Oktant (instrument)

Oktant. Ten instrument, oznaczony jako Crichton - London, sprzedawany przez J Berry, Aberdeen , wydaje się mieć hebanową ramę z podziałką z kości słoniowej , noniuszem i tabliczką sygnaturową. Ramię wskazujące i wsporniki lusterek są mosiężne. Zamiast używać teleskopu celowniczego, ten instrument ma pinnulę celowniczą.

Oktant , zwany także kwadrantem odbijającym , jest instrumentem odbijającym używanym w nawigacji .

Etymologia

Nazwa oktant wywodzi się od łacińskiego oktans oznaczającego ósmą część koła , ponieważ łuk instrumentu to jedna ósma koła.

Kwadrant odbicia wywodzi się z instrumentu wykorzystującego lustra do odbijania ścieżki światła do obserwatora, a tym samym podwaja mierzony kąt. Dzięki temu przyrząd może wykorzystać jedną ósmą obrotu do pomiaru ćwierćobrotu lub ćwiartki .

Pochodzenie oktanta

Odzwierciedlający kwadrant Newtona

Rysunek odbijającego kwadrantu Newtona. Od Brewstera (1855 , s. 243). AB – luneta celownicza CD – ramię wskazujące G – zwierciadło horyzontalne H – zwierciadło wskazujące PQ – łuk stopniowany

Isaaca Newtona został wynaleziony około 1699 roku. Szczegółowy opis instrumentu otrzymał Edmond Halley , ale opis ten został opublikowany dopiero po śmierci Halleya w 1742 roku. Nie wiadomo, dlaczego Halley nie opublikował informacji za jego życia , ponieważ uniemożliwiło to Newtonowi uzyskanie uznania za wynalazek, które jest powszechnie przypisywane Johnowi Hadleyowi i Thomasowi Godfreyowi .

Jeden egzemplarz tego instrumentu został skonstruowany przez Thomasa Heatha (twórcę instrumentów) i mógł być pokazywany w witrynie Heatha przed jego opublikowaniem przez Towarzystwo Królewskie w 1742 roku.

Instrument Newtona wykorzystywał dwa lustra, ale były one używane w układzie nieco innym niż dwa lustra występujące we współczesnych oktantach i sekstansach . Diagram po prawej stronie pokazuje konfigurację instrumentu.

Kąt 45° instrumentu (PQ) został wyskalowany z 90 działkami po pół stopnia. Każdy taki podział był podzielony na 60 części, a każda część dalej podzielona na szóste. Powoduje to, że łuk jest oznaczony w stopniach, minutach i szóstych częściach minuty (10 sekund). W ten sposób przyrząd mógł mieć odczyty interpolowane do 5 sekund kątowych. Ta precyzja podziałki jest możliwa tylko dzięki dużym rozmiarom instrumentu - sam teleskop celowniczy miał od trzech do czterech stóp długości.

. Po jednej stronie instrumentu zamontowano teleskop celowniczy (AB), długi na trzy lub cztery stopy Zwierciadło horyzontu zostało zamocowane pod kątem 45° przed soczewką obiektywu teleskopu (G). To lustro było wystarczająco małe, aby obserwator mógł zobaczyć obraz w lustrze po jednej stronie i zobaczyć bezpośrednio przed sobą po drugiej. Ramię wskazujące (CD) utrzymywało zwierciadło wskazujące (H), również pod kątem 45° do krawędzi ramienia wskazującego. Odbijające boki dwóch zwierciadeł były nominalnie zwrócone do siebie, tak że obraz widziany w pierwszym zwierciadle jest odbiciem od drugiego.

Szczegóły zwierciadeł w odbijającym kwadrancie Newtona, pokazujące ścieżki światła (czerwone) przez instrument. Ten obraz jest obrócony o 90° w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara w stosunku do powyższego.

Gdy dwa zwierciadła są równoległe, indeks wskazuje 0°. Widok przez teleskop widzi bezpośrednio przed sobą z jednej strony, a widok z lustra G widzi ten sam obraz odbity od lustra H (patrz szczegółowy rysunek po prawej). Gdy ramię wskaźnika zostanie przesunięte od zera do dużej wartości, lustro wskaźnika odbija obraz w kierunku odległym od bezpośredniej linii wzroku. Wraz ze wzrostem ruchu ramienia wskazującego linia wzroku lusterka wskazującego przesuwa się w kierunku S (w prawo na szczegółowym obrazie). To pokazuje niewielką wadę tego układu luster. Lustro horyzontalne zasłania widok lustra indeksowego pod kątem zbliżonym do 90°.

Długość teleskopu celowniczego wydaje się niezwykła, biorąc pod uwagę niewielkie rozmiary teleskopów na nowoczesnych instrumentach. Był to prawdopodobnie wybór Newtona sposobu zmniejszenia aberracji chromatycznych . Teleskopy krótkoogniskowe , przed wynalezieniem soczewek achromatycznych , powodowały aberrację na tyle dużym, że mogła wpływać na postrzeganie pozycji gwiazdy . Rozwiązaniem były długie ogniskowe, a ten teleskop prawdopodobnie miałby zarówno obiektyw o długiej ogniskowej, jak i okular o długiej ogniskowej . Zmniejszyłoby to aberracje bez nadmiernego powiększenia.

Wynalazcy oktantu

Dwóch mężczyzn niezależnie opracowało oktant około 1730 r.: John Hadley (1682–1744), angielski matematyk i Thomas Godfrey (1704–1749), szklarz z Filadelfii . Chociaż obaj mają uzasadnione i równe roszczenia do wynalazku, Hadley generalnie otrzymuje większą część zasługi. Odzwierciedla to centralną rolę, jaką Londyn i Towarzystwo Królewskie odegrały w historii instrumentów naukowych w XVIII wieku.

Dwaj inni, którzy stworzyli oktanty w tym okresie, to Caleb Smith, angielski broker ubezpieczeniowy, bardzo zainteresowany astronomią (w 1734 r.) oraz Jean-Paul Fouchy, profesor matematyki i astronom we Francji (w 1732 r. ) .

wersje Hadleya

odbijający kwadrant Hadleya. Instrument ten ma formę odzwierciedlającego kwadrantu Newtona z 1699 roku

Hadley stworzył dwie wersje odbijającego kwadrantu. Tylko drugi jest dobrze znany i jest znanym oktantem.

odbijający kwadrant Hadleya

Pierwszy odbijający kwadrant Hadleya był prostym urządzeniem z ramą obejmującą łuk 45 °. Na obrazku po prawej stronie, z artykułu Hadleya w Philosophical Transactions of the Royal Society, widać naturę jego projektu. Na ramie po jednej stronie zamontowano mały lunetę celowniczą. W punkcie obrotu ramienia indeksu zamontowano jedno duże lusterko indeksujące. Drugie, mniejsze lustro horyzontu został zamontowany na ramie w linii wzroku teleskopu. Lustro horyzontalne pozwala obserwatorowi zobaczyć obraz lustra indeksowego w jednej połowie widoku i zobaczyć odległy obiekt w drugiej połowie. Cień został zamontowany na wierzchołku instrumentu, aby umożliwić obserwację jasnego obiektu. Cień obraca się, aby umożliwić mu usunięcie się z drogi podczas obserwacji gwiazd.

Obserwując przez teleskop, nawigator dostrzegłby jeden obiekt bezpośrednio przed sobą. Drugi obiekt byłby widoczny dzięki odbiciu w lustrze horyzontu. Światło w lustrze horyzontu odbija się od lustra indeksu. Poruszając ramieniem wskazującym, lustro wskazujące może ujawnić dowolny obiekt do 90° od bezpośredniej linii wzroku. Gdy oba obiekty znajdują się w tym samym widoku, wyrównanie ich ze sobą pozwala nawigatorowi zmierzyć odległość kątową między nimi.

Bardzo niewiele oryginalnych projektów kwadrantów odbijających zostało kiedykolwiek wyprodukowanych. Jeden, skonstruowany przez Baradelle, znajduje się w zbiorach Musée de la Marine w Paryżu.

Oktant Hadleya

Oktant Hadleya. Ma to formę znaną tym, którzy widzieli sekstans.

Drugi projekt Hadleya miał formę znaną współczesnym nawigatorom. Zdjęcie po prawej stronie, również zaczerpnięte z jego publikacji Royal Society, pokazuje szczegóły.

Umieścił lusterko wskazujące na ramieniu wskazującym. Dostarczono dwa lusterka horyzontu . Górne zwierciadło, w linii lunety celowniczej, było wystarczająco małe, aby teleskop mógł widzieć bezpośrednio przed sobą, a także widzieć odbity widok. Odbity widok był widokiem światła z lustra indeksowego. Podobnie jak w poprzednim instrumencie, układ zwierciadeł pozwalał obserwatorowi jednocześnie widzieć obiekt na wprost i widzieć odbity w zwierciadle wskazującym do zwierciadła horyzontu, a następnie do teleskopu. Poruszanie ramieniem wskazującym pozwoliło nawigatorowi zobaczyć dowolny obiekt w promieniu 90 ° od bezpośredniego widoku.

Istotna różnica w tym projekcie polegała na tym, że lusterka pozwalały na trzymanie instrumentu w pionie, a nie w poziomie, i zapewniały więcej miejsca na konfigurację luster bez wzajemnego zakłócania się.

Ciekawą innowacją było drugie lustro horyzontalne. Teleskop można było zdjąć. Można go było ponownie zamontować, aby teleskop oglądał drugie lustro horyzontu z przeciwnej strony ramy. Montując dwa zwierciadła horyzontu pod kątem prostym względem siebie i umożliwiając ruch teleskopu, nawigator mógł mierzyć kąty od 0 do 90° za pomocą jednego zwierciadła horyzontu i od 90° do 180° za pomocą drugiego. To sprawiło, że instrument był bardzo wszechstronny. Z nieznanych powodów ta funkcja nie została zaimplementowana w oktantach w powszechnym użyciu.

Porównując ten instrument do zdjęcia typowego oktanta na górze artykułu widać, że jedyne znaczące różnice w bardziej nowoczesnym designie to:

Położenie zwierciadła horyzontu i teleskopu lub kręgli obserwacyjnych jest niższe.
Wewnętrzne usztywnienie ramy jest bardziej centralne i solidne.
Położenie kloszy lusterka indeksu znajduje się na ścieżce między lusterkami indeksu i horyzontu, a nie na górze instrumentu.
Używa się wielu odcieni, aby umożliwić różne poziomy cieniowania.
Na lustrze horyzontu znajdują się oddzielne osłony, które umożliwiają obserwację nisko położonego słońca przy bardzo jasnym horyzoncie.
Drugie lustro horyzontalne i towarzysząca mu alidada nie są dostarczane.

Astroskop Smitha

Rysunek astroskopu Smitha lub kwadrantu morskiego

Caleb Smith, angielski broker ubezpieczeniowy, bardzo zainteresowany astronomią, stworzył oktant w 1734 roku. Nazwał go Astroscope lub Sea -Quadrant . Jego użył stałego pryzmatu oprócz lustra wskazującego, aby zapewnić elementy odblaskowe. Pryzmaty zapewniają przewagę nad lustrami w czasach, gdy polerowane metalowe lusterka wziernikowe były gorsze, a zarówno srebrzenie lustra, jak i produkcja szkła o płaskich, równoległych powierzchniach była trudna.

Na rysunku po prawej stronie elementem horyzontu (B) może być lustro lub pryzmat. Na ramieniu wskazującym lusterko wskazujące (A) obracało się wraz z ramieniem. Na ramie (C) zamontowano lunetę celowniczą . Indeks nie używał noniusza ani innego urządzenia na skali (D). Smith nazwał ramię wskazujące instrumentu etykietą , podobnie jak Elton dla kwadrantu marynarza .

Różne elementy konstrukcyjne instrumentu Smitha sprawiły, że był on gorszy od oktanta Hadleya i nie był znacząco używany. Na przykład jednym z problemów z astroskopem był kąt linii wzroku obserwatora. Patrząc w dół, miał większe trudności z obserwacją niż orientacja z głową w normalnej orientacji.

Zalety oktanta

Odwrotna strona oktanta. Ta strona nie jest często widywana na zdjęciach. Po prawej stronie widać śrubę radełkowaną do regulacji lustra horyzontalnego. U góry jedna ze nóżek, na których spoczywa oktant w swojej kopercie, znajduje się tuż pod osią ramienia wskazującego. Po lewej stronie wyraźnie widoczny notatnik. Ten mały kawałek kości słoniowej w kształcie zwornika, niewiele większy od paznokcia, był używany przez nawigatora do zapisywania swoich odczytów.

Oktant zapewniał szereg zalet w porównaniu z poprzednimi instrumentami.

Widok był łatwy do wyrównania, ponieważ horyzont i gwiazda wydają się poruszać razem, gdy statek kołysze się i kołysze. Stworzyło to również sytuację, w której błąd obserwacji był mniej zależny od obserwatora, ponieważ mógł on bezpośrednio widzieć oba obiekty jednocześnie.

Przy wykorzystaniu dostępnych w XVIII wieku technik wytwórczych instrumenty pozwalały na bardzo dokładny odczyt. Rozmiar instrumentów został zmniejszony bez utraty dokładności. Oktant może być o połowę mniejszy od kwadrantu Davisa bez wzrostu błędu.

Używając cieni nad ścieżkami światła, można było bezpośrednio obserwować słońce, podczas gdy przesunięcie cieni ze ścieżki światła pozwoliło nawigatorowi obserwować słabe gwiazdy. Dzięki temu instrument nadawał się do użytku zarówno w dzień, jak iw nocy.

Do 1780 r. oktant i sekstant prawie całkowicie wyparły wszystkie poprzednie instrumenty nawigacyjne.

Produkcja oktanta

Wczesne oktanty były budowane głównie z drewna, a późniejsze wersje zawierały elementy z kości słoniowej i mosiądzu. Najwcześniejsze lustra były z polerowanego metalu, ponieważ technologia produkcji posrebrzanych luster szklanych o płaskich, równoległych powierzchniach była ograniczona. Wraz z poprawą technik polerowania szkła zaczęto dostarczać szklane lustra. Te używane powłoki z amalgamatu cyny zawierającego rtęć; powłoki ze srebra lub aluminium były dostępne dopiero w XIX wieku. Słaba jakość optyczna wczesnego polerowanego metalu wziernika lusterka oznaczały, że celowniki teleskopowe nie były praktyczne. Z tego powodu większość wczesnych oktantów wykorzystywała zamiast tego prostą pinnulę do obserwacji gołym okiem.

Szczegóły dotyczące oktanta. To zdjęcie pokazuje podziałkę i koniec ramienia indeksu z noniuszem. Śruba radełkowana służąca do blokowania pozycji ramienia indeksu jest widoczna pod ramieniem indeksu, natomiast śruba radełkowana służąca do precyzyjnej regulacji ramienia znajduje się po lewej stronie. Na prawo od wartości 50 na skali głównej wygrawerowane jest logo SBR. Skala jest bezpośrednio wyskalowana w stopniach i trzecich stopnia (20'). Noniusz może podzielić odstępy 20' do najbliższej minuty kątowej.

Wczesne oktanty zachowały niektóre cechy wspólne dla backstaves , takie jak poprzeczki na skali. Jednak zgodnie z wygrawerowaniem pokazali, że instrument ma pozorną dokładność zaledwie dwóch minut łuku, podczas gdy tyczka wydawała się być dokładna do jednej minuty. Zastosowanie noniusza pozwoliło na odczyt skali z dokładnością do jednej minuty, co poprawiło zbywalność instrumentu. To oraz łatwość wykonywania noniuszy w porównaniu z poprzecznymi prowadzi do przyjęcia noniusza na oktantach wyprodukowanych później w XVIII wieku.

Oktanty były produkowane w dużych ilościach. Z drewna i kości słoniowej ich stosunkowo niska cena w porównaniu z sekstantem wykonanym w całości z mosiądzu sprawiła, że stały się popularnym instrumentem. Projekt został ujednolicony z wieloma producentami stosującymi identyczny styl ramy i komponenty. Różne sklepy mogły wytwarzać różne elementy, przy czym stolarze specjalizowali się w ramach, a inni w elementach mosiężnych. Na przykład Spencer, Browning and Rust, producent instrumentów naukowych w Anglii w latach 1787-1840 (działający jako Spencer, Browning and Co. po 1840 r.) Używał dzielnika Ramsdena do produkcji stopniowanych łuski w kolorze kości słoniowej. Były one szeroko stosowane przez innych, a SBR można było znaleźć na oktantach wielu innych producentów.

Przykłady tych bardzo podobnych oktantów znajdują się na zdjęciach w tym artykule. Obraz u góry to zasadniczo ten sam instrument, co na szczegółowych zdjęciach. Pochodzą one jednak od dwóch różnych producentów instrumentów — cholewka jest oznaczona jako Crichton – London, Sold by J Berry Aberdeen, podczas gdy szczegółowe zdjęcia przedstawiają instrument firmy Spencer, Browning & Co. London . Jedyną oczywistą różnicą jest obecność odcieni horyzontu na oktancie Crichtona, których nie ma na drugim.

Detale oktanta przedstawiające pinnulę celowniczą z podwójnymi otworami. Widoczna jest również mała osłona, która może blokować jeden lub drugi z otworów. Lustro horyzontu znajduje się po przeciwnej stronie instrumentu. Lewa strona jest przezroczysta, a amalgamat cyny po stronie lustrzanej całkowicie skorodował i nie odbija już światła. Tylna część uchwytu lustra indeksowego znajduje się u góry, a pomiędzy dwoma lustrami znajdują się trzy okrągłe szklane klosze w kwadratowych ramach.

Te oktanty były dostępne z wieloma opcjami. Najtańsze były podstawowe oktanty z podziałką bezpośrednio na drewnianej ramie. Zrezygnowano z celownika teleskopowego, zamiast tego użyto pinnula celowniczego z jednym lub dwoma otworami. Łuski z kości słoniowej podniosłyby cenę, podobnie jak użycie mosiężnego ramienia wskazującego lub noniusza.

Upadek oktanta

W 1767 roku pierwsze wydanie The Nautical Almanac zawiera tabelaryczne odległości księżycowe , umożliwiające nawigatorom znalezienie aktualnego czasu na podstawie kąta między słońcem a księżycem. Kąt ten jest czasami większy niż 90 °, a zatem nie można go zmierzyć za pomocą oktanta. Z tego powodu admirał John Campbell , który prowadził eksperymenty na pokładzie statku z metodą odległości księżycowej, zasugerował większy instrument i opracowano sekstans .

Od tego czasu sekstant był instrumentem, który przeszedł znaczny rozwój i ulepszenia i był instrumentem wybieranym przez nawigatorów morskich. Oktant był produkowany aż do XIX wieku, chociaż był to generalnie mniej dokładny i tańszy instrument. Niższa cena oktanta, w tym wersji bez lunety, sprawiła, że stał się on praktycznym instrumentem na statkach floty handlowej i rybackiej.

Jedną z powszechnych praktyk wśród nawigatorów do końca XIX wieku było używanie zarówno sekstantu, jak i oktanta. Sekstans był używany z dużą ostrożnością i tylko dla księżyców , podczas gdy oktant był używany do rutynowych codziennych pomiarów wysokości południkowej Słońca. To ochroniło bardzo dokładny i droższy sekstans, jednocześnie używając tańszego oktanta tam, gdzie dobrze się sprawdza.

Oktant bąbelkowy

Od wczesnych lat trzydziestych do końca lat pięćdziesiątych XX wieku wyprodukowano kilka rodzajów cywilnych i wojskowych instrumentów oktanowych do użytku na pokładzie samolotów. Wszystkie były wyposażone w sztuczny horyzont w kształcie bańki, który był wyśrodkowany, aby wyrównać horyzont dla nawigatora lecącego tysiące stóp nad ziemią; niektóre miały funkcje nagrywania.

Użytkowanie i regulacja

Używanie i regulacja oktanta jest zasadniczo identyczna z sekstansem nawigatora .

Inne instrumenty odbijające

Kwadrant Hadleya nie był pierwszym kwadrantem refleksyjnym. Robert Hooke wynalazł kwadrant odbijający w 1684 r. I pisał o tej koncepcji już w 1666 r. Kwadrant Hooke'a był instrumentem z pojedynczym odbiciem. Inne oktanty zostały opracowane przez Jean-Paula Fouchy'ego i Caleba Smitha na początku lat trzydziestych XVIII wieku, jednak nie stały się one znaczące w historii instrumentów nawigacyjnych.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Media związane z Octants w Wikimedia Commons