Введение. История навигации от древности до наших дней (1151916), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Рис.В.8 Иллюстрация второго закона Кеплера: площади закрашенных секторов равны; время, за которое планета проходит соответствующие дуги, одинаково

С торонник гелиоцентрической системы мира, продолжатель идей Николая Коперника, великий философ нового времени, итальянский ученый Галилео Галилей стал одним из основателей точного естествознания. Он заложил основы классической механики, сформулировал основные законы динамики: закон инерции, закон свободного падения, закон сложения движений, законы движения тела по наклонной плоскости и тела, брошенного под углом к горизонту, закон постоянства периода колебаний маятника. С помощью созданного им телескопа с

32-кратным увеличением обнаружил фазы у Венеры, пятна на Солнце, четыре спутника у Юпитера и горы на Луне.

В 1642 г. (год смерти Галилея) родился великий физик и математик, Исаак Ньютон.

С работами Ньютона связана новая эпоха в физике и математике. Он завершил начатое Галилеем создание теоретической физики, основанной, с одной стороны, на опытных данных, а с другой — на количественно-математическом описании природы. В математике появились мощные аналитические методы. В физике основным методом исследования природы стало построение адекватных математических моделей природных процессов и интенсивное исследование этих моделей с систематическим использованием всей мощи нового математического аппарата. Последующие века доказали исключительную плодотворность такого подхода. В своем фундаментальном труде «Математические начала натуральной философии» он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики. Разработал дифференциальное и интегральное исчисление, теорию цвета и многие другие математические и физические теории. Основываясь на законе тяготения, Ньютон рассчитал массу Земли, Солнца и Юпитера, установил, что из-за сплюснутости Земли у полюсов земная ось совершает под действием притяжения Луны и Солнца постоянное медленное движение (прецессию).

Труды Галилея и Ньютона заложили основу для решения одной из важнейших проблем навигации, остававшейся нерешенной в течение многих столетий. Речь идет об определении географической долготы и связанной с ней проблеме точного измерения времени. С развитием мореплавания актуальность этой проблемы нарастала и в конце XVII века во Франции и Англии она приобрела характер государственной.

Долгота́ — угол между плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, и плоскостью начального (нулевого) меридиана, от которого ведется отсчет долготы. (Выбор нулевого меридиана произволен и зависит только от соглашения). С учетом суточного вращения Земли, долгота может измеряться в единицах времени: 1 час = 15°, 1 мин. = 15', 1 с. = 15 ". Отсюда следует основной способ определения географической долготы при помощи часов, показания которых соответствуют отсчету времени на нулевом меридиане. Необходимо с помощью секстанта, квадранта, гномона и т.п. определить момент наступления местного полдня, в этот момент зафиксировать показания часов, а затем перевести эти показания (с соответствующим знаком) в градусную меру. Проблема была в том, что часов, способных длительно, с высокой точностью «хранить» время нулевого меридиана, в ту эпоху не существовало.

Известные примерно с ХШ века часы с колесами, приводимыми в движение гирями, не обеспечивали точности, необходимой для научных экспериментов. Поэтому, например, Галилей, при изучении законов падения измерял интервалы времени, считая удары собственного пульса. Изобретенный им маятник вначале использовали как устройство для точного измерения небольших промежутков времени путем подсчета числа качаний. В последние годы жизни Галилей работал над лежащей в основе всех часовых механизмов идеей соединении высокостабильного источника колебаний (маятника) со счетчиком, но ему помешала прогрессирующая слепота.

Поэтому первые измерения долготы опирались на «астрономическое» время.

В 1668 г. Джованни Доменико Кассини, директор Парижской обсерватории, впервые провел успешное измерение долготы по методу Галилея – наблюдая за затмениями спутников Юпитера. Для этого он разработал теорию и составил таблицы движения спутников Юпитера, на основании которых мореплаватели по наблюдаемому положению спутников могли определять время на меридиане обсерватории, а отсюда – географическую долготу своего корабля (других методов тогда не было, поскольку корабельные часы не обладали необходимой точностью). Свои расчеты Кассини, основывал, главным образом, на наблюдениях, проводившихся во время противостояния Юпитера. Позже, продолжив эти наблюдения, он обнаружил, что моменты затмений спутников тенью планеты стали запаздывать более чем на 10 мин. относительно времени, рассчитанного в период противостояния. Датский астроном Оле Рёмер, узнав об этом факте, объяснил его конечностью скорости распространения света: когда Юпитер находился ближе к Земле, свет доходил до нее быстрее. Рёмер определил, что свет проходит расстояние от Земли до Солнца за 11 мин. (в действительности – за 8,3 мин), впервые оценив таким образом скорость света. В 1693 г. Кассини уточнил свои таблицы, которые широко применялись астрономами и мореплавателями. Этот же метод был использован для первого точного измерения территории Франции. Размеры страны на практике оказались значительно меньшими, чем ожидалось, на что Людовик XIV в 1693 году заметил: «Никакое военное поражение не сравнится с теми потерями, которые причинило мне усердие моих географов».

Дальнейшее развития методов определения времени и долготы связано с именем голландского математика, физика и астронома Христиана Гюйгенса.

В 1657 г. Гюйгенс получил голландский патент на конструкцию изобретенных им часов, в которых маятник выполнял функцию регулятора хода и обеспечивал превосходную для того времени точность. Центральным элементом конструкции был придуманный Гюйгенсом якорь, который периодически подталкивал маятник и поддерживал незатухающие колебания. Точные и недорогие часы с маятником быстро получили широкое распространение по всему миру.

В 1673 г. Гюйгенс опубликовал классический труд по механике «Маятниковые часы». Кроме теории часов, сочинение содержало множество первоклассных открытий в области анализа и теоретической механики. Это и другие сочинения Гюйгенса имели огромное влияние на молодого Ньютона. Однако все попытки использовать маятниковые часы в условиях корабельной качки успеха не имели, и в 1679 г. Гюйгенс склонился к тому, что морской хронометр должен представлять собой пружинные часы с анкерным механизмом (рис. В.9) и балансиром. Балансир (баланс), заменивший маятник, представляет собой легкое колесо с поперечиной, соединенное с балансирной пружиной (рис В.10).

Рис. В.9. Простейший анкерный механизм

Рис В.10. Современный часовой балансир («баланс»)

Именно по такому принципу почти через 100 лет в Англии был построен первый действующий морской хронометр (см. далее), и по сей день строятся все механические часы.

Для Англии, претендовавшей на роль «владычицы морей», задача определения долготы на море имела первостепенное значение. В 1675 г. согласно королевскому указу была создана Гринвичская обсерватория «для того, чтобы научиться определять такую необходимую долготу с целью совершенствования искусства навигации».

В 1714 г. английский парламент заслушал доклад Ньютона о проблеме морских часов. Ученый закончил свою речь словами: «Часы, на ход которых не должны влиять ни качка корабля, ни изменения температуры и влажности, ни различия в силе гравитации на разных широтах, – такие часы еще не созданы». Парламент решает: выплатить мастеру, сделавшему часы, пригодные для определения долготы в море, 20 тыс. фунтов стерлингов (почти 150 килограммов золота), если часы, «будучи испытаны в пути до Вест-Индии, дадут ошибку не более 30 миль» (т.е. 30 секунд по времени).

З а решение этой задачи взялся часовщик-самоучка из Йоркшира Джон Гаррисон, которому в то время шел двадцать первый год. В 1735 г. Гаррисон представил комиссии Адмиралтейства первый образец созданных им морских часов

(рис. В.11).

Рис. В.11. Первые морские часы Гаррисона (1735 г.)

Часы весили около 35 кг и содержали несколько балансиров, качавшихся в разных плоскостях, что должно было компенсировать влияние морской качки на точность хода. В них был также использован новый, изобретенный Гаррисоном, анкерный механизм (рис. В.12).

Рис. В.12 Анкерный механизм спуска, изобретенный Гаррисоном

Испытания часов прошли не вполне удачно, но мастер понял: он на верном пути. Прошел год, и комиссии был представлен новый вариант механизма, еще через восемь лет – третий. Четвертый вариант хронометра (рис. В.13), законченный в 1761 г., через 36 лет после первого, ничем не напоминал его: законченность внешнего облика и небольшие размеры часов говорили о масштабах проделанной работы.

Рис. В.13. Четвертый вариант хронометра Гаррисона (1761 г.)

Результаты испытаний этих часов поразили всех: за время перехода корабля от Портсмута до Ямайки, занявшего 81 сутки, накопленное расхождение между показаниями хронометра и временем, измеренным астрономическими методами, составило менее 2 секунд. Моряки поверили в хронометр: знаменитый мореплаватель Джеймс Кук взял с собой часы в плавание, продолжавшееся 3 года. За это время хронометр отстал всего на 7 мин. 45 с, что подтверждало – «хранитель времени» действительно был создан.

Заслуженную премию мастер получил только в самом конце жизни, после многочисленных бюрократических проволочек.

Практически одновременно с морским хронометром был изобретен секстант (в морской терминологии – «секстан», рис. В.14) – навигационный измерительный инструмент, используемый для измерения высоты светила над горизонтом с целью определения географических координат.

Рисунок В.14. Секстант

Н апример, измерив высоту Солнца в астрономический полдень, можно, зная дату измерения, вычислить широту местности. Строго говоря, секстант позволяет точно измерять угол между любыми двумя направлениями. Поэтому, зная высоту маяка (с карты), измерив угол между направлениями на основание маяка и на его верхнюю часть и произведя несложный расчет можно узнать дистанцию до него. Также можно измерять горизонтальный угол между направлениями на разные объекты. В секстанте используется принцип совмещения изображений двух объектов при помощи двойного отражения одного из них. Этот принцип изобретен Исааком Ньютоном в 1699 г., но не был опубликован.

С екстант в 1730 г. независимо изобрели два человека – английский математик Джон Хадли и американский изобретатель Томас Годфри.

Главное достоинство секстанта, по сравнению с астролябией и квадрантом, состоит в том, что высота светила измеряется не относительно самого инструмента, а относительно горизонта, что дает бо́льшую точность. При наблюдении через секстант горизонт и светило совмещаются в одном поле зрения и остаются неподвижными относительно друг друга, даже если наблюдатель находится на плывущем корабле. Это достигается благодаря тому, что секстант показывает неподвижный горизонт прямо, а астрономический объект — сквозь два противоположных зеркала.

Астрономическая навигация получила значительные преимущества от изобретения хронометра и секстанта; вместе с компасом они стали основными инструментами судоводителя и не потеряли своего значения до настоящего времени.

Характеристики

Список файлов лекций