Kwadrant (instrument)
Kwadrant to przyrząd służący do pomiaru kątów do 90 ° . Różne wersje tego instrumentu mogą być używane do obliczania różnych odczytów, takich jak długość i szerokość geograficzna oraz pora dnia . Jego najwcześniejsze odnotowane użycie miało miejsce w starożytnych Indiach w czasach Rygwedyjskich przez Rishi Atri, aby obserwować zaćmienie słońca. Został on następnie zaproponowany przez Ptolemeusza jako lepszy rodzaj astrolabium . Później średniowieczni astronomowie muzułmańscy stworzyli kilka różnych odmian tego instrumentu . Kwadranty ścienne były ważnymi instrumentami astronomicznymi w XVIII-wiecznych obserwatoriach europejskich , ustanawiając zastosowanie w astronomii pozycyjnej .
Etymologia
Termin kwadrant , oznaczający jedną czwartą, odnosi się do faktu, że wczesne wersje instrumentu wywodziły się z astrolabiów. Kwadrant skondensował działanie astrolabium do obszaru o wielkości jednej czwartej powierzchni astrolabium; była to zasadniczo jedna czwarta astrolabium.
Historia
W czasach Rigwedy w starożytnych Indiach ćwiartki zwane „Tureeyam” były używane do mierzenia zasięgu wielkiego zaćmienia Słońca . Użycie Tureeyam do obserwacji zaćmienia Słońca przez Rishi Atri jest opisane w piątej mandali Rygwedy , najprawdopodobniej między ok. 1500 i 1000 pne.
Wczesne wzmianki o kwadrancie pochodzą również z Almagestu Ptolemeusza około 150 rne. Opisał on „cokół”, który mógł mierzyć wysokość południowego słońca, rzucając cień kołka na stopniowany łuk 90 stopni . Ten kwadrant różnił się od późniejszych wersji instrumentu; był większy i składał się z kilku ruchomych części. Wersja Ptolemeusza była pochodną astrolabium, a celem tego prymitywnego urządzenia był pomiar kąta południka słońca.
Islamscy astronomowie w średniowieczu ulepszyli te idee i zbudowali ćwiartki na całym Bliskim Wschodzie, w obserwatoriach takich jak Marageh , Rey i Samarkanda . Początkowo te ćwiartki były zwykle bardzo duże i nieruchome i można je było obracać do dowolnego łożyska, aby uzyskać zarówno wysokość, jak i azymut dla dowolnego ciała niebieskiego. Ponieważ islamscy astronomowie poczynili postępy w teorii astronomicznej i dokładności obserwacji, przypisuje się im opracowanie czterech różnych typów ćwiartek w średniowieczu i później. Pierwszy z nich, kwadrant sinusoidalny , został wynaleziony przez Muhammad ibn Musa al-Khwarizmi w IX wieku w Domu Mądrości w Bagdadzie. Inne typy to kwadrant uniwersalny, kwadrant horarny i kwadrant astrolabium.
W średniowieczu wiedza o tych instrumentach rozprzestrzeniła się na Europę. W XIII wieku żydowski astronom Jakub ben Machir ibn Tibbon odegrał kluczową rolę w dalszym rozwoju kwadrantu. Był utalentowanym astronomem i napisał kilka tomów na ten temat, w tym wpływową książkę opisującą szczegółowo, jak zbudować i używać ulepszonej wersji kwadrantu. Kwadrant, który wynalazł, stał się znany jako novus quadrans lub nowy kwadrant. To urządzenie było rewolucyjne, ponieważ było pierwszym zbudowanym kwadrantem, który nie zawierał kilku ruchomych części, a zatem mógł być znacznie mniejszy i bardziej przenośny.
Hebrajskie rękopisy Tibbona zostały przetłumaczone na łacinę i poprawione przez francuskiego uczonego Petera Nightingale'a kilka lat później. Dzięki tłumaczeniu Tibbon, czyli Prophatius Judaeus, jak go nazywano po łacinie, stał się wpływowym nazwiskiem w astronomii. Jego nowy kwadrant opierał się na założeniu, że projekcja stereograficzna definiująca astrolabium planisferyczne może nadal działać, jeśli części astrolabium zostaną złożone w jeden kwadrant. Rezultatem było urządzenie, które było znacznie tańsze, łatwiejsze w użyciu i bardziej przenośne niż standardowe astrolabium. Prace Tibbona miały dalekosiężny zasięg i wywarły wpływ na Kopernika , Krzysztofa Klawiusza i Erasmusa Reinholda ; a jego rękopis został wymieniony w Boskiej komedii Dantego .
Ponieważ kwadrant stał się mniejszy, a tym samym bardziej przenośny, wkrótce zdano sobie sprawę z jego wartości dla nawigacji. Pierwsze udokumentowane użycie kwadrantu do nawigacji na morzu miało miejsce w 1461 roku przez Diogo Gomesa . Żeglarze zaczęli od pomiaru wysokości Gwiazdy Polarnej, aby ustalić swoją szerokość geograficzną. To zastosowanie kwadrantów jest ogólnie przypisywane arabskim marynarzom, którzy handlowali wzdłuż wschodniego wybrzeża Afryki i często podróżowali poza zasięgiem wzroku lądu. Wkrótce stało się bardziej powszechne przyjmowanie wysokości słońca w danym czasie ze względu na fakt, że Gwiazda Polarna nie jest widoczna na południe od równika.
W 1618 roku angielski matematyk Edmund Gunter dodatkowo dostosował kwadrant, wprowadzając wynalazek, który stał się znany jako kwadrant Guntera. Ten kieszonkowy kwadrant był rewolucyjny, ponieważ zawierał odwzorowania tropików, równika, horyzontu i ekliptyki. Mając odpowiednie tabele, można było użyć kwadrantu do znalezienia czasu, daty, długości dnia lub nocy, czasu wschodu i zachodu słońca oraz południka. Kwadrant Guntera był niezwykle użyteczny, ale miał swoje wady; skale dotyczyły tylko określonej szerokości geograficznej, więc użycie instrumentu było ograniczone na morzu.
typy
Istnieje kilka rodzajów ćwiartek:
- Kwadranty ścienne , służące do określania czasu poprzez pomiar wysokości obiektów astronomicznych. Tycho Brahe stworzył jeden z największych kwadrantów ściennych. Aby określić czas, umieszczał obok ćwiartki dwa zegary, aby móc określić minuty i sekundy w odniesieniu do wymiarów z boku instrumentu.
- Duże instrumenty ramowe używane do pomiaru odległości kątowych między obiektami astronomicznymi.
- Kwadrant geometryczny używany przez geodetów i nawigatorów .
- Kwadrant Davisa to kompaktowy instrument w ramie, używany przez nawigatorów do pomiaru wysokości obiektu astronomicznego.
Można je również sklasyfikować jako:
- Wysokość — Zwykły kwadrant z linią pionu, używany do określania wysokości obiektu.
- Gunner's - rodzaj klinometru używanego przez artylerzystę do pomiaru kąta podniesienia lub opuszczenia lufy działa lub moździerza, zarówno w celu sprawdzenia prawidłowej wysokości ostrzału, jak i sprawdzenia prawidłowego ustawienia urządzeń kierowania ogniem zamontowanych na broni.
- Guntera - kwadrant używany do określania czasu, a także długości dnia, kiedy słońce wschodziło i zachodziło, daty i południka za pomocą skal i krzywych kwadrantu wraz z powiązanymi tabelami. Został wynaleziony przez Edmunda Guntera w 1623 roku. Kwadrant Guntera był dość prosty, co pozwoliło na jego powszechne i długotrwałe stosowanie w XVII i XVIII wieku. Gunter rozszerzył podstawowe funkcje innych kwadrantów, aby stworzyć wygodny i wszechstronny instrument. Jego charakterystyczną cechą były projekcje tropików, równika, ekliptyki i horyzontu.
- Islamski - King zidentyfikował cztery typy ćwiartek, które zostały stworzone przez muzułmańskich astronomów.
- Kwadrant sinusoidalny (arab. Rubul Mujayyab) – znany również jako kwadrant sinusoidalny – był używany do rozwiązywania problemów trygonometrycznych i prowadzenia obserwacji astronomicznych. Został opracowany przez al-Khwarizmi w Bagdadzie w IX wieku i był rozpowszechniony aż do XIX wieku. Jego charakterystyczną cechą jest siatka przypominająca papier milimetrowy po jednej stronie, która jest podzielona na sześćdziesiąt równych odstępów na każdej osi i jest również ograniczona łukiem stopniowanym pod kątem 90 stopni. Do wierzchołka ćwiartki przymocowano sznurek za pomocą koralika do obliczeń i pionu. Czasami rysowano je również na odwrocie astrolabiów.
- Kwadrant uniwersalny ( shakkāzīya ) - używany do rozwiązywania problemów astronomicznych na dowolnej szerokości geograficznej: te kwadranty miały jeden lub dwa zestawy siatek shakkāzīya i zostały opracowane w XIV wieku w Syrii. Niektóre astrolabia są również drukowane z tyłu z uniwersalnym kwadrantem, takim jak astrolabium stworzone przez Ibn al-Sarrāj.
- Kwadrant horarny – używany do znajdowania czasu ze słońcem: Kwadrant horarny może być używany do znajdowania czasu w równych lub nierównych (długość dnia podzielona przez dwanaście) godzin. Dla równych lub nierównych godzin stworzono różne zestawy oznaczeń. Do pomiaru czasu w równych godzinach kwadrant horarny mógł być używany tylko dla jednej określonej szerokości geograficznej, podczas gdy kwadrant dla nierównych godzin mógł być używany w dowolnym miejscu na podstawie przybliżonego wzoru. Jedna krawędź kwadrantu musiała być wyrównana ze słońcem, a po wyrównaniu koralik na pionie przymocowanym do środka kwadrantu wskazywał porę dnia. Istnieje przykład datowany na 1396 r. Ze źródeł europejskich ( Ryszard II z Anglii). Najstarszy kwadrant horarny został znaleziony podczas wykopalisk w 2013 roku w hanzeatyckim mieście Zutphen (Holandia), datowany jest na ok. 1300 i znajduje się w lokalnym Stedelijk Museum w Zutphen.
- Kwadrant astrolabium/ almucantar – kwadrant rozwinięty z astrolabium: Ten kwadrant został oznaczony połową typowej płytki astrolabium, ponieważ płyty astrolabium są symetryczne. Sznur przymocowany ze środka ćwiartki z koralikiem na drugim końcu został przesunięty, aby reprezentować pozycję ciała niebieskiego (słońca lub gwiazdy). Pozycje ekliptyki i gwiazd zostały zaznaczone na kwadrancie dla powyższego. Nie wiadomo, gdzie i kiedy wynaleziono kwadrant astrolabium, istniejące kwadranty astrolabium są pochodzenia osmańskiego lub mameluckiego, podczas gdy odkryto traktaty egipskie z XII wieku i syryjskie z XIV wieku na temat kwadrantu astrolabium. Kwadranty te okazały się bardzo popularną alternatywą dla astrolabiów.
Kwadrant geometryczny
Kwadrant geometryczny to ćwiartka koła, zwykle z drewna lub mosiądzu. Oznaczenia na powierzchni można wydrukować na papierze i nakleić na drewno lub namalować bezpośrednio na powierzchni. Instrumenty dęte blaszane miały swoje oznaczenia wyryte bezpośrednio na mosiądzu.
W przypadku nawigacji morskiej najwcześniejsze przykłady znaleziono około 1460 r. Nie były one stopniowane , ale miały szerokości geograficzne najczęstszych miejsc docelowych bezpośrednio wyryte na kończynie . W użyciu nawigator płynął na północ lub południe, dopóki kwadrant nie wskazywał, że znajduje się na szerokości geograficznej celu, skręcał w kierunku celu i płynął do celu, utrzymując kurs na stałej szerokości geograficznej. Po 1480 r. wykonano więcej instrumentów z kończynami wyskalowanymi w stopniach.
Wzdłuż jednej krawędzi znajdowały się dwa celowniki tworzące alidade . Pion od środka łuku u góry.
Aby zmierzyć wysokość gwiazdy, obserwator patrzył na gwiazdę przez przyrządy celownicze i utrzymywał kwadrant tak, aby płaszczyzna instrumentu była pionowa. Pionowi pozwolono wisieć pionowo, a linia wskazywała odczyt na podziałce łuku . Nierzadko zdarzało się, że druga osoba dokonywała odczytu, podczas gdy pierwsza koncentrowała się na obserwacji i utrzymywaniu instrumentu we właściwej pozycji.
Dokładność instrumentu była ograniczona jego rozmiarem i wpływem wiatru lub ruchu obserwatora na pion. Dla nawigatorów na pokładzie poruszającego się statku ograniczenia te mogą być trudne do pokonania.
Obserwacje Słońca
Aby uniknąć wpatrywania się w słońce w celu zmierzenia jego wysokości, nawigatorzy mogli trzymać instrument przed sobą, ze słońcem po swojej stronie. Rzucając cień na dolną łopatkę celowniczą skierowaną w stronę słońca, możliwe było ustawienie instrumentu względem słońca. Należałoby zadbać o to, aby ustalić wysokość środka słońca. Można to zrobić, uśredniając wzniesienia górnej i dolnej części cienia.
Kwadrant obserwacji wstecznej
W celu wykonywania pomiarów wysokości Słońca opracowano tylny kwadrant obserwacji.
Przy takiej ćwiartce obserwator obserwował horyzont z wiatrowskazu (C na rysunku po prawej) przez szczelinę w chorągiewce horyzontu (B). Dzięki temu instrument był wypoziomowany. Obserwator przesunął łopatkę cienia (A) do pozycji na stopniowanej skali, tak aby jej cień pojawił się na równi z poziomem horyzontu na łopatce horyzontu. Kąt ten był elewacją słońca.
Kwadrant w ramce
wysokości ciał niebieskich , używano ćwiartek dużych ramek . Mogą to być stałe instalacje, takie jak kwadranty ścienne . Mniejsze ćwiartki można było przesuwać. Podobnie jak podobne sekstanty astronomiczne , można ich używać w płaszczyźnie pionowej lub regulować w dowolnej płaszczyźnie.
Po ustawieniu na piedestale lub innym uchwycie można ich użyć do pomiaru odległości kątowej między dowolnymi dwoma ciałami niebieskimi.
Szczegóły dotyczące ich budowy i zastosowania są zasadniczo takie same, jak w przypadku sekstansów astronomicznych ; szczegółowe informacje znajdują się w tym artykule.
Marynarka wojenna: używany do pomiaru wysokości armaty statku, kwadrant musiał być umieszczony na czopie każdego działa, aby ocenić zasięg po załadowaniu. Odczyt został dokonany na szczycie rolki statku, działo wyregulowane i sprawdzone, ponownie na górze rolki, a on przeszedł do następnej armaty, aż wszystkie, które miały zostać wystrzelone, były gotowe. Poinformowano strzelca statku, który z kolei poinformował kapitana… Możesz strzelać, kiedy będziesz gotowy… przy następnym wysokim rzucie armata zostanie wystrzelona.
W bardziej nowoczesnych zastosowaniach kwadrant jest mocowany do pierścienia czopowego lub dużego działa morskiego, aby wyrównać go z punktami odniesienia przyspawanymi do pokładu statku. Ma to na celu upewnienie się, że wystrzał z pistoletu nie „wypaczył pokładu”. Płaska powierzchnia na działce montażowej lub wieży jest również sprawdzana na podstawie wzorców, aby upewnić się, że duże łożyska i / lub bieżnie łożysk nie uległy zmianie… w celu „skalibrowania” działa.
Dostosowywanie
W średniowieczu twórcy często dodawali modyfikacje, aby zaimponować osobie, dla której kwadrant był przeznaczony. W dużych, nieużywanych miejscach na instrumencie często dodawano pieczęć lub odznakę, aby wskazać własność ważnej osoby lub lojalność właściciela.
Zobacz też
- Maurice Daumas, Instrumenty naukowe XVII i XVIII wieku i ich twórcy , Portman Books, Londyn 1989 ISBN 978-0-7134-0727-3
Linki zewnętrzne
- z kwadrantu Guntera na temat kwadrantu Guntera (PDF)
- Kwadrant Guntera Symulacja kwadrantu Guntera (wymagana Java)
- Działający kwadrant w formie monety
- Ryszard II (1396) równogodzinny kwadrant horarny (zdjęcia):
| Kontrola władz : Biblioteki narodowe |
|---|
