Los instrumentos reflectantes son aquellos que utilizan espejos para mejorar su capacidad de realizar mediciones. En particular, el uso de espejos permite observar dos objetos simultáneamente mientras se mide la distancia angular entre los objetos. Si bien los instrumentos reflectores se utilizan en muchas profesiones, se asocian principalmente con la navegación celeste, ya que la necesidad de resolver los problemas de navegación, en particular el problema de la longitud , fue la principal motivación en su desarrollo.
Objetivos de los instrumentos
El propósito de los instrumentos reflectores es permitir que un observador mida la altitud de un objeto celeste o mida la distancia angular entre dos objetos. La fuerza impulsora detrás de los desarrollos discutidos aquí fue la solución al problema de encontrar la propia longitud en el mar. Se consideró que la solución a este problema requería un medio preciso para medir ángulos y se consideró que la precisión dependía de la capacidad del observador para medir este ángulo observando simultáneamente dos objetos a la vez.
La deficiencia de los instrumentos anteriores era bien conocida. Requerir que el observador observe dos objetos con dos líneas de visión divergentes aumentaba la probabilidad de error. Aquellos que consideraron el problema se dieron cuenta de que el uso de espéculos (espejos en el lenguaje moderno) podría permitir la observación de dos objetos en una sola vista. Lo que siguió es una serie de inventos y mejoras que refinaron el instrumento hasta el punto de que su precisión excedió la requerida para determinar la longitud. Cualquier mejora adicional requería una tecnología completamente nueva.
Instrumentos reflectores tempranos
Algunos de los primeros instrumentos reflectores fueron propuestos por científicos como Robert Hooke e Isaac Newton . Estos fueron poco utilizados o pueden no haber sido construidos o probados extensamente. El instrumento van Breen fue la excepción, ya que fue utilizado por los holandeses. Sin embargo, tuvo poca influencia fuera de Holanda .
Inventado en 1660 por el holandés Joost van Breen, el spiegelboog (arco de espejo) era una cruz reflectante . Este instrumento parece haber sido utilizado durante aproximadamente 100 años, principalmente en la Cámara de Zelanda de la VOC ( Compañía Holandesa de las Indias Orientales ). [1]
El instrumento reflectante único de Robert Hooke
El instrumento de Hooke era un instrumento de un solo reflejo. Utilizaba un solo espejo para reflejar la imagen de un objeto astronómico al ojo del observador. [2] Este instrumento se describió por primera vez en 1666 y Hooke presentó un modelo de trabajo en una reunión de la Royal Society algún tiempo después.
El dispositivo constaba de tres componentes principales, un brazo índice, un brazo radial y una cuerda graduada . Los tres estaban dispuestos en un triángulo como en la imagen de la derecha. Se montó una mira telescópica en el brazo índice. En el punto de rotación del brazo radial, se montó un solo espejo. Este punto de rotación permitió cambiar el ángulo entre el brazo índice y el brazo radial. La cuerda graduada se conectó al extremo opuesto del brazo radial y se permitió que la cuerda girara alrededor del extremo. La cuerda se mantuvo contra el extremo distante del brazo índice y se deslizó contra él. Las graduaciones en la cuerda eran uniformes y, usándolo para medir la distancia entre los extremos del brazo índice y el brazo radial, se podía determinar el ángulo entre esos brazos. Se utilizó una tabla de cuerdas para convertir una medida de distancia en una medida de ángulo. El uso del espejo dio como resultado que el ángulo medido fuera el doble del ángulo incluido por el índice y el brazo de radio.
El espejo del brazo radial era lo suficientemente pequeño como para que el observador pudiera ver el reflejo de un objeto en la mitad de la vista del telescopio mientras mira hacia adelante en la otra mitad. Esto permitió al observador ver ambos objetos a la vez. Al alinear los dos objetos juntos en la vista de los telescopios, la distancia angular entre ellos se representaría en la cuerda graduada.
Si bien el instrumento de Hooke era novedoso y atrajo cierta atención en ese momento, no hay evidencia de que haya sido sometido a pruebas en el mar. [2] El instrumento se utilizó poco y no tuvo ningún efecto significativo en la astronomía o la navegación.
Instrumento reflectante de Halley
En 1692, Edmond Halley presentó el diseño de un instrumento reflectante a la Royal Society. [2]
Este es un instrumento interesante, que combina la funcionalidad de un radio latino con un telescopio doble . El telescopio (AB en la imagen adyacente) tiene un ocular en un extremo y un espejo (D) en la mitad de su longitud con una lente objetivo en el extremo más alejado (B). El espejo solo obstruye la mitad del campo (ya sea a la izquierda o a la derecha) y permite que el objetivo se vea por el otro lado. En el espejo se refleja la imagen del segundo objetivo (C). Esto permite al observador ver ambas imágenes, una recta y otra reflejada, simultáneamente una al lado de la otra. Es esencial que las distancias focales de los dos objetivos sean las mismas y que las distancias del espejo a cada objetivo sean idénticas. Si no se cumple esta condición, las dos imágenes no se pueden llevar a un enfoque común .
El espejo está montado en el pentagrama (DF) de la parte de radio latino del instrumento y gira con él. El ángulo que forma este lado del rombo del radio latino con el telescopio se puede establecer ajustando la longitud diagonal del rombo. Para facilitar esto y permitir un ajuste fino del ángulo, se monta un tornillo (EC) para permitir al observador cambiar la distancia entre los dos vértices (E y C).
El observador observa el horizonte con la vista de la lente directa y observa un objeto celeste en el espejo. Al girar el tornillo para colocar las dos imágenes directamente adyacentes, se ajusta el instrumento. El ángulo se determina tomando la longitud del tornillo entre E y C y convirtiéndola en un ángulo en una tabla de cuerdas .
Halley especificó que el tubo del telescopio debe tener una sección transversal rectangular. Esto facilita la construcción, pero no es un requisito, ya que se pueden acomodar otras formas de sección transversal. Los cuatro lados de la porción de radio latino (CD, DE, EF, FC) deben tener la misma longitud para que el ángulo entre el telescopio y el lado de la lente del objetivo (ADC) sea exactamente el doble del ángulo entre el telescopio y el espejo. (ADF) (o en otras palabras, para hacer que el ángulo de incidencia sea igual al ángulo de reflexión ). De lo contrario, la colimación del instrumento se verá comprometida y las mediciones resultantes serían erróneas.
El ángulo de elevación del objeto celeste podría haberse determinado mediante la lectura de las graduaciones en el personal del control deslizante, sin embargo, no es así como Halley diseñó el instrumento. Esto puede sugerir que el diseño general del instrumento era casualmente como un radio latino y que Halley no estaba familiarizado con ese instrumento.
No se sabe si este instrumento se probó alguna vez en el mar. [2]
Cuadrante reflectante de Newton
El cuadrante reflectante de Newton fue similar en muchos aspectos al primer cuadrante reflectante de Hadley que lo siguió.
Newton le había comunicado el diseño a Edmund Halley alrededor de 1699. Sin embargo, Halley no hizo nada con el documento y permaneció en sus papeles solo para ser descubierto después de su muerte. [3] Sin embargo, Halley discutió el diseño de Newton con miembros de la Royal Society cuando Hadley presentó su cuadrante reflectante en 1731. Halley notó que el diseño de Hadley era bastante similar al anterior instrumento newtoniano. [2]
Como resultado de este secreto inadvertido, la invención de Newton jugó poco papel en el desarrollo de los instrumentos reflectores.
El octante
Lo notable del octante es la cantidad de personas que inventaron el dispositivo de forma independiente en un corto período de tiempo. John Hadley y Thomas Godfrey reciben crédito por inventar el octante . Desarrollaron de forma independiente el mismo instrumento alrededor de 1731. Sin embargo, no fueron los únicos.
En el caso de Hadley, se diseñaron dos instrumentos. El primero fue un instrumento muy similar al cuadrante reflectante de Newton. El segundo tenía esencialmente la misma forma que el sextante moderno. Se construyeron pocos del primer diseño, mientras que el segundo se convirtió en el instrumento estándar del que deriva el sextante y, junto con el sextante, desplazó todos los instrumentos de navegación anteriores utilizados para la navegación celeste .
Caleb Smith , un corredor de seguros inglés con un gran interés en la astronomía, había creado un octante en 1734. Lo llamó Astroscopio o Cuadrante marino . [4] Usó un prisma fijo además de un espejo índice para proporcionar elementos reflectantes. Los prismas brindan ventajas sobre los espejos en una era en la que los espejos de metal pulido con espéculo eran inferiores y tanto el plateado de un espejo como la producción de vidrio con superficies planas y paralelas eran difíciles. Sin embargo, los otros elementos de diseño del instrumento de Smith lo hicieron inferior al octante de Hadley y no se usó de manera significativa. [3]
Jean-Paul Fouchy , profesor de matemáticas y astrónomo en Francia, inventó un octante en 1732. [3] El suyo era esencialmente el mismo que el de Hadley. Fouchy no conocía los desarrollos en Inglaterra en ese momento, ya que las comunicaciones entre los fabricantes de instrumentos de los dos países eran limitadas y las publicaciones de la Royal Society, particularmente las Philosophical Transactions , no se distribuían en Francia. [5] El octante de Fouchy fue eclipsado por el de Hadley.
El sextante
- El artículo principal, Sextante , cubre el uso del instrumento en la navegación. Este artículo se concentra en la historia y el desarrollo del instrumento.
El origen del sextante es sencillo y no está en disputa. El almirante John Campbell , después de haber utilizado el octante de Hadley en pruebas en el mar del método de distancias lunares , descubrió que era deficiente. El ángulo de 90 ° subtendido por el arco del instrumento fue insuficiente para medir algunas de las distancias angulares requeridas para el método. Sugirió que el ángulo se aumentara a 120 °, produciendo el sextante. John Bird hizo el primer sextante de este tipo en 1757. [6]
Con el desarrollo del sextante, el octante se convirtió en una especie de instrumento de segunda clase. El octante, aunque ocasionalmente se construyó completamente de latón, siguió siendo principalmente un instrumento con marco de madera. La mayoría de los desarrollos en materiales avanzados y técnicas de construcción se reservaron para el sextante.
Hay ejemplos de sextantes hechos con madera, sin embargo, la mayoría están hechos de latón. Para asegurarse de que el marco fuera rígido, los fabricantes de instrumentos utilizaron marcos más gruesos. Esto tenía el inconveniente de hacer que el instrumento fuera más pesado, lo que podía influir en la precisión debido al temblor de las manos cuando el navegador trabajaba contra su peso. Para evitar este problema, se modificaron los marcos. Edward Troughton patentó el sextante de doble marco en 1788. [7] Este utilizó dos marcos sostenidos en paralelo con espaciadores. Los dos marcos estaban separados por un centímetro. Esto aumentó significativamente la rigidez del marco. Una versión anterior tenía un segundo marco que solo cubría la parte superior del instrumento, asegurando los espejos y el telescopio. Las versiones posteriores utilizaron dos fotogramas completos. Dado que los espaciadores parecían pequeños pilares, también se les llamaba sextantes de pilares .
Troughton también experimentó con materiales alternativos. Las escamas estaban chapadas en plata , oro o platino . Tanto el oro como el platino minimizan los problemas de corrosión . Los instrumentos enchapados en platino eran costosos debido a la escasez del metal, aunque menos costosos que el oro. Troughton conocía a William Hyde Wollaston a través de la Royal Society y esto le dio acceso al metal precioso. [8] Los instrumentos de la compañía Troughton que usaban platino se pueden identificar fácilmente por la palabra Platina grabada en el marco. Estos instrumentos siguen siendo muy apreciados como artículos de colección y son tan precisos hoy como cuando fueron construidos. [9]
A medida que avanzaban los desarrollos en la división de motores , el sextante era más preciso y podía hacerse más pequeño. Para permitir una lectura fácil del nonio , se agregó una pequeña lupa. Además, para reducir el deslumbramiento en el marco, algunos tenían un difusor que rodeaba la lupa para suavizar la luz. A medida que aumentó la precisión, el nonio de arco circular fue reemplazado por un nonio de tambor.
Los diseños de los marcos se modificaron con el tiempo para crear un marco que no se viera afectado negativamente por los cambios de temperatura. Estos patrones de marco se estandarizaron y se puede ver la misma forma general en muchos instrumentos de muchos fabricantes diferentes.
Para controlar los costos, los sextantes modernos ahora están disponibles en plástico hecho con precisión. Estos son ligeros, asequibles y de alta calidad.
Tipos de sextantes
Si bien la mayoría de las personas piensan en la navegación cuando escuchan el término sextante , el instrumento se ha utilizado en otras profesiones.
- Sextante del navegador
- El tipo común de instrumento en el que la mayoría de la gente piensa cuando escuchan el término sextante .
- Sextantes que suenan
- Estos son sextantes que fueron construidos para uso horizontal en lugar de vertical y fueron desarrollados para uso en levantamientos hidrográficos . [6]
- Sextantes de agrimensor
- Estos fueron construidos para uso exclusivo en tierra para mediciones angulares horizontales. En lugar de un asa en el marco, tenían un enchufe para permitir la fijación del bastón de Jacob de un topógrafo .
- Sextantes de caja o bolsillo
- Se trata de pequeños sextantes contenidos íntegramente en una caja de metal. Desarrollados por primera vez por Edward Troughton, generalmente son todos de latón con la mayoría de los componentes mecánicos dentro de la caja. El telescopio se extiende desde una abertura lateral. El índice y otras partes quedan completamente cubiertos cuando se coloca la tapa de la caja. Popular entre los topógrafos por su pequeño tamaño (normalmente sólo 6,5 a 8 cm [ 2+1 ⁄ 2 - 3+1 ⁄ 4 in] de diámetro y 5 cm [2 in] de profundidad), su precisión fue posible gracias a las mejoras en los motores divisores utilizados para graduar los arcos. Los arcos son tan pequeños que se colocan lupas para permitir su lectura. [7]
Además de estos tipos, existen términos que se utilizan para varios sextantes.
Un sextante de pilar puede ser:
- Un sextante de doble marco patentado por Edward Troughton en 1788.
- Sextante de un topógrafo con un enchufe para el personal de un topógrafo (el pilar). [10]
El primero es el uso más común del término.
Más allá del sextante
Quintant y otros
Varios fabricantes ofrecieron instrumentos con tamaños distintos a un octavo o un sexto de un círculo. Uno de los más común era la quintant o quinta de un círculo (72 ° de arco de leer a 144 °). También había otros tamaños disponibles, pero los tamaños impares nunca se volvieron comunes. Muchos instrumentos se encuentran con escalas que se leen, por ejemplo, 135 °, pero simplemente se les llama sextantes. De manera similar, hay 100 ° octantes, pero estos no están separados como tipos únicos de instrumentos.
Hubo interés en instrumentos mucho más grandes para fines especiales. En particular, se fabricaron varios instrumentos de círculo completo, categorizados como círculos reflectantes y círculos repetidos .
Círculos reflectantes
El círculo reflectante fue inventado por el geómetro y astrónomo alemán Tobias Mayer en 1752, [6] con detalles publicados en 1767. [3] Su desarrollo precedió al sextante y fue motivado por la necesidad de crear un instrumento topográfico superior. [3]
El círculo reflectante es un instrumento circular completo graduado a 720 ° (para medir distancias entre cuerpos celestes, no es necesario leer un ángulo mayor a 180 °, ya que la distancia mínima siempre será menor a 180 °). Mayer presentó una descripción detallada de este instrumento a la Junta de Longitud y John Bird utilizó la información para construir uno de dieciséis pulgadas de diámetro para que lo evaluara la Royal Navy. [11] Este instrumento fue uno de los utilizados por el almirante John Campbell durante su evaluación del método de distancia lunar . Se diferenciaba en que estaba graduado a 360 ° y era tan pesado que estaba equipado con un soporte que se sujetaba a un cinturón. [11] No se consideró mejor que el octante Hadley y era menos conveniente de usar. [3] Como resultado, Campbell recomendó la construcción del sextante.
Jean-Charles de Borda desarrolló aún más el círculo reflectante. Modificó la posición de la mira telescópica de tal manera que el espejo podría usarse para recibir una imagen de cualquier lado en relación con el telescopio. Esto eliminó la necesidad de asegurarse de que los espejos fueran exactamente paralelos al leer cero. Esto simplificó el uso del instrumento. Se realizaron más refinamientos con la ayuda de Etienne Lenoir . Los dos refinaron el instrumento a su forma definitiva en 1777. [3] Este instrumento era tan distintivo que se le dio el nombre de círculo de Borda . [6] [12]
Josef de Mendoza y Ríos rediseñó el círculo reflectante de Borda (Londres, 1801). El objetivo era utilizarlo junto con sus tablas lunares publicadas por la Royal Society (Londres, 1805). Hizo un diseño con dos círculos concéntricos y una escala de nonio y recomendó promediar tres lecturas secuenciales para reducir el error. El sistema de Borda no se basaba en un círculo de 360 ° sino en 400 grados (Borda pasó años calculando sus tablas con un círculo dividido en 400 °). Las tablas lunares de Mendoza se han utilizado durante casi todo el siglo XIX (ver Distancia lunar (navegación) ).
Edward Troughton también modificó el círculo reflectante. Creó un diseño con tres brazos índice y nonios . Esto permitió tres lecturas simultáneas para promediar el error.
Como instrumento de navegación, el círculo reflectante era más popular entre la marina francesa que entre la británica. [6]
Un instrumento derivado del círculo reflectante es el círculo repetitivo . Inventado por Lenoir en 1784, [3] Borda y Lenoir desarrollaron el instrumento para topografía geodésica . Como no se usó para las medidas celestes, no usó doble reflexión y sustituyó dos miras telescópicas. Como tal, no fue un instrumento reflectante. Fue notable por ser igual al gran teodolito creado por el renombrado fabricante de instrumentos, Jesse Ramsden .
Bris sextante
El sextante Bris no es un verdadero sextante, pero es un verdadero instrumento reflectante basado en el principio de doble reflexión y sujeto a las mismas reglas y errores que los octantes y sextantes comunes. A diferencia de los octantes y sextantes comunes, el sextante Bris es un instrumento de ángulo fijo capaz de medir con precisión algunos ángulos específicos a diferencia de otros instrumentos reflectantes que pueden medir cualquier ángulo dentro del rango del instrumento. Es especialmente adecuado para determinar la altitud del sol o la luna .
Sector topográfico
Francis Ronalds inventó un instrumento para registrar ángulos en 1829 modificando el octante. Una desventaja de los instrumentos reflectantes en aplicaciones topográficas es que la óptica dicta que el espejo y el brazo índice giren la mitad de la separación angular de los dos objetos. Por lo tanto, el ángulo debe leerse, anotarse y emplearse un transportador para dibujar el ángulo en un plano. La idea de Ronalds era configurar el brazo índice para que girara el doble del ángulo del espejo, de modo que el brazo pudiera usarse para dibujar una línea en el ángulo correcto directamente sobre el dibujo. Usó un sector como base de su instrumento y colocó el vidrio del horizonte en una punta y el espejo índice cerca de la bisagra que conecta las dos reglas. Los dos elementos giratorios estaban unidos mecánicamente y el cañón que sostenía el espejo tenía el doble del diámetro de la bisagra para dar la relación angular requerida. [13]
Referencias
- ^ De Hilster, N., The Spiegelboog (espejo-bastón): una reconstrucción , Boletín de la Sociedad de Instrumentos Científicos, No. 90, 2006 .
- ↑ a b c d e Charles H. Cotter El sextante del marinero y la Royal Society; Notas y registros de la Royal Society of London , vol. 33, núm. 1 (agosto de 1978), págs. 23–36.
- ^ a b c d e f g h Daumas, Maurice, Instrumentos científicos de los siglos XVII y XVIII y sus creadores , Portman Books, Londres 1989 ISBN 978-0-7134-0727-3
- ^ Bedini, Silvio, History Corner: Benjamin King of Newport, RI-Part II , Professional Surveyor Magazine, septiembre de 1997, volumen 17, número 6
- ↑ Fauque, Danielle, Un instrument à réflexion pour la marine: deux propositions successives de Fouchy , presentado en el Colloque Grandjean de Fouchy, 23 de marzo de 2007 en el Observatoire de Paris.
- ^ a b c d e Turner, Gerald LE (1983). Instrumentos científicos del siglo XIX . Publicaciones de Sotheby. ISBN 0-85667-170-3.
- ^ a b Turner, Gerard L'E., Instrumentos científicos antiguos , Blandford Press Ltd. 1980 ISBN 0-7137-1068-3
- ^ Chaldecott, John A., Platinum and Palladium in Astronomy and Navigation: The Pioneer Work of Edward Troughton y William Hyde Wollaston , Platinum Metals Review, Volumen 31 Número 2 de abril de 1987 Páginas 91-100 Versión en línea (pdf)
- ^ Catálogo 130, primavera de 1987, Historical Technology Inc, Marblehead MA, EE. UU.
- ^ Tesseract - Early Scientific Instruments , volumen quince, invierno de 1987. Entrada de catálogo para un "octante de pilar de Adams", un octante de cuadro único utilizado para topografía. Se hizo en Londres alrededor de 1800. Las fotografías muestran el enchufe utilizado para el bastón de Jacob.
- ↑ a b May, William Edward, A History of Marine Navigation , GT Foulis & Co. Ltd., Henley-on-Thames, Oxfordshire, 1973, ISBN 0-85429-143-1
- ↑ La construcción de tal instrumento fue algo complicada por las estrictas demandas de los diversos gremios franceses; la parte metálica se confió al gremio de fundición, las lentes y los espejos al gremio de vidrieros, pero en 1788, Dominique, el conde de Cassini estableció un nuevo gremio de fabricantes de instrumentos astronómicos, con Lenoir entre los primeros miembros. Paul Murdin, The Revolution and the Meter (2009, NY, Springer) páginas 92–95.
- ^ Ronalds, BF (2016). Sir Francis Ronalds: padre del telégrafo eléctrico . Londres: Imperial College Press . ISBN 978-1-78326-917-4.
enlaces externos
- Museo Marítimo Nacional Retrato de un capitán de la marina mercante sosteniendo un Caleb Smith Octant.