История появления секстанта
Одним из первых угломерных инструментов, который был, по-видимому, известен еще древним астрономам, являлся градшток. Мореплаватели стали им пользоваться где-то в XV веке. Во всяком случае градшток уже имелся на каравеллах Колумба и Васко да Гама.
Древний градшток состоял из двух взаимно перпендикулярных реек-штока длиной 90 см и поперечной крестовины, плотно прилегающей к штоку и скользящей по нему под прямым углом. Длина крестовины была несколько больше 65 см для того, чтобы расстояние между отверстиями на ее концах составляло точно 65 см.
Устройство градштока
На конце штока была укреплена мушка. Наблюдателю, смотря на глазную мушку, надо было одновременно видеть оба предмета (горизонт и светило), взаимное расстояние между которыми определялось через отверстия в крестовине. Для нанесения делений на столе чертили углы и на них накладывали градшток. Градусные деления наносили на верхнюю грань штока. Для измерения разных и в том числе меньших углов служили дополнительные, более короткие крестовины. Деления для меньших углов размечали на боковых гранях штока.
Для измерения высоты какого-либо светила (звезды, Солнца) приставляли один конец длинного штока к глазу, а поперечную крестовину двигали так, чтобы она одним концом точно коснулась горизонта, а другим – светила. Результаты измерений таким примитивным приспособлением, как градшток, получались весьма приблизительными. К тому же глаз не мог видеть одновременно два предмета (точку горизонта и планету), находящиеся друг от друга на таком значительном расстоянии. Несмотря на ненадежность, градшток просуществовал более ста лет.
В начале XVI века широкое распространение получил другой угломерный инструмент, тоже примитивный, хотя и более приспособленный для измерения высот, чем градшток – астролябия. Астролябия представляла собой диск из меди или жести около 6 мм толщиной и 15-17 см в диаметре. Диск имел выступ с отверстием для подвешивания. Астролябию старались делать потяжелее (5-6 кг) для устойчивости при ветре и качке судна. Для удобства пользования на ободе астролябии выбивали склонение солнца для разных времен года. Поверхность диска была хорошо отполирована. Отвесом от точки подвеса отмечали вертикальную линию, относительно которой наносили горизонталь и центр круга. Верхний левый квадрат делили на градусы. На оси диска крепилась алидада (подвижный радиус) из того же металла, шириной около 4 см, длиной, равной диаметру диска, и толщиной, равной толщине диска. По всей длине алидады проходила визирная линия. По концам визирной линии были укреплены пластинки с небольшими отверстиями точно над визирной линией. Подвесив астролябию, алидаду наводили на звезду или Солнце и по градуированной дуге диска отсчитывали полученный угол. Позже на астролябии была градуирована и противоположная дуга диска. Астролябия, как и градшток, применялись в первых кругосветных путешествиях.
Измерение высот с помощью астролябии
В измерении высот с помощью астролябии обычно принимали участие три наблюдателя: один держал астролябию за кольцо, надев его на большой палец, другой измерял высоту, а третий производил отсчет. Каждый из трех наблюдателей вносил свою ошибку в конечный результат измерений. Ошибки измерений, качка и ветер -все это сказывалось на точности наблюдений.
Более поздними угломерными инструментами были квадрант и октан. Затем появился секстан, который, претерпев много усовершенствований, исправно служит морякам и сегодня.
Первоначально секстан имел дугу, равную приблизительно 7б окружности, по-латински это произносится как sextans – шестая часть, откуда секстан и получил свое название. У современных секстанов дуга имеет несколько большие размеры.
Применение секстанта
Секстан служит для измерения высоты светила, т. е. вертикального угла между плоскостью горизонта и направлением на светило. Кроме вертикальных углов, секстаном можно измерять горизонтальные углы между направлениями на земные ориентиры (предметы) при определении места судна навигационными способами. При измерении секстаном вертикальных и горизонтальных углов один из предметов наблюдается прямовидимо, изображение же другого предмета наблюдатель видит после отражения от двух зеркал. Чтобы измерить угол, эти два изображения необходимо совместить.
Принципиальная схема секстана. Рассмотрим принципиальную схему секстана. Нам требуется измерить угол h между предметами С и D. В точке О расположен глаз наблюдателя. На пути луча СО установим неподвижное зеркало А, плоскость которого перпендикулярна плоскости рисунка, а зеркальная сторона обращена к глазу наблюдателя. Если сделать половину поверхности этого зеркала прозрачной, луч от предмета С свободно попадет в глаз наблюдателя (на рисунке его путь обозначен стрелкой). Наблюдатель увидит по направлению ОС через прозрачную половину зеркала А изображение С, которое называют прямовидимым.
В точке В расположим другое подвижное зеркало, которое может вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка. Установим это зеркало в такое положение, чтобы луч света от предмета D, отразившись от подвижного, называемого большим, зеркала В, попал иа неподвижное малое зеркало А, а от него в глаз наблюдателя, в точку О. Изображение предмета D получится дважды отраженным. Следовательно, изображения предметов С и D совместятся по направлению О АС. Обозначим ш угол между зеркалами. Так как углы падения и отражения световых лучей равны: Z.1 = Z.2 и Z.3 = Z4, то равны и их дополнения до 90°.
Можно сделать вывод, что при совмещении прямо-видимого предмета С и дважды отраженного изображения предмета D измеряемый угол h равен двойному углу между зеркалами со. Таким образом, измерение угла h может быть заменено измерением угла со.
На рисунке представлен общий вид секстана, который состоит из металлической или пластмассовой рамы 7 в форме сектора. На раме расположен лимб 9 с градусными делениями, а по торцу дуги нарезана зубчатая рейка. На левом радиусе рамы укреплено неподвижное малое зеркало 3 и светофильтры J и 2, На правом радиусе рамы имеется угольник с кольцом, служащий для крепления на ней астрономической трубы 6 и подъемного механизма 5. На подвижном радиусе – алидаде 8 – крепится большое зеркало 4 и на противоположном ее конце установлен винт с отсчетным барабаном 11, наружная поверхность которого имеет 60 минутных делений. Число градусов показывает индекс, нанесенный около выреза на алидаде. Минуты и десятые доли минуты отсчитываются на барабане. При вращении барабана алидада передвигается, что дает возможность точно совместить прямовидимое и отраженное изображения предметов. Точность измерения углов секстаном 0,1. На обратной стороне рамы имеются ручка и две ножки 10.
Секстан хранят в закрытом деревянном ящике с крышкой; его устанавливают ножками в специальные гнезда и крепят стопором, проходящим через отверстия в рукоятке. Секстан следует оберегать от толчков, ударов, от влияния сырости и резких изменений температуры. Брать секстан разрешается только за раму и ручку. Нельзя трогать пальцами оптические детали – зеркала, линзы, светофильтры. При попадании на стеклянные части дождя, брызг или при отпотевании, их осторожно протираю-Г чистой фланелевой тряпочкой, которая должна находиться в каждом комплекте секстана.
Приемы измерения углов и высот секстаном. Измерение углов в навигации обычно проводится между земными предметами при определении места судна по двум углам или по пеленгу и углу. Для измерения горизонтального угла секстан берут в левую руку и располагают лимбом в плоскости измеряемого угла. Трубу секстана наводят на более слабо видимый предмет. Затем, освободив стопор, перемещают алидаду, пока в поле зрения не появится изображение другого предмета, и вращением отсчетного барабана точно совмещают пря-мовидимый (первый) и дважды отраженный (второй) предметы. Для измерения вертикального угла направляют секстан на основание предмета, располагая лимб вертикально, и, двигая алидаду, подводят к основанию дважды отраженное изображение верхней части предмета. Обычно в таких случаях наблюдаемыми объектами служат маяки, знаки, отдельные высокие сооружения, горы.
При измерении углов между земными предметами можно не пользоваться зрительной трубой, тогда на прямовидимый предмет наводят малое зеркало.
Поправку индекса при наблюдениях близких земных предметов надо определять также по близкому прямовидимому предмету.
Перед измерением высот секстан следует подготовить к наблюдениям: провести его выверку, определить поправку индекса, установить трубу по своему глазу и подобрать, если необходимо, светофильтры. Измеряя высоту, нужно в поле зрения трубы секстана совместить светило (или края его диска) с линией видимого горизонта. Совмещение производят в вертикале светила.
Измерение может быть выполнено двумя методами:
1. Установить индекс алидады на 0° и навести трубу на светило. Передвигая алидаду от себя, одновременно опустить секстан к горизонту так, чтобы дважды отраженное изображение светила оставалось все время в поле зрения трубы. Как только появится прямовидимое изображение горизонта, приступить к точному визированию высоты.
2. Индекс алидады установить на примерный отсчет высоты светила, который можно получить по звездному глобусу, и навести трубу на линию видимого горизонта в вертикале светила. Увидев в поле зрения трубы дважды отраженное изображение светила и прямо-видимое – линии горизонта, произвести точное визирование высоты. Точное визирование выполняется покачиванием секстана так, чтобы светило описывало дугу выпуклостью к линии горизонта. В тот момент, когда эта дуга коснется линии горизонта, замечают отсчет по хронометру.
