Kompas słoneczny Burta

Kompas słoneczny Williama Austina Burta

lub kompas astronomiczny Burta to instrument geodezyjny , który wykorzystuje kierunek Słońca zamiast magnetyzmu. William Austin Burt wynalazł swój kompas słoneczny w 1835 roku. Kompas słoneczny działa na zasadzie, że kierunek do Słońca w określonym czasie można obliczyć, jeśli z podobną dokładnością znana jest pozycja obserwatora na powierzchni Ziemi. Kierunek można opisać w kategoriach kąta Słońca względem osi obrotu planety .

Kąt ten składa się z kąta wynikającego z szerokości geograficznej , połączonego z kątem związanym z porą roku i kątem związanym z porą dnia. Kąty te są ustawiane na kompasie na wybraną porę dnia, podstawa kompasu jest ustawiana poziomo za pomocą dostarczonych poziomnic , a następnie celowniki są ustawiane na Słońce w określonym czasie, tak aby obraz Słońca był rzutowany na cel kraty krzyżowej. W tym momencie podstawa kompasu będzie dokładnie ustawiona na osi północ-południe. Następnie jest blokowany w tym ustawieniu, po czym ramiona celownicze można obrócić, aby wyrównać z dowolnym punktem orientacyjnym lub latarnią, a kierunek można odczytać z noniuszy jako kąt względem prawdziwej północy.

To urządzenie pozwoliło uniknąć problemów związanych z normalnym kompasem magnetycznym używanym przez geodetów, który wyświetlał błędne odczyty w miejscu o dużej zawartości rudy żelaza oraz niespójnych i nieznanych lokalnych zmianach magnetycznych. Instrument okazał się tak dokładny, że był to wybór rządu Stanów Zjednoczonych podczas badania terenów publicznych, granic państwowych i tras kolejowych. Zdobywał nagrody różnych organizacji i był używany przez geodetów od XIX do XX wieku.

Historia

Burt został zastępcą geodety Stanów Zjednoczonych w 1833 roku i zaczął badać tereny rządowe na północny zachód od rzeki Ohio . Do 1834 roku on i jego ekipa geodezyjna badali terytorium na dolnym półwyspie Michigan . Do 1835 roku badał ziemię na górnym półwyspie Michigan, aby mogli ją wykorzystać nowi osadnicy. Tutaj odkrył, że jego czuły kompas, który działał na zasadzie przyciągania pola magnetycznego, wahał się nieregularnie z powodu osadów rudy żelaza w obszarze, który zakłócał pole. Burt opracował przyrząd, który polegał na świetle słonecznym, a nie na magnetyzmie, aby znaleźć prawdziwą północ. Powstały produkt nazwał do znajdowania prawdziwego południka . Pokonał kaprysy kompasu geodety spowodowane ingerencją ze złóż rudy żelaza w lokalnym obszarze masowym.

Burt po raz pierwszy użył instrumentu słonecznego w swoich badaniach w Michigan. W swoim późniejszym badaniu górnego półwyspu stanu Michigan w 1844 r. Znalazł duże odkrywcze złoża rudy żelaza w Negaunee w hrabstwie Marquette . Stałoby się to znane jako Marquette Iron Range . Mniej więcej w tym samym czasie jego załoga znalazła niewielkie złoża rudy żelaza na dolnym półwyspie stanu. Jego przypadkowe odkrycie tych złóż żelaza w Michigan przyczyniło się znacznie do rewolucji przemysłowej w Ameryce . Kopalnia Calumet i Hecla w Copper Country w stanie Michigan została odkryta za pomocą instrumentu Burta i stała się wiodącym producentem miedzi na świecie.

Kompas słoneczny Burta wykorzystuje położenie Słońca z tabelami astronomicznymi i umożliwia geodetom wyznaczanie dokładniejszych linii, oszczędzając im dużo czasu. Burt miał model swojego instrumentu zbudowany w 1835 roku przez Williama Jamesa Younga , profesjonalnego producenta instrumentów. Następnie przedłożył ten kompas słoneczny komitetowi w Instytucie Franklina w Filadelfii. Zbadali jego cechy, a następnie przyznali Burtowi dwadzieścia dolarów w złocie i medal Johna Scotta za jego technologię. Burt opatentował swoją innowację w postaci kompasu słonecznego 25 lutego 1836 r. Od tego czasu jest on nazywany kompasem słonecznym Burta lub kompasem astronomicznym. Użył go w sezonie 1836–1837 do zbadania piątego głównego południka w stanie Iowa.

Burt przez lata ulepszał instrument, wprowadzając pewne mechanizmy, aby ułatwić obsługę z większą dokładnością. W 1840 roku otrzymał kolejny patent na swój ulepszony kompas słoneczny. Ponownie przesłał zaktualizowaną wersję instrumentu do Instytutu Franklina, gdzie okazało się, że jest dokładniejsza i łatwiejsza w użyciu niż pierwsza wersja. Federalnego Urzędu ds. Ziemi , ES Haines, zbadał przyrząd pomiarowy Burta w grudniu 1840 r. I poinformował w liście z 1841 r., Że dzięki czteroletniemu doświadczeniu w pomiarach okazało się, że jest on lepszy technologicznie od zwykłego kompasu używanego wówczas przez większość geodetów. Komisarz Federalnego Urzędu ds. Ziemi wysłał listy do geodetów generalnych w całych Stanach Zjednoczonych, w których poinformował, że kompas Burta jest produkowany przez geodetę Henry'ego Ware'a i jest dostępny w sprzedaży.

Burt w 1849 roku udał się z synem do Waszyngtonu, aby ubiegać się o odnowienie swojego oryginalnego patentu kompasu słonecznego z 1835 roku, który miał wygasnąć. Komitet komisarza ds. Ziemi, w skład którego wchodzili senatorowie z Michigan i innych stanów, uznając wartość kompasu słonecznego Burta w publicznych badaniach gruntów, przekonał go do rezygnacji z odnowienia i złożenia petycji do kongresu o odpowiednią zaliczkę. Burt zrobił, jak sugerowano, wierząc, że otrzyma odpowiednią rekompensatę. Jednak wskazana rekompensata nie została zrealizowana za życia Burta ani w żadnym późniejszym czasie. Ponieważ po 1850 roku nie było patentu na kompas słoneczny Burta, producenci instrumentów produkowali i sprzedawali geodetom „kompas słoneczny Burta” jako produkt komercyjny. Wynalazca wydał tysiące dolarów na udoskonalenie swojego instrumentu, ale otrzymał tylko osiemdziesiąt dolarów ze sprzedaży swojego narzędzia za swoją pracę.

We wstępie do swojego Key to Solar Compass and Surveyor's Companion (1858) autorstwa jego współpracownika Williama S. Younga Burt odnosi się do wielu próśb o taką książkę o tym, jak używać jego kompasu słonecznego. Wyjaśnia, że ​​wspólny kompas mierniczy miał problemy z właściwym południkiem w różnych miejscowościach. Miał również problemy z dnia na dzień z odczytami innymi niż oczekiwane jako stałe lub z poprzednich odczytów. Stwierdzono, że kompas magnetyczny był podatny na zakłócenia wynikające z lokalnego przyciągania rudy żelaza. Potrzebny był dokładniejszy przewodnik dla geodety, więc kompas słoneczny został stworzony przez Burta.

Geodeta Bela Hubbard zauważył w 1845 r., Że za pomocą kompasu słonecznego Burta mogli zbadać linię prostą przez kraj bogaty w żelazo, co byłoby zadaniem niemożliwym do wykonania przy użyciu zwykłego kompasu. Pierwotny impuls dla kompasu słonecznego Burta był używany tam, gdzie stary kompas był podatny na duże złoża żelaza na lądzie, które dawały bezużyteczne odczyty. Stwierdzono wtedy, że ogólnie przewyższa zwykły kompas, nawet jeśli lokalne złoża rudy żelaza nie stanowiły problemu. Zamocowanie kompasu słonecznego do tranzytu geodety było nadal zalecaną metodą uzyskiwania rzeczywistego kierunku północnego, zgodnie z instrukcją geodety z 1973 r. Amerykańskiego Biura Gospodarki Gruntami . Instrument był szeroko stosowany w pomiarach gruntów w Stanach Zjednoczonych i był obowiązkowy w pomiarach rządowych od połowy XIX wieku do roku 2000, kiedy technologia satelitarnego Global Positioning System stała się preferowaną metodą pomiarów.

Opis


Ilustracja linii jego kompasu słonecznego z dokumentacji patentowej USA z 1836 roku

Zasada działania

Geodeci mogą zlokalizować prawdziwą północ, obserwując Słońce lub inne obiekty astronomiczne, takie jak gwiazdy lub Księżyc, które mają kierunek z dowolnego punktu na powierzchni Ziemi. Można go dokładnie obliczyć dla określonej daty i godziny, a lokalne zmiany pola magnetycznego spowodowane lokalnymi złożami minerałów, takich jak ruda żelaza, nie mają na nie wpływu. Instrument Burta pozwala geodetom określić prawdziwy kierunek północny w odniesieniu do Słońca, a nie pod wpływem ziemskiego pola magnetycznego. Jest wykonany z mosiądzu i dlatego nie ma wpływu magnetycznego na igłę kompasu, ponieważ pierwotnie był małym dodatkiem do zwykłego kompasu geodety.

Zastosowanie kompasu słonecznego wymaga znajomości pozornego ruchu Słońca wokół Ziemi względem Ziemi jako środka układu odniesienia, a dokładniej względem położenia instrumentu ustawionego do użytku w przeglądzie . Konieczne jest zrozumienie deklinacji równoleżnikowej i sezonowej oraz zmienności podłużnej w zależności od pory dnia, ponieważ kompas ma określone podzespoły, które uwzględniają każdą z tych zmiennych.

Na równiku Ziemi w równonocy Słońce nie ma sezonowej deklinacji, wschodzi dokładnie na wschodzie i zachodzi dokładnie na zachód. W południe Słońce znajduje się w najwyższym punkcie, bezpośrednio nad głową. Znajduje się w najniższym punkcie o północy i wydaje się poruszać w płaszczyźnie równika. W miejscach oddalonych od równika południowa wysokość Słońca zostanie zmniejszona o kąt lokalnego poziomu Ziemi względem osi bieguna - szerokość geograficzna - więc na 10 ° szerokości geograficznej południowej lub północnej wysokość południowa wyniesie 90 ° − 10° = 80° w równonocy. Kąt ten jest znany geodecie i jest ustawiony na łuku szerokości geograficznej instrumentu, tak że przy wypoziomowanej podstawie i wyrównaniu kompasu z rzeczywistą północą oś łuku godzinowego będzie równoległa do osi biegunowej.

Oś obrotu Ziemi jest nachylona od prostopadłej do płaszczyzny jej orbity wokół Słońca. Kąt ten powoduje, że kąt wysokości Słońca zmienia się wraz z porami roku o wielkość zależną od kierunku niewspółosiowości. Zmienia się w przewidywalny sposób przez cały rok, płynnie wzrastając i malejąc w dającym się obliczyć tempie, i jest stała w każdym miejscu na Ziemi w tym samym czasie. Wartość ta jest również znana geodecie, ponieważ jest publikowana w zestawie tabel w almanachu. Korekta tej deklinacji jest dokonywana na łuku deklinacji kompasu, który jest zamontowany tak, aby obracał się na osi biegunowej na górze łuku szerokości geograficznej, ponieważ kąty szerokości i deklinacji sumują się. Kąt Słońca ze względu na porę dnia jest ustawiony na łuku kąta godzinnego, który jest prostopadły do ​​osi bieguna. Kąt ten jest obliczany na podstawie długości geograficznej i GMT , również zestawionych w tabeli dla wygody geodetów i nawigatorów, ponieważ obliczenia są żmudne do wykonania w terenie, a każdy błąd może mieć poważne skutki.

Zakładając kulistą Ziemię, gdyby poprowadzić linię prostą od wschodu do zachodu słońca oraz od słońca w południe i o północy w równonoce, obie te linie przechodziłyby przez środek Ziemi, a równik przecinałby te linie. Nie dzieje się tak, gdy słońce ma deklinację północną lub południową, ponieważ jego pozorny ruch będzie przebiegał pod kątem do płaszczyzny równika, równym odchyleniu słońca na północ lub południe, tak więc, gdy słońce ma deklinację północną lub południową, i Ziemia jest uważana za środek swoich obrotów, linia od Słońca do środka Ziemi opisuje stożek.

Ten stożkowy ruch Słońca można również zilustrować wypukłymi szprychami koła krytego wagonu, którego obręcz przedstawia pozorną ścieżkę Słońca, piasta reprezentuje Ziemię, a szprychy są liniami poprowadzonymi z toru Słońca. Można zauważyć, że linia poprowadzona od Słońca do środka Ziemi przebiegałaby na północ lub południe od równika, w stopniu równym jego odchyleniu na północ lub południe. Instrument ma ruch równikowy, z mechanicznym mocowaniem do celowania w gwiazdę jako punkt odniesienia.

Budowa i działanie

Osie kompasu słonecznego Burta

Kompas słoneczny Burta składa się z głównej płyty zamontowanej na statywie i wypoziomowanej za pomocą dwóch poziomnic przymocowanych prostopadle. Zawiera wspólne pudełko na igły kompasu, z podziałką na północny koniec igły około 36 stopni, z noniuszem do odczytywania zmiany igły oraz trzema regulowanymi łukami instrumentu słonecznego: jeden jest ustawiony na szerokość geograficzną lokalizacja ; inny dla sezonowej deklinacji Słońca; a trzeci dla godziny dnia dostosowanej do długości geograficznej lokalizacji. Celowniki do ustawiania przez Słońce są zamontowane na ruchomym ramieniu łuku deklinacji i posiadają małą soczewkę do ogniskowania obrazu tarczy Słońca na siatce docelowej. Górna płyta jest wyrównana ze Słońcem i pozostaje nieruchoma po wyrównaniu biegunowym, podczas gdy namiar jest mierzony za pomocą celowników na dolnej płycie. Dolna płyta zawiera przyrządy celownicze i może być obracana względem górnej płyty oraz może być zaciśnięta w dowolnej pozycji do górnej płyty. Na dolnej płycie znajduje się wyskalowany pierścień, który pokazuje względny obrót między północną płytą górną a linią celowniczą na dolnej płycie i ma noniusze umożliwiające precyzyjny odczyt kąta.

Łuk szerokości geograficznej jest przymocowany prostopadle do górnej płyty. Łuk godzinowy jest ustawiony prostopadle do ruchomej górnej części łuku szerokości geograficznej, a łuk deklinacji obraca się wokół osi biegunowej prostopadłej do łuku deklinacji. Pozycje łuków można precyzyjnie regulować za pomocą śrub, a kąty odczytać za pomocą noniusza. Śruby zaciskowe są dostarczane tam, gdzie jest to konieczne, aby zablokować elementy na miejscu. Na jednym końcu regulowanej kończyny łuku deklinacji znajdują się małe soczewki ustawione w celu ogniskowania obrazu tarczy Słońca na tarczy z wypisanymi parami równoległych par prostopadłych linii, aby wykadrować obraz po prawidłowym ustawieniu.

Operacja jest następująca:

  1. Ustaw deklinację Słońca dla tego dnia, uzyskaną za pomocą tabel, na skali umieszczonej prostopadle do łuku czasu.
  2. Ustaw szerokość geograficzną lokalizacji na skali w alidade.
  3. Ustaw przybliżony czas lokalny na łuku obracającym się wokół osi biegunowej.
  4. Ustaw instrument, pozostając poziomo, tak aby obraz Słońca pojawił się między czterema liniami narysowanymi na ekranie naprzeciwko obiektywu. Tarcza czasu jest precyzyjnie dostosowana, aby ustawić obraz między drugą parą wytyczonych linii prostopadle do pierwszej pary. Główna oś górnej płyty będzie wtedy skierowana na słup.
  5. Pinnula (łopatki obserwacyjne) można następnie ustawić w linii z obiektem ziemskim, a jego namiar odczytać ze skali kątowej.
  6. Deklinację magnetyczną można odczytać z kompasu przymocowanego do podstawy.

Przyjęcie

Burt ulepszał instrument przez lata i zdobył nagrody od różnych organizacji za swoją technologię jako prostą, wytrzymałą, niedrogą, niezawodną i dokładną i był używany przez geodetów od XIX do XX wieku. W 1851 roku wystawił swoją najnowszą wersję na Wielkiej Wystawie Światowej w Londynie. Tam został zbadany i zatwierdzony przez uczonego Johna Herschela . Burt otrzymał nagrodę z targów za projekt instrumentu kompasu. Następnie otrzymał kolejny medal za swoją prostszą, dokładniejszą wersję od jurorów Astronomical Instruments z osobistym komplementem od Alberta Edwarda, księcia Walii , 15 października 1851 r. W Hyde Parku w Londynie w Anglii .

Instrument ten został wynaleziony, aby uciec od bardzo zmiennych i niewiarygodnych odczytów dostarczanych przez zwykły kompas dnia w miejscu z anomalią pola magnetycznego spowodowaną przez duże złoża rudy żelaza. Instrument okazał się tak dokładny, że został określony przez rząd Stanów Zjednoczonych do badania terenów publicznych, granic państwowych i tras kolejowych. Instrument Burta został użyty do zbadania 75 procent terenów publicznych Stanów Zjednoczonych, obejmujących prawie miliard akrów. Zaoszczędził rządowi miliony dolarów ze względu na ogólnie niedrogą cenę i dokładność ankiety. Badał ziemie mineralne w wielu stanach, w tym w Michigan, Wisconsin, Minnesocie, Arkansas i Kolorado. Wydatki na projekt badania części ziemi stanowiły tylko ułamek tego, co kosztowało przed jego wynalezieniem. Przykładem porównania była linia graniczna między Iową a Minnesotą, która była wcześniej badana przy 120 USD za milę (75 USD / km) przy użyciu staromodnych instrumentów, podczas gdy z kompasem słonecznym Burta wynosiła tylko 15 USD za milę (9,3 USD / km) ).

Zobacz też

Źródła

Dalsza lektura

  • RA Bagnold i WJ Harding King, „Podróże po pustyni libijskiej 1929 i 1930”, The Geographical Journal , tom. 78, nr 6 (grudzień 1931), s. 524, 526–535
  • Tuttle, Charles Richard, General History of the State of Michigan ze szkicami biograficznymi , 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, nr 5, 1943, s. 253–258 Opublikowane przez Królewskie Towarzystwo Geograficzne
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Burt%27s_solar_compass&oldid=1131031363 ”