Un teodolito / θ i ɒ d ə l aɪ t / es un instrumento óptico de precisión para la medición de ángulos entre los puntos visibles designados en las horizontales y verticales planos. El uso tradicional ha sido para la agrimensura , pero también se utilizan ampliamente para la construcción de edificios e infraestructura , y algunas aplicaciones especializadas como la meteorología y el lanzamiento de cohetes . [1]
Consiste en un telescopio móvil montado para que pueda girar alrededor de ejes horizontales y verticales y proporcionar lecturas angulares. Estos indican la orientación del telescopio y se utilizan para relacionar el primer punto avistado a través del telescopio con avistamientos posteriores de otros puntos desde la misma posición del teodolito. Estos ángulos se pueden medir con precisiones de hasta microrradianes o segundos de arco . A partir de estas lecturas, se puede dibujar un plan o se pueden colocar objetos de acuerdo con un plan existente. El teodolito moderno se ha convertido en lo que se conoce como una estación total donde los ángulos y las distancias se miden electrónicamente y se leen directamente en la memoria de la computadora.
En un teodolito de tránsito , el telescopio es lo suficientemente corto para girar alrededor del eje del muñón , girando el telescopio a través del plano vertical a través del cenit ; para los instrumentos que no son de tránsito, la rotación vertical está restringida a un arco limitado.
El nivel óptico a veces se confunde con un teodolito, pero no mide ángulos verticales y se usa solo para nivelar en un plano horizontal (aunque a menudo se combina con mediciones de rango y dirección horizontales de precisión media).
Los ajustes temporales son un conjunto de operaciones necesarias para preparar un teodolito para realizar observaciones en una estación. Estos incluyen su configuración, centrado, nivelación y eliminación del paralaje, y se logran en cuatro pasos:
El topógrafo toma las observaciones y ajusta la orientación angular vertical y horizontal del telescopio para que la cruz filar se alinee con el punto de observación deseado. Ambos ángulos se leen desde escalas expuestas o internas y se registran. A continuación, se visualiza y registra el siguiente objeto sin mover la posición del instrumento y el trípode.
Las primeras lecturas angulares fueron de escalas de nonio abiertas directamente visibles al ojo. Gradualmente, estas escalas se cerraron para protección física, y finalmente se convirtieron en una lectura óptica indirecta, con trayectorias de luz complicadas para llevarlas a un lugar conveniente en el instrumento para su visualización. Los teodolitos digitales modernos tienen pantallas electrónicas.
El error de índice, el error del eje horizontal (error del eje de muñones ) y el error de colimación se determinan regularmente mediante calibración y se eliminan mediante ajuste mecánico. Su existencia se tiene en cuenta en la elección del procedimiento de medición para eliminar su efecto sobre los resultados de medición del teodolito.
Antes del teodolito, se usaban instrumentos como el groma , el cuadrado geométrico y la dioptra , y varios otros círculos graduados (ver circunferenciador ) y semicírculos (ver grafómetro ) para obtener medidas de ángulos verticales u horizontales. Con el tiempo, sus funciones se combinaron en un solo instrumento que podía medir ambos ángulos simultáneamente.
La primera aparición de la palabra "teodolito" se encuentra en el libro de texto de topografía Una práctica geométrica llamada Pantometria (1571) de Leonard Digges . [2] Se desconoce el origen de la palabra. La primera parte del nuevo latín theo-delitus podría provenir del griego θεᾶσθαι , "contemplar o mirar con atención" [3] La segunda parte a menudo se atribuye a una variación poco académica de la palabra griega: δῆλος , que significa "evidente" o "claro", [4] [5] Se han sugerido otras derivaciones del nuevo latín o griego, así como un origen inglés de "la alidada" [6]
Los primeros precursores del teodolito fueron a veces instrumentos de azimut para medir ángulos horizontales, mientras que otros tenían una montura altazimutal para medir ángulos horizontales y verticales. Gregorius Reisch ilustró un instrumento de altacimut en el apéndice de su libro de 1512 Margarita Philosophica . [2] Martin Waldseemüller , un topógrafo y cartógrafo hizo el dispositivo en ese año [7] llamándolo polimetrum . [8]En el libro de Digges de 1571, el término "teodolito" se aplicó a un instrumento para medir ángulos horizontales solamente, pero también describió un instrumento que medía tanto la altitud como el azimut, al que llamó instrumento topográfico [ sic ]. [9] Posiblemente el primer instrumento que se aproxima a un verdadero teodolito fue el construido por Joshua Habemel en 1576, completo con brújula y trípode. [7] La Cyclopaedia de 1728 compara " grafómetro " con "medio teodolito". [10] Ya en el siglo XIX, el instrumento para medir ángulos horizontales solo se llamaba teodolito simple y el instrumento de altazimut, elteodolito simple . [11]
El primer instrumento que combinó las características esenciales del teodolito moderno fue construido en 1725 por Jonathan Sisson . [11] Este instrumento tenía una montura altazimutal con un telescopio de observación. La placa base tenía niveles de burbuja, brújula y tornillos de ajuste. Los círculos se leyeron con una escala de nonio .
El teodolito se convirtió en un instrumento moderno y preciso en 1787, con la introducción del famoso gran teodolito de Jesse Ramsden , que creó utilizando un motor divisor muy preciso de su propio diseño. [11] Los instrumentos de Ramsden se utilizaron para la triangulación principal de Gran Bretaña . En ese momento, los instrumentos de mayor precisión fueron fabricados en Inglaterra por fabricantes como Edward Troughton . [12] Más tarde, Breithaupt hizo los primeros teodolitos prácticos alemanes junto con Utzschneider , Reichenbach y Fraunhofer . [13]
A medida que avanzaba la tecnología, el círculo parcial vertical fue reemplazado por un círculo completo, y tanto los círculos verticales como los horizontales se graduaron finamente. Este fue el teodolito de tránsito . Este tipo de teodolito se desarrolló a partir de instrumentos de tránsito astronómico del siglo XVIII utilizados para medir la posición precisa de las estrellas. La tecnología fue transferida a los teodolitos a principios del siglo XIX por fabricantes de instrumentos como Edward Troughton y William Simms [14] y se convirtió en el diseño de teodolito estándar. El desarrollo del teodolito fue impulsado por necesidades específicas. En la década de 1820, el progreso en proyectos de topografía nacional como el Ordnance Surveyen Gran Bretaña produjo un requisito de teodolitos capaces de proporcionar suficiente precisión para la triangulación y el mapeo a gran escala. El Survey of India en este momento produjo un requisito de instrumentos más resistentes y estables, como el teodolito del patrón del Everest con su centro de gravedad más bajo.
Los ingenieros ferroviarios que trabajaban en la década de 1830 en Gran Bretaña se referían comúnmente a un teodolito como "Tránsito". [15] La década de 1840 fue el comienzo de un período de rápida construcción de ferrocarriles en muchas partes del mundo que resultó en una gran demanda de teodolitos dondequiera que se construyeran ferrocarriles. [16] También fue popular entre los ingenieros ferroviarios estadounidenses que avanzaban hacia el oeste, y reemplazó a la brújula , sextante y octante del ferrocarril . Los teodolitos se adaptaron más tarde a una variedad más amplia de montajes y usos. En la década de 1870, Edward Samuel Ritchie inventó una interesante versión a base de agua del teodolito (usando un dispositivo de péndulo para contrarrestar el movimiento de las olas) . [17]Fue utilizado por la Marina de los EE. UU. Para realizar los primeros reconocimientos de precisión de los puertos estadounidenses en las costas del Atlántico y el Golfo. [18]
A principios de la década de 1920, se produjo un cambio radical en el diseño del teodolito con la introducción del Wild T2 fabricado por Wild Heerbrugg . Heinrich Wild diseñó un teodolito con círculos de vidrio divididos con lecturas de ambos lados presentadas en un solo ocular cerca del telescopio para que el observador no tuviera que moverse para leerlas. Los instrumentos Wild no solo eran más pequeños, más fáciles de usar y más precisos que los rivales contemporáneos, sino que también estaban sellados contra la lluvia y el polvo. Los topógrafos canadienses informaron que si bien el Wild T2 con círculos de 3,75 pulgadas no podía proporcionar la precisión para la triangulación primaria, era igual en precisión a un diseño tradicional de 12 pulgadas. [19] Los instrumentos Wild T2, T3 y A1 se fabricaron durante muchos años.
En 1926 se celebró una conferencia en Tavistock en Devon , Reino Unido, donde se compararon los teodolitos salvajes con los británicos. El producto Wild superó a los teodolitos británicos, por lo que fabricantes como Cooke, Troughton & Simms y Hilger & Watts se propusieron mejorar la precisión de sus productos para igualar a la competencia. Cooke, Troughton y Simms desarrollaron el teodolito de patrón Tavistock y más tarde el Vickers V. 22. [20]
Wild pasó a desarrollar DK1, DKM1, DM2, DKM2 y DKM3 para la empresa Kern Aarau. Con continuos refinamientos, los instrumentos evolucionaron de manera constante hasta convertirse en el teodolito moderno utilizado por los topógrafos de hoy. En 1977, Wild, Kern y Hewlett-Packard ofrecían "Estaciones totales" que combinaban medidas angulares, medidas electrónicas de distancia y funciones de microchip en una sola unidad.
La triangulación , tal como la inventó Gemma Frisius alrededor de 1533, consiste en hacer tales diagramas de dirección del paisaje circundante desde dos puntos de vista separados. Los dos papeles gráficos se superponen, proporcionando un modelo a escala del paisaje, o más bien los objetivos en él. La escala real se puede obtener midiendo una distancia tanto en el terreno real como en la representación gráfica.
La triangulación moderna como, por ejemplo, la practicada por Snellius , es el mismo procedimiento ejecutado por medios numéricos. El ajuste de bloques fotogramétricos de pares estéreo de fotografías aéreas es una variante tridimensional moderna.
A finales de la década de 1780, Jesse Ramsden , un hombre de Yorkshire de Halifax , Inglaterra, que había desarrollado el motor divisor para dividir escalas angulares con precisión dentro de un segundo de arco (≈ 0,0048 mrad o 4,8 µrad), recibió el encargo de construir un nuevo instrumento para los británicos. Encuesta de artillería . El teodolito de Ramsden se utilizó durante los años siguientes para cartografiar todo el sur de Gran Bretaña mediante triangulación.
En la medición de redes, el uso de centrado forzado acelera las operaciones manteniendo la máxima precisión. El teodolito o el objetivo se puede quitar rápidamente o encajar en la placa de centrado forzado con precisión submilimétrica. Hoy en día, las antenas GPS utilizadas para el posicionamiento geodésico utilizan un sistema de montaje similar. La altura del punto de referencia del teodolito, o el objetivo, sobre el punto de referencia del suelo debe medirse con precisión.
El término teodolito de tránsito o tránsitopara abreviar, se refiere a un tipo de teodolito donde el telescopio es lo suficientemente corto como para girar en un círculo completo sobre su eje horizontal, así como alrededor de su eje vertical. Cuenta con un círculo vertical que está graduado a través de los 360 grados completos y un telescopio que podría "voltearse" ("transitar el alcance"). Al invertir el telescopio y al mismo tiempo girar el instrumento 180 grados alrededor del eje vertical, el instrumento se puede utilizar en los modos 'placa-izquierda' o 'placa-derecha' ('placa' se refiere al círculo del transportador vertical). Al medir los mismos ángulos horizontal y vertical en estos dos modos y luego promediar los resultados, se pueden eliminar los errores de centrado y colimación en el instrumento. Algunos instrumentos de tránsito son capaces de leer ángulos directamente a treinta segundos de arco (≈ 0.15 mrad). Los teodolitos modernos suelen tener el diseño de teodolito de tránsito, pero las placas grabadas han sido reemplazadas por placas de vidrio diseñadas para ser leídas con diodos emisores de luz y circuitos de computadora, mejorando enormemente la precisión hasta niveles de segundo de arco (≈ 0.005 mrad ).
Existe una larga historia del uso de teodolitos en la medición de vientos en altura, mediante el uso de teodolitos especialmente fabricados para rastrear los ángulos horizontales y verticales de globos meteorológicos especiales llamados globos de techo o globos piloto ( pibal ). Los primeros intentos se realizaron en los primeros años del siglo XIX, pero los instrumentos y procedimientos no se desarrollaron por completo hasta cien años después. Este método se utilizó ampliamente en la Segunda Guerra Mundial y posteriormente, y fue reemplazado gradualmente por sistemas de medición de radio y GPS desde la década de 1980 en adelante.
El teodolito pibal usa un prisma para doblar la trayectoria óptica en 90 grados para que la posición del ojo del operador no cambie a medida que la elevación cambia en 180 grados completos. El teodolito generalmente se monta en un soporte de acero resistente, configurado de manera que esté nivelado y apuntando hacia el norte, con las escalas de altitud y azimut leyendo cero grados. Se suelta un globo frente al teodolito y su posición se rastrea con precisión, generalmente una vez por minuto. Los globos están cuidadosamente construidos y llenos, por lo que su velocidad de ascenso se puede conocer con bastante precisión de antemano. Los cálculos matemáticos sobre el tiempo, la velocidad de ascenso, el acimut y la altitud angular pueden producir buenas estimaciones de la velocidad y dirección del viento a varias altitudes. [21]
En los teodolitos electrónicos modernos, la lectura de los círculos horizontales y verticales generalmente se realiza con un codificador rotatorio . Estos producen señales que indican la altitud y el azimut del telescopio que se alimentan a un microprocesador. Se han agregado sensores CCD al plano focal del telescopio, lo que permite tanto la orientación automática como la medición automática del desplazamiento del objetivo residual. Todo esto se implementa en el software integrado del procesador.
Muchos teodolitos modernos están equipados con dispositivos de medición de distancia electroópticos integrados, generalmente basados en infrarrojos , que permiten la medición en un solo paso de vectores tridimensionales completos, aunque en coordenadas polares definidas por el instrumento , que luego se pueden transformar en una coordenada preexistente. sistema en la zona mediante un número suficiente de puntos de control. Esta técnica se denomina solución de resección o levantamiento de posición de estación libre y se usa ampliamente en levantamientos cartográficos.
Tales instrumentos son teodolitos "inteligentes" llamados auto-registrarse taquímetros o coloquialmente " estaciones totales ", y llevar a cabo todos los cálculos angulares y de distancia necesarios, y los resultados o datos sin procesar pueden ser descargados a procesadores externos, tales como Ruggedized ordenadores portátiles , PDAs o programable calculadoras [22]
Se utiliza un giroteodolito cuando se requiere el rumbo de referencia norte-sur del meridiano en ausencia de visiones de estrellas astronómicas. Esto ocurre principalmente en la industria de la minería subterránea y en la ingeniería de túneles. Por ejemplo, cuando un conducto debe pasar por debajo de un río, un eje vertical a cada lado del río podría estar conectado por un túnel horizontal. Se puede operar un giroteodolito en la superficie y luego nuevamente al pie de los ejes para identificar las direcciones necesarias para hacer un túnel entre la base de los dos ejes. A diferencia de un horizonte artificial o un sistema de navegación inercial, un giroteodolito no se puede reubicar mientras está en funcionamiento. Debe reiniciarse nuevamente en cada sitio.
El giroteodolito comprende un teodolito normal con un accesorio que contiene un girocompás , un dispositivo que detecta la rotación de la Tierra para encontrar el norte verdadero y, por lo tanto, junto con la dirección de la gravedad, el plano del meridiano. El meridiano es el plano que contiene tanto el eje de rotación de la Tierra como el observador. La intersección del plano meridiano con la horizontal define la verdadera dirección norte-sur encontrada de esta manera. A diferencia de las brújulas magnéticas , las brújulas giratorias pueden encontrar el norte verdadero , la dirección de la superficie hacia el polo norte.
Un giroteodolito funcionará en el ecuador y en los hemisferios norte y sur. El meridiano no está definido en los polos geográficos. Un giroteodolito no se puede usar en los polos donde el eje de la Tierra es exactamente perpendicular al eje horizontal de la ruleta, de hecho, no se usa normalmente dentro de unos 15 grados del polo donde el ángulo entre la rotación de la Tierra y la dirección de la gravedad es demasiado pequeño para que funcione de manera confiable. Cuando están disponibles, las miras de estrellas astronómicas pueden dar el rumbo del meridiano con una precisión superior a cien veces la del giroteodolito. Cuando no se requiere esta precisión adicional, el gyroteodolito puede producir un resultado rápidamente sin la necesidad de observaciones nocturnas.