantmätarens transit var fortfarande den rekommenderade metoden för att erhålla den sanna norra riktningen enligt instruktionerna i 1973 års lantmätares manual från US Bureau of Land Management . Instrumentet användes allmänt för undersökning av land i USA och obligatoriskt för statlig undersökning från mitten av 1800-talet fram till år 2000, då satellitteknologin Global Positioning System blev den föredragna metoden för undersökning.

Beskrivning

Linjeillustration av hans solkompass från 1836 US patentdokumentation

Funktionsprincip

Lantmätare kan lokalisera sann nord genom att titta på solen eller andra astronomiska objekt som stjärnor eller månen, som har en riktning från en given punkt på jordens yta. Den kan beräknas exakt för ett givet datum och klockslag, och påverkas inte av lokala variationer i magnetfältet på grund av lokala avlagringar av mineraler som järnmalm. Burts instrument låter lantmätare bestämma den sanna nordriktningen i förhållande till solen snarare än att påverkas av jordens magnetfält. Den är gjord av mässing och har därför ingen magnetisk inverkan på en kompassnål, eftersom den ursprungligen var en liten infästning till en vanlig lantmätares vanliga kompass.

Användning av solkompassen kräver kunskap om solens skenbara rörelse runt jorden, i förhållande till jorden som referensramens centrum, och mer specifikt, i förhållande till instrumentets position när det är inställt för att användas i en undersökning . En förståelse för den latitudinella och säsongsbetonade deklinationen och den longitudinella variationen med tid på dygnet är nödvändig, eftersom kompassen har specifika underenheter för att ta hänsyn till var och en av dessa variabler.

Vid jordens ekvator vid dagjämningarna har solen ingen säsongsbetonad deklination, går upp rakt österut och går ner rakt västerut. Vid middagstid är solen på sin högsta punkt, direkt ovanför. Den är som lägst vid midnatt och verkar röra sig i ekvatorns plan. På platser borta från ekvatorn kommer solens middagshöjd att reduceras med vinkeln för jordens lokala horisontella mot polaxeln – latituden – så vid en latitud av 10° söder eller norr blir middagshöjden 90 ° − 10° = 80° vid dagjämningarna. Denna vinkel är känd för inspektören och är inställd på instrumentets latitudbåge så att med basen i nivå och kompassen i linje med sann nord, kommer timbågens axel att vara parallell med polaxeln.

Jordens rotationsaxel lutar från vinkelrät mot planet för dess omloppsbana runt solen. Denna vinkel gör att solens höjdvinkel varierar med årstiderna med en mängd som beror på riktningen för felinställningen. Den varierar förutsägbart under året, ökar och minskar jämnt i en beräkningsbar takt, och är konstant överallt på jorden samtidigt. Detta värde är också känt för lantmätaren, eftersom det publiceras i en uppsättning tabeller i en almanacka. En korrigering för denna deklination görs på kompassens deklinationsbåge, som är monterad för att rotera på polaxeln ovanpå latitudbågen, eftersom latitud- och deklinationsvinklarna är additiv. Solens vinkel på grund av tid på dygnet är inställd på timvinkelbågen, som är vinkelrät mot polaxeln. Denna vinkel beräknas från longitud och GMT , även tabellerad för att underlätta för lantmätare och navigatörer, eftersom beräkningarna är tråkiga att utföra i fält och alla fel kan ha omfattande effekter.

Om man antar en sfärisk jord, om en rät linje dras från den uppgående till den nedgående solen, och från solen vid middagstid och vid midnatt på dagjämningarna, skulle båda dessa linjer passera genom jordens centrum och ekvatorn skulle skära dessa linjer. Detta är inte fallet när solen har nord- eller syddeklination eftersom dess skenbara rörelse kommer att vara i en vinkel mot ekvatorialplanet, lika med mängden solens deklination norr eller söder, så att när solen har nord- eller syddeklination, och jorden betraktas som centrum för dess varv, linjen från solen till jordens mitt beskriver en kon.

Denna koniska rörelse hos solen kan också illustreras av de välvda ekrarna på hjulet på en täckt vagn med kanten som representerar solens skenbara bana, navet representerar jorden och ekrarna är linjer dragna från solens bana. Det kan ses att en linje dragen från solen till jordens centrum skulle passera norr eller söder om ekvatorn, lika i grad som dess deklination norr eller söder. Instrumentet har en ekvatorial rörelse, med ett mekaniskt fäste för att se en stjärna som referens.

Konstruktion och drift

Burts solkompassyxor

Burts solkompass består av en huvudplatta monterad på stativstativet och nivellerad med de två ortogonalt fästa vattenpasserna. Den bär en vanlig kompassnållåda, med indelningar för nålens norra ände på cirka 36 grader, med en nock för att avläsa nålens variation och solinstrumentets tre justerbara bågar: en är inställd för platsens latitud ; en annan för solens säsongsbetonade deklination; och den tredje för timmen på dygnet justerad för platsens longitud. Sikten för att ställa in solens inriktning är monterade på deklinationsbågens rörliga arm och har en liten lins för att fokusera en bild av solens skiva på målgallret. Den övre plattan är i linje med solen och förblir stationär efter polär inriktning, medan bäring tas med siktet på den nedre plattan. Den nedre plattan bär uppmätningssikten och kan vridas i förhållande till den övre plattan och kan spännas fast i valfritt läge till den övre plattan. Det finns en graderad ring på den nedre plattan som visar den relativa rotationen mellan den nordriktade toppplattan och mätningssiktlinjen på bottenplattan, och har nockar för att möjliggöra exakt avläsning av vinkeln.

Latitudbågen är fäst vinkelrätt mot den övre plattan. Timbågen är fixerad vinkelrätt mot den rörliga övre delen av latitudbågen, och deklinationsbågen svänger på en polär axel över och vinkelrätt mot deklinationsbågen. Bågarnas lägen kan finjusteras med skruvar och vinklarna avläsas med en vernier. Klämskruvar medföljer vid behov för att låsa komponenterna på plats. I ena änden av den justerbara delen av deklinationsbågen finns små linser inrättade för att fokusera en bild av solens skiva på en målplatta inskriven med parallella par av vinkelräta linjer för att rama in bilden när den är korrekt inriktad.

Operationen är som följer:

1. Ställ in solens deklination för den dagen, erhållen med hjälp av tabeller, på en skala fäst vinkelrätt mot tidsbågen.
2. Ställ in platsens latitud på en skala i alidaden.
3. Ställ in den ungefärliga lokala tiden på den båge som roterar på en polär axel.
4. Rikta instrumentet medan det förblir plant, så att bilden av solen visas mellan fyra ritsade linjer på skärmen mittemot linsen. Tidsratten är finjusterad för att föra bilden mellan ett andra par ritsade linjer vinkelrätt mot det första paret. Den övre plattans huvudaxel kommer då att peka mot stolpen.
5. Pinnulan (siktskovlarna) kan sedan inriktas med ett markbundet föremål och dess bäring avläsas från vinkelskalan.
6. Den magnetiska deklinationen kan avläsas från en kompass som är fäst vid basplattan.

Reception

Burt förbättrade instrumentet under åren och det vann utmärkelser från olika organisationer för sin teknik som enkel, robust, billig, pålitlig och korrekt och användes av lantmätare från 1800- till 1900-talet. 1851 ställde han ut sin senaste version på Great Exhibition World's Fair i London. Där undersöktes och godkändes den av forskaren John Herschel . Burt fick ett pris från mässan för sin kompassinstrumentdesign. Han fick sedan ytterligare en medalj för sin enklare, mer exakta version av jurymedlemmar i Astronomical Instruments med en personlig komplimang av Albert Edward, Prince of Wales , den 15 oktober 1851, på Hyde Park, London, England .

Detta instrument uppfanns för att komma bort från de mycket varierande och opålitliga avläsningar som ges av dagens vanliga kompass på en plats med en magnetfältsanomali orsakad av stora järnmalmsavlagringar. Instrumentet visade sig vara så noggrant att det specificerades av USA:s regering för undersökning av offentlig mark, delstatsgränser och järnvägsrutter. Burts instrument användes för att undersöka 75 procent av USA:s offentliga mark, som består av nästan en miljard hektar. Det hade sparat regeringen miljontals dollar på grund av dess allmänt billiga prislapp och undersökningens noggrannhet. Den undersökte mineralområden i många stater, inklusive Michigan, Wisconsin, Minnesota, Arkansas och Colorado. Dess projektutgifter för att undersöka en del av marken var bara en bråkdel av vad det brukade kosta innan hans uppfinning. Ett exempel på jämförelse var gränslinjen mellan Iowa och Minnesota som undersöktes tidigare till 120 USD per mil (75 USD/km) med användning av de gammaldags instrumenten, medan den med Burts solkompass endast var 15 USD per mil (9,3 USD/km) ).

Se även

• Vegvísir – isländsk magisk stav avsedd som en vägvisare
• Astrokompass – Verktyg för att hitta sann nord genom positionerna för astronomiska kroppar
• Rutnätskompass – Navigeringsinstrument som underlättar styrningen av en stadig kurs
• Ekvatorial sextant – Navigationsinstrument

Källor

•   Ashworth, William (1987). De sena, stora sjöarna . Wayne State University Press. ISBN 978-0814-31887-4 .
• BLM, USA (1973). Manual of Instructions for Survey of the Public Land of the United States . United States Government Printing Office.
•   Burt, William Austin (1844). Beskrivning av solkompassen med instruktioner för dess justering och användning . Geiger & Christian. OCLC 982883490 .
•   Burt, William Austin (1873). En nyckel till Solar Compass och Surveyor's Companion . D. van Nostrand. OCLC 30003545 . Följaktligen gjorde uppfinnaren flera ändringar och förbättringar som föreslagits av erfarenhet och lämnade i december 1840 åter instrumentet som förbättrat till en kommitté vid samma institut som rapporterade en beslutad förbättring i punkt av noggrannhet och enkelheten i dess justeringar och användning.
• Burt, John, History of Solar Compass Uppfann av William A. Burt (1878).
•   Fuller, George Newman (1922). Michigan historia, volym 6 . Michigan Department of State. OCLC 983255566 .
•   Bonde, Silas (1884). Detroit och Michigans historia . S. Bonde & Company. OCLC 1130079700 .
•   Bonde, Silas (1889). History of Detroit & Michigan, The Metropolis Illustrated . S. Bonde & Company. OCLC 247412640 .
•   Hubbard, Bill (2008). Amerikanska gränser / Nation, States, and Rectangular Survey . ISBN 978-0226-35593-1 .
•   Lamphier, Peg A. (2019). Technical Innovation in American History: An Encyclopedia of Science and Technology . ABC-CLIO. ISBN 978-1610-69094-2 .
•   Magnaghi, Russell M. (2017). Upper Peninsula of Michigans historia . 906 Arv. ISBN 978-1387-01681-5 .
• Kuno Gross The Bagnold solkompass, historia och användning Books on demand 2011
•   Reynolds, Terry S. (2011). Iron Will - Cleveland Cliffs and Mining of Iron, 1847-2006 . Wayne State University Press. ISBN 978-0814-33643-4 .
•   Rosentreter, Roger L. (2014). Michigan - Upptäckares och entreprenörers historia . University of Michigan Press. ISBN 978-04720-2887-0 .
•   Smart, Charles E. (1962). The Makers of Surveying Instruments in America since 1700 (PDF) . Martino förlag. ISBN 978-15789-8488-6 .
• Stewart, Lowell O. (1975). Offentliga lantmäterier / Historia, instruktioner, metoder . Wisconsin Land Surveyors Association.
•   White, C. Albert (1983). Historik för rektangulärt mätsystem . USA:s inrikesdepartementet, Bureau of Land Management. OCLC 29991586 .
•   White, James T. (1922). Cyclopedia of American Biography, volym 18 . JT Vit. OCLC 164589128 .

Vidare läsning

• RA Bagnold och WJ Harding King, "Resor i den libyska öknen 1929 och 1930", The Geographical Journal , Vol. 78, nr 6 (dec. 1931), s. 524, 526–535
• Tuttle, Charles Richard, General History of the State of Michigan med biografiska skisser , RDS Tyler & Co., Detroit Free Press Company, 1873
• WB Kennedy Shaw, "Desert Navigation: Some Experiences of the Long Range Desert Group" , The Geographical Journal , V.102, nummer 5, 1943, s. 253–258 Publicerad av The Royal Geographical Society