X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Определение местонахождения для достижения цели. Древние и современные методы в морской астрономии
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Перед человеком, который рискнул выйти в море, всегда возникал вопрос: где он находится и в каком направлении ему следует плыть, чтобы достичь цели? На идею данной исследовательской работы меня подтолкнул просмотр фильма "Два капитана". Если бы у отважных моряков-первопроходцев были современные средства навигации, то, наверное, отважный капитан Татаринов остался бы в живых, и сделал бы много открытий для своего Отечества.
Астрономия - одна из древнейших наук, заниматься которой ученые стали еще до нашей эры. Одной из основных задач морской астрономии является определение местоположения судна по отношению их к небесным светилам. Наблюдение звездного неба велись еще в глубокой древности для применения небесных ориентиров при сухопутных и морских путешествиях. Среди наук судовождения обязательна и наука об определении места судна в море астрономическими способами с помощью соответствующих инструментов, которая и получила название мореходной астрономии. В мореходной астрономии используют инструменты и методы, которые отличаются от тех, которые применяются на берегу, так как наблюдение производится на судне в открытом море.
Простая инструментальная база - секстан, звездный глобус, хронометр, также два-три пособия и калькулятор обеспечивают дешевизну и автономность астрономических обсерваций от энергетических систем судна. Основная их область применения - измерение высот светил секстаном - остается неизменной в течение сотен лет. Она граничит с искусством и традиционно является предметом профессиональной гордости моряков.
Вышеизложенное определяет актуальность данной проблемы, поэтому предметом изучения я выбрал «Мореходную астрономию».
Цель работы - исследовать историю развития приборов для измерения высоты светил и современные спутниковые системы навигации.
Объект исследования - приборы для астрономических наблюдений, которые использовались ранее и используются сейчас в морской навигации.
Гипотеза состоит в предположении того, что современные спутниковые системы не всегда являются надежными в морской навигации, поэтому есть необходимость в определении местонахождения судна в морских пространствах с помощью секстана, хронометра.
Задание:
- Проанализировать литературу по проблеме исследования;
- Изучить принцип работы приборов, используемых в морской астрономии;
- Выявить преимущества современных GPS приемников;
Для решения поставленных задач использовал следующие методы:
- Анализ литературы по данной теме;
-Изучение опыта, накопленного в практике морской навигации путем наблюдений, бесед со специалистами;
- Исследовательская работа «Определение местоположения судна».
Основная часть
Раздел I. Развитие морской астрономии до второй половины XVIII в.
1.1. У истоков мореплавания
История мореплавания насчитывает более 6000 лет и такую же древнюю историю имеет искусство навигации. Средства и методы этого определения складывались веками. Уже древнегреческие мореплаватели использовали простейшие, весьма приближенные методы определения корабля по небесным светилам. Сначала морякам помогали ориентироваться знакомые очертания берегов. От мыса до мыса, от одного примечательного ориентира к другому продвигаться было удобно и надежно. Близость берега нередко была и опасна - прибрежные скалы, рифы и водовороты постоянно угрожали неприятностями. В таких районах мореплаватели не могли обойтись без сигналов, подаваемых с суши. На береговых возвышенностях стали зажигать костры, дым которых был далеко видно днем, а огонь - и ночью.
Осуществляя свои первые плавания, человек внимательно всматривался в окружающий мир. Они замечали, что вода у берега имеет другой цвет, чем вдали от них - на отмелях она светлее, что тучи сгущаются чаще над влажными лесами и тому подобное. Наблюдение за изменчивостью природы непрерывно обогащали человека знаниями и навыками и помогали ему совершенствоваться в ориентировании. А это, в свою очередь, способствовало развитию мореплавания в целом.
Часто древние мореплаватели брали с собой клетки с птицами. Если корабль терялся в море, то моряки периодически выпускали птицу (часто - черного ворона). Если ворон возвращался, значит суши поблизости нет, а если он улетал в определенном направлении - то корабль следовал по ней.
Отправляясь в морское путешествие, днем, при свете солнца, мореплаватели ориентировались по своеобразным солнечным часам - деревянной конструкции, которая, видимо, указывала стороны света. А что делали древние штурманы, когда на небе стояли облака или над водой поднимался плотный туман, что загораживает солнце? Считают, что на помощь приходил таинственный камень. Ученые долго ломали голову над секретом таинственного «солнечного камня». Даже его существования подвергалось сомнению. Однако датчанин Туркильд Раскоу доказал, что такими свойствами «видеть» солнце из-за туч может обладать минерал с хорошо выраженной металлической структурой. Интересно, что одни ученые утверждают, что этот камень - кордиерит, а другие - исландский шпат. Эксперименты показали, что с его помощью можно определить направление по Солнцу – при повороте к нему камень окрашивался в желтый цвет, а если он находился далеко от Солнца – в голубоватый.
Таким образом, мореплавание без помощи специальных инструментов достигло в древние времена совершенства. О более точное плавание тогда и помыслить не могли.
С течением времени астрономические приборы («Палочка Леви», градшток, астролябия, квадрант) и методы их применения совершенствовались, особенно в эпоху великих географических открытий XV и XVI вв., когда корабли всего мира осваивали неизведанные просторы океанов.
1.2 Обзор древнейших угломерных мореходных инструментов
1.2.1 «Палочка Леви» и градшток.
Как известно, понятие географической широты и долготы для однозначного определения местоположения на поверхности Земли, впервые возникли в Древней Греции. Днем в полдень широту определяли по длине солнечной тени, ночью - по высоте определенных звезд над горизонтом.
В 1342 году математиком Леви Бен Гершоном впервые был описан прибор, впоследствии названный «Палочка Леви» (рис.1). Называемая также «арбалет», она была простым, но хитроумным приспособлением, с помощью которого можно измерять относительную высоту Солнца в зените относительно линии горизонта. Благодаря таблицам Закутини и Визиньо (1465), которые использовались одновременно, можно было определить с точностью до одного или двух градусов широты свое место расположения.
Первые научно обоснованные методы определения широты (по высоте Полярной звезды и по высоте Солнца в полдень) появляются в период великих географических открытий XV-XVIII вв .
Для измерения высот с палубы судна, находящегося в море, применялись специальные угломерные инструменты - градшток, астролябия, квадрант.
Градшток один из первых угломерных инструментов, который был, пожалуй, известный еще древним астрономам (рис.2). Мореплаватели стали им пользоваться где-то в XV в. По крайней мере градшток уже имелся в каравеллах Колумба и Васко да Гама.
Древний градшток состоял из двух взаимно перпендикулярных рельсо-штока длиной 90 см и поперечной крестовины, плотно прилегает к штоку и скользящей по нему под прямым углом. Длина крестовины была несколько более 65 см для того, чтобы расстояние между отверстиями на ее концах составляло точно 65 см. На конце штока была укреплена мушка.
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, выходили довольно приблизительными.
1.2.2 Астролябия и квадрант.
В начале XVI века широкое распространение получил другой угломерный инструмент, тоже простой, хотя и более приспособлен для измерения высот, чем градшток - астролябия (рис.3). Астролябия представляла собой диск из меди или жести около 6 мм толщиной и 15-17 см в диаметре. В измерении высот с помощью астролябии обычно участвовали три человека: 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.
Наряду с использованием астролябии европейские мореплаватели стали использовать и квадрант (рис.4). Изобретателями нового квадранта для моряков были, скорее всего арабы. Они создали инструмент для определения высот небесных светил над горизонтом в условиях судна. Он представлял собой деревянный сектор с дугой в четверть круга. В вершине сектора закреплялся отвеса в виде тонкой шелковой нити со свинцовым грузом. Наблюдения с помощью квадранта вели вдвоем. Один держал квадрант так, чтобы он находился в вертикальной плоскости, совпадающей с направлением на светило, а второй снимал отсчет. В плохую погоду он был очень неточен и для того, чтобы с его помощью вести расчеты, приходилось приставать к берегу, так как использование становилось почти невозможным в открытом море, когда даже легкое волнение препятствовало правильной установке инструмента.
1.2.3.Октан и секстан
В первой половине XVIII столетия был сконструирован принципиально новый угломерный прибор, основанный на законах отражения света, и назван октаном, так как его угломерная часть составляла 1/8 (45˚) круга. Затем появился секстан, который, потерпев много усовершенствований, исправно служит морякам и сегодня.
В 1757 г. капитан английского флота Джон Кэмпбелл, один из первых, кто начал на практике использовать октан, предложил увеличить сектор от 45 до 60 °, чтобы им можно было измерять углы до 120 °.
С этих пор инструмент стали называть секстаном (от лат. Sexstans - шестая часть круга).
Поскольку хорошие зеркала в то время делать еще не умели и трудно было обеспечить их параллельность, отражены изображения были нечеткими и двоились. Пытались заменить стеклянные зеркала металлическими, но соленый воздух быстро приводил их в негодность, несмотря ни на какие попытки защитить их, в том числе и с помощью специальных кожаных или деревянных чехлов.
Было много попыток усовершенствовать конструкцию секстана. Таким образом впоследствии удалось создать инструмент, который был достаточно легкий, удобный в использовании, не требовал особых условий хранения и удовлетворял требованиям по точности измерений. С его изобретением значительно повысилась точность определения широты места, а с появлением на кораблях хронометра - и местоположения судна в море.
2. Исследовательская работа «Определение местоположения судна»
Исследовательская работа проводилась в акватории Черного моря неподалеку мыса Херсонес на прогулочном катере «Мечта» 23 июля в 10.00.
Цель работы заключалась в сравнении определения местоположения катера (географических координат - долготы и широты) с помощью современных GPS приемников и секстана.
Для исследовательской работы использовался GPS приемник, по данным которого было установлено, что катер находится по следующим координатам: 44˚35' с.ш.33˚22 'в.д.
Перед тем, как определить местонахождение судна по секстану, я предварительно ознакомился с его строением.
На рис.5, представленный общий вид секстана, который состоит из металлической или пластмассовой рамы 1 в форме сектора. На раме расположен лимб 3 с градусными делениями, а по торцу дуги нарезана зубчатая рейка 4. На левом радиусе рамы укреплены недвижимое малое зеркало 10 и светофильтры 9. Есть две трубы 12-ночная труба, 13-астрономическая (дневная) труба.
Секстан хранят в закрытом деревянном ящике с крышкой; его устанавливают ножками в специальные гнезда и крепят стопором, проходящей через отверстия в рукоятке. Секстан следует оберегать от толчков, ударов, от воздействия 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 запотевании, их осторожно протирают чистой фланелевой тряпочкой, которая должна находиться в каждом комплекте секстана.
Главная особенность, которая позволила секстану вытеснить астролябию, заключается в том, что при его использовании положения астрономических объектов измеряются относительно горизонта, а не относительно самого инструмента. Это дает большую точность (рис 6).
При наблюдении через секстант, горизонт и астрономический объект сочетаются в одном поле зрения, и остаются неподвижными относительно друг друга, даже если наблюдатель находится на корабле, который движется. Это происходит, потому что секстант показывает неподвижный горизонт прямо, а астрономический объект - сквозь два противоположных зеркала.
Перед измерением высот секстан следует подготовить к наблюдениям: провести его выверку, определить поправку индекса, установить трубу по своему глазу и подобрать, если необходимо, светофильтры (рис № 6). Что же делали мы?
1.Устранили непараллельность оптической оси трубы относительно плоскости лимба секстана.
2.Выбрали удаленный не менее чем на 50 м предмет, расположенный примерно на том же уровне, и устанавливают секстан так, чтобы горизонтальная линия выбранного предмета оказалась на створе верхних срезов диоптров (рис.7)
2. Устранили неперпендикулярность большого зеркала относительно плоскости лимба.
3.Сняв трубу, установили секстан горизонтально.
4.Расположив глаз на расстоянии 30 - 40 см от секстана на уровне диоптров наблюдали в большом зеркале отражено изображение правого Диоптра и непосредственно рядом с краем зеркала - прямовидимым.
5.Передвигая правый диоптрий, добились совмещения изображений двух диоптров, но увидели перелом верхних срезов диоптров. Это свидетельствовало о том, что большое зеркало неперпендикулярных плоскости лимба.
6.Торцевым ключом возвращали регулировочный винт, расположенный на большом зеркале, до совпадения верхних срезов диоптров (рис.8)
7. Устранили неперпендикулярность малого зеркала относительно плоскости лимба. Эту операцию проводили после установки большого зеркала. Алидаду поставили на отсчет, близкий к 0, и трубу навели на Солнце (для него предварительно положили светофильтры) (рис. 9).
Для определения местоположения с помощью секстанта использовались измерения высоты Солнца (1 раз в 10.00, второй - в 11.30).
Последовательность действий при определении координат была следующей:
1. Обнаружены точное время измерения с хронометром.
2. Определили высоту Солнца.
3. С помощью Морского астрономического ежегодника, нашли в экваториальной плоскости те линии, на которой звезды были в момент измерения. На пересечении линий на карте находится место наблюдения, а именно 44˚30 с.ш. 33˚21 в.д (Вычисления проводил капитан Филиппов С.В.)
Итак, сравнив координаты, полученные по замерам GPS приемника и по секстану можно сделать вывод, что при исчислении координат с помощью секстана было определено небольшое отличие в определении координат -2-5˚
ВЫВОДЫ
Проведя исследовательскую работу по использованию спутниковой системы навигации и секстана для определения местонахождения судна, я сделал следующие выводы:
а) вычисления длятся долго и кропотливо, иногда могут занимать от 30 до 40 минут (в зависимости от уровня наличия практических знаний).
б) вычисление местонахождения судна после измерения высоты светил требует обязательного наличия справочников, например, Морского астрономического ежегодника;
в) во время плавания судоводитель ведет непрерывный учет положения судна по направлению его движения, в этом ему сейчас помогают спутниковые системы навигации.
г) преимущество в использовании секстантом - независимость от источника энергии, что актуально особенно в морской практике, где любые батареи недолговечны.
На данный момент преимущество при определении местонахождения судна отдается навигационным спутниковым системам (НСС): ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США). Но и такие надежные НСС могут давать сбой при определенных условиях: магнитные бури, сигнал на доходе к приемнику, намеренно созданы препятствия и тому подобное. Поэтому следует не забывать об астрономическом определении местоположения судна с помощью секстана. Недостатком такого способа определения координат является необходимость наличия кроме секстанта, еще и справочника, который постоянно устаревает и требует обновления. Преимущество - независимость от источника энергии, что актуально особенно в морской практике, где любые батареи недолговечны. Именно это и было доказано в исследовательской работе.
Навигационные умения человечества проделали огромный путь от простейших приборов и секстана до современных спутниковых навигационных систем. Сегодня мы пользуемся достижениями многих поколений. Работа современного судоводителя значительно облегчилась. Действительно, вместо секстана, наблюдение за серией измерений высот светил, весьма трудоемкой обработки полученных результатов, достаточно просто снять координаты судна с дисплея GPS приемника в любое время суток и при любых погодных условиях. Но это с первого взгляда всё так просто. Подойдем к этому вопросу, с другой стороны. Внедрение в навигационную практику новейших спутниковых систем никак не снимает актуальности астрономических методов классической навигации. И дело здесь не только в исторической памяти. Только мореходная астрономия совместно с магнитным компасом и простым лагом-вертушкой может обеспечить ориентирование судна при выходе из строя электрооборудования. А это немаловажно в наше время, когда высока вероятность чрезвычайных ситуаций и террористических актов на море.
Дешевизна и автономность астрономических обсерваций от энергетических систем судна обеспечивается ее простой инструментальной базой - секстаном, звездным глобусом, хронометром, а также двумя-тремя пособиями и калькулятором.
Конечно, говорить о том, что мореходная астрономия может стать одной из основных систем для постоянного получения информации о расположении, как, например, спутниковые навигационные системы, неразумно. Мореходная астрономия, после внедрения новаций, которые повысят точность и упростят получение астрономических координат судна, должна стать резервной навигационной системой.
ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ
http://goodcoins.su/antic/clock/hronometr.htm
http://www.pam65.ru/watchmagazine.php?pageId=52
http://dxdy.ru/topic54210.html
http://www.seaships.ru/navigation.htm
http://forum.skif4x4.ru/viewtopic.php?id=3487
http://www.dissercat.com/content/razvitie-metodov-efemeridnogo-obespecheniya-morekhodnoi-astronomii
http://mensby.com/life/history/109
http://coollib.com/b/251579/read
http://astrodummies.com/index/prakticheskaja_astronomija_iii/0-12
http://www.forclock.ru/hron.php
http://www.randewy.ru/nav/histor.html
http://www.sudno1.ru/year.shtml
ПРИЛОЖЕНИЯ
Рисунок № 1 Палочка Леви Рисунок № 2 Градшток
Рисунок № 3 Астролябия своими руками Рисунок № 4 Квадрант
Рисунок № 5 Секстан Рисунок № 6 Секстан на судне