Цікава навігація
Сайт створений для тих, хто мріє побудувати яхту своїми руками - яхту своєї мрії.
Цікава навігація. Частина 7. Путівники.
Раніше ми обговорили проблеми, що виникають під час створення карти, придатної для морської навігації. Втім, це вже не наші складнощі – на руках у нас готовий паперовий лист, що відображає на площині якусь ділянку сферичної земної поверхні. Але як визначити, в якій точці цієї карти ми знаходимося, особливо у відкритому морі, де навколо тільки вода і якісь наземні орієнтири відсутні?
Класичний приклад вирішення цього завдання за відсутності штурманських інструментів наведено у романі Жюля Верна «Таємничий острів». Використовуючи як кутомірний інструмент дві палички, з'єднані шипом акації, і здійснивши обчислення гострою раковиною на плоскому камені, безжурні герої роману визначили з точністю плюс - мінус 150 миль (або 2,5 градуса) координати невідомого острова, на який заніс їх повітря.
Спочатку вони визначили кутову висоту над горизонтом зірки Альфа Південного Хреста та після необхідних поправок вирахували широту (нагадаємо, справа відбувалася у південній півкулі). Розрахувати довготу вони зуміли завдяки наявності хронометра, що справно йде. Хронометр зберіг час меридіана, який був прийнятий за нульовий, і дозволив знайти різницю в часі настання півдня на нульовому меридіані та меридіані острова. Знаючи, що Сонце у своєму уявному русі проходить 15 градусів на годину, мандрівники легко отримали потрібний результат.
Кишеньковий хронометр виявився єдиним точним приладом, доступним для островитян. Але, маючи широкі знання, практичні навички і, говорячи по-сучасному, готовність креативно вирішувати ті, хто стоїть передними проблеми, вони досягли успіху. Однак надійне та точне визначення координат у морських умовах потребує застосування спеціальних штурманських приладів.
Насамперед для виміру висот небесних тіл необхідний кутомірний інструмент, і протягом століть людство випробувало в його якості безліч різноманітних пристроїв, починаючи з найпростіших. На суші для обчислення кутової висоти Сонця (головної дороговказу давніх навігаторів) годилася просто вертикальна жердина, і основою для розрахунків ставало співвідношення його висоти і довжини тіні, що відкидається ним. Цей метод використовувався і мореплавцями, але він підходив лише для тихої сонячної погоди та не годився для пеленгування навігаційних зірок. А вимірювати висоти світил доводилося за найрізноманітніших умов – за хитавиці, серпанку, в сутінках.
Майже дві тисячі років основним кутомірним інструментом навігаторів була астролябія (від грецьких слів «зірка» та «беру»). Передбачається, що астролябія була відома класику астрономії Клавдію Птолемею ще у ІІ. н. е. До VIII ст. вона поширена арабському Сході, і з початку другого тисячоліття – у Європі. Астролябія у загальному вигляді являла собою коло з нанесеними на нього шкалами для відліку та невеликим кільцем угорі для підвішування. У центрі кола на осі оберталася візирна лінійка або алідада (рис. 1).
Для визначення висоти світила астролябію підвішували за верхнє кільце, один учасник вимірів наводив візири на небесне тіло, інший знімав відлік. Для більшої стійкості до вітру та хитавиці астролябію ускладнювали, але й цього бувало недостатньо – доводилося залучати третього помічника, який тримав інструмент за кільце.
Для досягнення найбільшої точності цей прилад має бути досить великим.масивним, але в музеях світу зберігається чимало «кишенькових» астролябій, виготовлених із золота та прикрашених вигадливим різьбленням – загалом, у ті часи астролябія служила не лише практичним цілям, а й була свідченням високого статусу її власника, на кшталт сучасних дорогих мобільних телефонів або наручних годинників. .
А «наворочені» моделі тих часів являли собою справжні комп'ютери, тільки механічні – завдяки набору поворотних дисків з нанесеними на них хитромудрими шкалами можна було робити безліч різноманітних обчислень (зокрема, тригонометричних функцій) і навіть складати гороскопи!
Найпростішу астролябію можна зробити і самому – якщо не із золота, то хоча б із картону (рис. 2). Вкрай прості у виготовленні і такі кутомірні інструменти давнини, як квадрант (рис. 3), а також градшток, він же «Посох Якова» (рис. 4), званий так на ім'я винахідника Якова бен Макіра і досить зручний і точний при використанні в морських умов. Учасники знаменитої експедиції Тура Хейєрдала на папірусному вітрильнику «Ра» успішно використовували для визначення широти саморобний «носометр» з кількох дощок – щось середнє між астролябією та квадрантом (рис. 5). Однак тільки поява секстану в руках штурмана дозволила впевнено і точно вимірювати вертикальні, а за потреби і горизонтальні кути.
Секстан, або секстант (допускаються обидва написання) – кутомірний інструмент, який використовується для вимірювання величини кута між двома видимими об'єктами. Істотною особливістю його і те, що візування предметів, між якими вимірюється кут, здійснюється одночасно. Для цього необхідно поєднати зображення обох об'єктів, що спостерігаються (наприклад, горизонту і сонячного диска) за допомогою відображенняодного з них у поворотному дзеркалі (рис. 6). (Нижнє, тобто нерухоме дзеркало поєднане з прозорим склом, що й дозволяє одночасно бачити в окулярі обидва візовані об'єкти – один «безпосередньо», а інший у вигляді відображення, що посилається поворотним дзеркалом).
Для визначення напрямку вертикалі (штучного горизонту) у сучасних секстанах служить рідинний рівень або гіроскоп, що дозволяє використовувати прилад, не спостерігаючи природну лінію горизонту – наприклад, якщо вона затягнута серпанком.
Дві людини незалежно одна від одної винайшли секстан: у 1731 р. англійський механік та астроном Джон Гадлей та у 1732 р. американський винахідник Томас Годфрі. Назва приладу пов'язана з тим, що довжина шкали секстану становить 1/6 від повного кола, або 60°.
Отже, вимірявши висоту над горизонтом Сонця чи іншої навігаційної зірки, можемо обчислити географічну широту. Насправді доведеться доповнити отриманий відлік деякими поправками, враховуючи похибки інструменту, умови, час і дату вимірів.
Точно визначити довготу місця по різниці між місцевим кутом годинника світила і його значенням на момент спостережень для меридіана Грінвіча до недавнього часу можна було, тільки використовуючи хронометр. Перший хронометр був сконструйований в 1735 р. Д. Гаррісон, але пріоритет англійця оспорюють французи, стверджуючи, що сучасний хронометр приблизно тоді ж винайдений їх співвітчизником Леруа.
Знаючи наші координати, ми можемо прокласти на карті найкоротший і найбезпечніший шлях до потрібної нам точки. За допомогою транспортира, використовуючи нанесені на карту меридіани, ми намітимо, яким курсом маємо пливти. А як, говорячи поморському, лягти на цей курс вашому судну? І від чого відміряти напрямки на море, коли і берегів невидно?
Визначення напрямів у морі стало найважливішим завданням людини з перших спроб освоєння водної стихії. І дуже давно люди зрозуміли, що робити це на поверхні Землі найнадійніше за небесними орієнтирами. Першим таким орієнтиром стало Сонце. Виявивши строгу закономірність його видимого добового та річного руху, ще в давнину по Сонцю стали визначати сторони світла.
Напрямок схід-захід був головним в античному світі. На дві частини – східну (денну) та західну (нічну) ділив Землю Гомер. З початком християнської ери зі східною стороною пов'язувалося очікуване друге пришестя Христа та напрямок, у якому знаходиться біблійний рай. До середньовіччя відлік напрямів починався від східного.
До речі, історики, які вивчали скандинавські саги про плавання вікінгів, виявили, що стародавні мореплавці вміли орієнтуватися Сонцем, навіть коли воно було закрите хмарами. Для цього вони дивилися на небо через спеціальний «сонячний камінь» – мабуть, прозорий мінерал, що має поляризаційні властивості і дозволяв визначити, в якому напрямку там знаходиться Сонце.
Також дуже давно, спостерігаючи нічне обертання небесного склепіння, мандрівники помітили, що вісь цього обертання проходить дуже близько від зірки з сузір'я Малої Ведмедиці, зірочки не найяскравішої у північній частині небосхилу, але примітною сталістю свого місця розташування на нічному небі. Знайти її в ясну погоду неважко - головне, не переплутати Малу Ведмедицю з Великою, яку слід використовувати лише як орієнтир (рис. 7).
Китайці називали цю зірку «Єдиним небом», а в усьому світі до її назви додавали «Путівна». І коли сформувалося уявлення про полюси Землі, розташована майже надПівнічним полюсом зірка стала називатися Полярною. Завдяки постійності на небосхилі Полярна зірка багато століть служить і для обчислення широти місця спостерігача, про що ми говорили раніше, і для відліку напрямків.
У різних країнах у минулому головними вважали різні сторони світу – схід у Стародавній Греції, південь у Китаї, де навіть про «Єдине небо» говорили, що вона «дивиться» на південь (очевидно, з півночі?). Сучасні навігатори ведуть відлік від напряму на Північний полюс, причому тривалий час існувало переконання, що це напрямок на Полярну зірку.
Здавалося б, на що шкіперу маломірного судна всі ці «зіркові премудрості»? Дійсно, навряд чи ви станете обзаводитися секстаном і ламати голову над перекладними таблицями, перебуваючи порівняно неподалік берега. Зрештою, є GPS, доступний у наші дні навіть простому грибнику. Однак час від часу піднімати голову до небес все ж таки варто.
Саме з тієї причини, що плаваєте ви в тому самому більш менш локальному районі, «прив'язати» положення Сонця до сторін світла в різний час доби і року досить нескладно. Якщо ви запам'ятаєте його денний хід, це може послужити добру службу. Не виключена ймовірність того, що новомодна техніка в найвідповідальніший момент відмовить (наприклад, через банальну розрядку батарейок), і за відсутності компаса тільки Сонце вкаже вам шлях додому – скажімо, якщо у вузькій шхері з одноманітними берегами ви не можете збагнути, де вхід, а де вихід (на річці, принаймні, допоможе напрямок течії!).
Як і у випадку з Полярною зіркою, люди дуже довго вважали, що стрілка компаса вказує точно на північ. Більшість істориків науки вважає, що компас вигадали китайці, хоча існує думка, що вінзастосовувався моряками Середземномор'я ще за часів Карфагена і взагалі був занесений на схід воїнами Олександра Македонського.
У всякому разі, явище магнетизму було відкрито задовго до нашої ери. Греки пов'язували це явище з ім'ям Геракла, а китайці міркували про материнську любов магніту до заліза. У Європі навіть існувало повір'я, ніби прибережні скелі з магнітного залізняку притягують до себе кораблі, що мають залізні деталі, і можуть витягати з їхніх корпусів цвяхи, що скріплюють, через що кораблі розвалюються і гинуть.
Судячи з найдавнішого опису компаса, що дійшов до нас, він являв собою яйцеподібний шматок магнетиту, поміщений в ложечку, що лежить на відполірованій бронзовій пластині. Магнетит встановлював ложечку вздовж лінії північ-південь. Багато століть тому з'явилися конструкції, у яких зменшення тертя магнітна стрілка підвішувалась на нитки, встановлювалася на кінчику вертикальної голки чи плавала в рідини, прикріплена до поплавця. До речі, останній варіант можете зробити самі – діти будуть у захваті!
Треба лише намагнітити голку або шматок скріпки (або постійним магнітом, або за допомогою імпровізованої котушки індуктивності зі шматка тонкого дроту і батарейки), встромити стрілку в шматок пробки і помістити в чашку з водою - найпростіший компас готовий (рис. 8).