Что используют моряки для определения местонахождения в океане
Как моряки прошлого узнавали географические координаты места, где они находятся?
Дальние морские путешествия люди совершали еще в древности. Например около 600 года до н. э. финикийские мореходы обошли вокруг Африки. А в 325 году до н.э. древнегреческий путешественник Пифей, плывя вдоль берегов Европы, добрался до Полярного круга. Однако эти странствия, как и другие, им подобные, не требовали от моряков сложных навигационных знаний. Достаточно было просто плыть вдоль побережья. Если же буря относила корабль в открытое море, направление к берегу узнавалось по Солнцу или звездам.
Всё усложнилось, когда путешественники начали плавать через океаны. Здесь морякам понадобилось как-то определять свое местоположение в пространстве. Это можно было сделать двумя способами. Например всё время следить за направлением и скоростью корабля и на основании этих наблюдений рассчитать, куда он переместился. А можно каждый раз заново определять географическую широту и долготу места, до которого доплыло судно.
С ДОСКОЙ ЗА КОРМОЙ
Первый метод очень неточен. Дело в том, что если направление движения судна (то есть его курс) определялось сравнительно несложно – по Солнцу, звездам или компасу, то измерение скорости было большой проблемой. Обычно для этого использовали лаг – небольшую доску с привязанной к ней веревкой и грузом. На веревке на одинаковом расстоянии друг от друга были завязаны узлы. Лаг выбрасывался за борт и подсчитывалось количество узлов, ушедших за борт за определенное время (например за минуту).
Отсюда, кстати, происходит единица измерения скорости, до сих пор применяемая на флоте, – узел. Понятно, что точность такого измерения оставляла желать лучшего – хотя бы потому, что минуту обычно засекали… читая определенную молитву. Даже если путешествие через океан проходило в идеальных условиях, конечная точка пути нередко определялась с ошибкой 100-150 км.
А уж куда унесло корабль во время бури, когда ни за курсом, ни за скоростью судна уследить было невозможно, оставалось только догадываться. Тем не менее, в течение многих столетий моряки вынуждены были пользоваться именно этим способом навигации. Почему? Сейчас объясним, но сперва расскажем о втором методе.
Определять географическую широту путешественники научились очень давно – для этого были придуманы такие приборы, как квадрант и астролябия. С их помощью с большой точностью можно измерить высоты небесных светил над горизонтом. Легче всего определять широту с помощью Полярной звезды – ее высота над горизонтом равна широте места наблюдения. (В южном полушарии вместо Полярной звезды использовали центр созвездия Южный Крест.) А вот отсутствие надежного метода определения долготы несколько веков было настоящей головной болью для мореходов.
Хотя, казалось бы, проблема решалась просто. Нужно было всего лишь взять с собой в плавание точные часы, показывающие время на нулевом меридиане. Днем, около полудня, выйти на палубу и заметить, когда тень от мачты станет самой короткой. Это время – астрономический полдень. В этот момент нужно посмотреть на часы.
Сколько они показывают? Допустим, час дня. Значит, Солнцу понадобился этот час, чтобы добраться от нулевого меридиана до той точки, где сейчас находится корабль. Но если Солнце обходит всю Землю (360 градусов) за 24 часа, значит, за один час оно пройдет 15 градусов. Вот и всё, долгота измерена! И даже никаких приборов с непонятными названиями, как для измерения широты, не понадобилось – только обычные часы.
Но это сейчас мы можем пойти в соседний магазин и приобрести там часы с точным ходом. А в XVI, XVII и даже в начале XVIII века единственным способом измерять время на корабле были склянки – песочные часы, которые надо было переворачивать каждые полчаса. Разумеется, это – не лучший прибор для определения времени. Но на стрелочные часы надеяться и вовсе не приходилось: достаточно сказать, что на большинстве часов тех лет была только одна стрелка – часовая. Конечно, плавать через Атлантический океан из Европы в Америку можно, и не умея определять долготу: плыви себе на запад, и рано или поздно упрешься в материк. А вот найти небольшой острое посреди океана, не зная его долготу, было гораздо сложнее. Поэтому многие острова в Тихом океане открывали, а затем опять теряли на долгое время. Например Соломоновы острова были открыты в 1568 году испанским мореплавателем Альваро Менданья де Нейра. Через 27 лет Альваро отправился их колонизировать. Однако, из-за того, что долгота этих островов была неизвестна, найти их вторично не удалось (хотя в ходе поисков экспедиция открыла несколько других островов). И лишь через 200 лет после открытия, в 1767 году, на Соломоновы острова случайно наткнулся англичанин Филипп Картерт.
Словом, понятно, что не имея возможность точно определить свою долготу, корабли нередко проплывали мимо цели, садились на мель и разбивались о скалы даже у европейских берегов, казалось бы, давно и хорошо известных. Особенно от этого страдала Великобритания, обладавшая большим флотом. Поэтому в 1714 году британский парламент предложил премию 10 000 фунтов стерлингов (огромные деньги по тем временам!) тому, кто придумает метод, позволяющий определять долготу с погрешностью не более одного градуса. Причем для получения преми, определение долготы должно было производиться в Вест-Индии, путь до которой занимал тогда почти два месяца. А так как Солнце проходит один градус за четыре минуты, то задача сводилась к следующему: нужно было сделать часы, которые спешили или отставали бы не более чем на четыре минуты за два месяца. В 1728 году за эту работу взялся часовщик-самоучка Джон Харрисон. Первые несколько его моделей оказались неудачными. Наконец, после 32 лет работы, Харрисону удалось создать корабельный хронометр с требуемыми характеристиками и получить заслуженную премию и прозвище Долгота в придачу. Вскоре хронометрами модели Харрисона обзавелись капитаны всех судов – сначала в Великобритании, а затем и в других странах.
Ну а в XX веке определение координат вышло на совсем другой уровень: сперва появилось радио, передающее сигналы точного времени, затем – электронные часы и, наконец, спутниковые системы навигации. Сегодня, используя GPS-навигацию вкупе со специальным методом, можно определить координаты с точностью до… 1 см! И, тем не менее, на кораблях многих стран мира вахтенные матросы по традиции отбивают склянки – звонят в колокол каждые полчаса, а все штурманы морского флота умеют пользоваться старинными приборами: мало ли что может случиться с электроникой…
Навигационные приборы и устройства
Из истории мореплавания.
Чтобы оценить чрезвычайное мужество мореплавателей, которые осваивали ближнюю, а затем и дальнюю Атлантику, надо вспомнить, какими жалкими средствами они располагали для определения своего местонахождения в открытом море. Перечень будет краток: моряки XV века, в том числе и Христофор Колумб, не обладали практически ничем, что помогло бы им решить три главных задачи любого мореплавателя, отправляющегося в дальнее плавание:
держать курс,
измерять пройденный путь,
знать с точностью свое настоящее местоположение.
Для успешных плаваний в море были необходимы не только карты и лоции, но приборы, позволяющие вычислять время и координаты корабля, а для планирования путешествий – компас и измерители скорости.
У моряка XV века в распоряжении имелись всего лишь примитивная буссоль (в различных вариациях), грубые песочные часы, кишащие ошибками карты, приблизительные таблицы склонения светил и, в большинстве случаев, ошибочные представления о размерах и форме Земли! В те времена любая экспедиция по океанским просторам становилась опасной авантюрой, часто со смертельным исходом.
Морской хронометр. (или корабельное время)
Морской хронометр: 1 — хронометр; 2 — футляр; 3 — карданный подвес.
В 1530 году голландский астроном Гемма Фризий (1508-1555) в своем труде «Принципы астрономической космографии» предложил способ определения долготы с помощью хронометра, но отсутствие достаточно точных и компактных часов надолго оставили этот метод чисто теоретическим.
Этот способ был назван хронометрическим. Почему же способ оставался теоретическим, ведь часы появились много ранее?
Дело в том, что часы в те времена редко могли идти без остановки в течение суток, а их точность не превышала 12–15 минут в сутки. Да и механизмы часов того времени не были приспособлены для работы в условиях морской качки, высокой влажности и резких перепадов температуры. Конечно, кроме механических, в морской практике долгое время использовались песочные и солнечные часы, но точность солнечных часов, время «завода» песочных часов были совершенно недостаточными для реализации хронометрического метода определения долготы.
Сегодня считается, что первые точные часы были собраны в 1735 англичанином Джоном Гаррисоном (1693-1776). Их точность составляла 4–6 секунд в сутки! По тем временам это была просто фантастическая точность! И более того, часы были приспособлены для морских путешествий!
До изобретения механических часов проблема измерения времени была одной из наиболее сложных. Вплоть до 17 века песочные часы оставались единственным средством измерения времени в море. Песочные часы состояли из двух стеклянных сосудов, соединенных тонким отверстием. Сосуды заполнялись песком и запаивались, а количество песка было таким, чтобы за 1 час он полностью пересыпался из одного сосуда в другой, после чего часы переворачивали. Разумеется, что изменяя количество песка, можно было изменять промежуток времени, за которые песок пересыпался из одного сосуда в другой.
С появлением механических часов ими стали оснащать все морские суда, причем этот прибор считался настолько важным, что его запрещалось выносить с корабля для корректировки и навигатор брал на берег маленькие переносные часы, выставлял на них точное местное время и уже по их показаниям корректировались корабельные часы.
Первые часы, редко могли идти без остановки в течении суток, а точность их хода не превышала 12-15 минут в сутки. Лишь в 1735 году морские часы, изготовленные англичанином Джоном Гаррисоном, достигли точности 4-6 секунд в сутки.
Лаглинь.
Помимо необходимости измерения координат корабля морякам также было важно знать и третью координату – глубину под кораблем. Особенно важно было знать глубину в гаванях, устьях рек и других прибрежных водах, чтобы избежать повреждения судна о дно. Для этого использовался простой прибор, который представлял из себя свинцовый груз весом в несколько килограмм, подвешенный на легком лине, длина которого достигала десятков метров и на котором через определенное расстояние вешались метки или завязывались узлы. Такой измеритель глубины использовался со времен Древнего Египта до XX века. Лаглинь бросали за борт вперед по ходу судна и, когда он достигал дна, считывали маркировку на лине.
Дощечка бросалась в воду с кормы корабля и после ее падения в воду подсчитывалось число узелков, прошедших за 30 секунд. Дощечка удерживалась в воде, в то время как судно двигалось вперед и линь начинал разматываться с бобины. Число узелков и была скорость корабля, измеренная в узлах, то есть в морских милях в час. Этот метод измерения давал весьма грубый результат, но длительное время оставался единственным, который позволял измерять скорость судна.
Если рассчитать расстояние между узелками, то с первого взгляда оно должно составлять 15,43 м, ведь если период измерения это 1\120 часа, то 1\120 морской мили будет именно 15,43м ( 1852/120), тем не менее принято расстояние 14,46м, так как за счет этого компенсируется неточность измерения за счет проскальзывания дощечки по воде.
Астролябия.
Астролябия предназначалась для определения высота стояния небесных тел, так как, зная высоту и точное время, можно было определить широту, на которой находится судно. Плоско-сферическая астролябия была известна еще в Древней Греции приблизительно в 240 году до нашей эры, тогда же этот инструмент получил и свое название. На протяжении двух тысячелетий этот научный инструмент оставался практически неизменным.
Арабские ученые и математики разработали это простой, но точный механизм, способный определять время и находить небесные тела. Обычно морская астролябия состояла из сбалансированного металлического кольца с нанесенными на нем отметками, в центре которого находилась свободно вращающаяся планка с визиром (диоптр). Визир при повороте отсчитывал градусы, что позволяло измерять угол подъема солнца или звезд.
Мореплаватели, начиная с 1480 года, и вплоть до середины 18 века использовали астролябию и специальные таблицы, по которым определялась широта местоположения корабля. Для уменьшения погрешности измерения диаметр астролябии составлял 13-15 см, но многие английские мореплаватели использовали более точные астролябии диаметром до 20 см.
Для проведения измерений необходимо было навести астролябию на солнце или звезду. Зафиксировав разницу в показаниях между направлением на небесное тело и горизонт, а также зная местное время, можно было с помощью специальных таблиц определить широту места. Круг этот подвешивался на кольце в вертикальной плоскости, и посредством алидады, снабженной диоптрами, наблюдались звезды, высота которых отсчитывалась на лимбе, к которому впоследствии приделывался нониус. Если широта была известна, то по тем же таблицам можно было с высокой точность определить местное время.
Современным потомком астролябии является планисфера — подвижная карта звёздного неба, используемая в учебных целях.
Начиная со второй половины 19 века, на смену астролябии пришли квадранты, позволявшие проводить более точные измерения.
Квадрант.
Примитивный инструмент для измерения высоты звезд и определения широты
Как уже стало ясно, понятия 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. Сегодня пальма первенства в использовании широты и долготы присуждается Гиппарху из Никеи (ок. 190–125 гг. до н. э.), который предложил метод определения долготы разных точек по измерению местного времени при наблюдении лунного затмения. Кроме того, Гиппархом была изобретена астролябия (греч. astron — «звезда», и labe — «схватывание») — угломерный инструмент, служивший с древнейших времен до начала XVIII века для определения положения небесных светил. Раньше для тех же целей использовался квадрант.
Секстант.
Устройство прибора, основанного на принципе двойного отражения, впервые разработал Исаак Ньютон в 1699 году, но его открытие не было опубликовано и не нашло практического применения.
В 1731 году английский оптик Джон Хэдли усовершенствовал астролябию. Новый прибор, получивший название октант, позволял решить проблему измерения широты на движущемся судне, так как теперь два зеркала позволяли одновременно видеть и линию горизонта и солнце. Но октанту не досталась слава астролябии: за год до этого Хадли сконструировал секстант — прибор, позволявший с очень большой точностью измерять местоположение судна.
Секстант это наиболее современный и совершенный прибор для измерения угловых координат небесных тел. Секстант позволяет измерять как широту, так и долготу точки наблюдения, причем с довольно высокой точностью.
Секстант состоит из двух зеркал: указательного и неподвижного наполовину прозрачного зеркала горизонта, а также измерительной линейки и указательной трубы. Для измерений секстант настраивают таким образом, чтобы его зрительная труба была направлена на линию горизонта. Свет от небесного объекта (звезды или солнца) отражается от указательного зеркала и падает на неподвижное зеркало горизонта. Угол наклона указательного зеркала, отсчитываемый по указательной линейки и есть и есть высота стояния небесного тела.
Зная точное местное время по специальному астрономическому справочнику можно определить широту и долготу места нахождения наблюдателя. Секстант имел указательную линейку с сектором в 60 градусов, а более компактный октант – только 30 и у него отсутсвует зрительная труба, так как вместо нее применяется простой визир. Во всем остальном эти приборы совершенно одинаковы.
Компас.
Одним из первых навигационных «приборов» можно считать соларстейн (в переводе с древнескандинавского — «солнечный камень»). С его помощью можно было определить положение солнца в туманную погоду. Он несколько раз упоминается в текстах древних викингов.
Явление магнетизма было подмечено людьми еще в глубокой древности. История магнетизма богата наблюдениями и фактами, различными взглядами и представлениями.
Сегодня считается, что впервые свойства магнитного железняка описал Фалес Милетский в VI веке до н. э. Это были чисто теоретические выкладки, не подтвержденные опытами. Фалес дал маловразумительное объяснение свойствам магнита, приписывая ему «одушевленность». Через столетие после него Эмпедокл объяснял притяжение железа магнитом некими «истечениями» из него какой-то нематериальной субстанции.
В морской навигации магнитные явления использовались со времени раннего средневековья. В конце XII века в трудах англичанина Некаме и француза Гио де Провенс впервые описана простейшая буссоль (фр. boussole)- устройство, позволяющее определять магнитный азимут в море. Хотя в Китае буссоль применялась для навигации еще до нашей эры. В Европе же она приобрела распространение лишь в XIII веке.
Первым экспериментатором, занявшимся магнитами, был Петр Перегрин из Марикура (XIII век). Он опытным путем установил существование магнитных полюсов, притяжение разноименных полюсов и отталкивание одноименных. Разрезая магнит, он обнаружил невозможность изолировать один полюс от другого. Он выточил сфероид из магнитного железняка и пытался экспериментально показать аналогию в магнитном отношении между этим сфероидом и землей. Этот опыт впоследствии (в 1600 году) еще более наглядно воспроизвел Гильберт.
Первые компасы, изобретенные независимо друг от друга в Азии и в Скандинавии около XI века, пришли на Средиземноморское побережье Европы в XII веке и представляли собой плавающую в наполненной водой раковине дощечку. К одному из ее концов был прикреплен кусочек каламита — камня, обладающего природными магнитными свойствами, привозимого из Магнезии в Греции, где он очень распространен. Такой компас хорошо действовал лишь при незначительной качке на корабле.
Лисица (вахтенная доска, траверса)
Вахтенная доска использовалась навигаторами как своеобразная записная книжка. Наибольшее распространение этот инструмент получил в Англии и Дании. С помощью вахтенной доски можно было записывать важнейшие события, произошедшие на корабле – смена курса или заступление на вахту и затем производить различные путевые вычисления.
Вахтенная доска представляла собой простую деревянную доску, в которой просверливалось множество отверстий. На доске укреплялось несколько стержней, которые соответствовали различным событиям. Верхняя часть доски, выполненная в виде диска имела 32 сектора, аналогично секторам компаса. Каждый сектор имел по 8 отверстий, расположенных радиально. Набор из 8 стержней закреплялся в центре диска. Каждые 30 минут вахтенный офицер сверял курс по компасу и вставлял стержень в отверстие того сектора, который соответствовал направлению движения корабля. Через 4 часа происходила смена вахты и стержень, установленный 4 часа назад вставлялся в новое отверстие и так далее.
Для фиксации скорости в нижней части был аналогичный участок квадратной формы, каждая строка которого соответствовала 30-минутным интервалам, а столбцы – скорости. В конце каждого 4 часа вахтенный офицер подсчитывал количество стрежней и легко мог рассчитать расстояние, пройденное кораблем. Дополнительный участок доски позволял вести счет вахтам. Вахтенная доска была простым и надежным способом расчета движения корабля, который к тому же никак не зависел от погоды.
Навигационные приборы
В XVII веке Англия, Франция и Голландия объявили, что выплатят солидные награды тому, кто найдет способ точного определения долготы.
Современному человеку, пользующемуся навигатором, сложно представить себе путешествие без помощи этого прибора. Навигатор делает саму сложную, черновую работу: высчитывает курс, прокладывает удобный маршрут. Человеку остается только двигаться и следовать ценным указаниям. Такую роскошь могут позволить себе наши современники. Но раньше людям приходилось самим высчитывать курс и строить маршрут. У большинства великих путешественников, чьи имена навеки сохранила история (Магеллан, Колумб) не было даже приблизительных карт тех местностей, в которых они оказывались. Навигация и ориентирование были сложным и очень тонким делом, а любая ошибка могла стоить путешественникам жизни.
Колесница, указывающая на юг, считается одним из первых навигационных приборов, созданных человеком. По легенде, она была изобретена в Китае более четырех с половиной тысяч лет назад. Создание колесницы приписывается Хуан ди, который также известен, как Желтый Император. Персонаж этот почти мифический. Это китайский аналог легендарного короля Артура. Хуан-ди считается прародителем всех китайцев и основоположником даосизма.
На протяжении долгой истории Китая колесница много раз переизобреталась. Точно известно, что она существовала в 200 году нашей эры. Сложно устроенный механизм работал по очень простому принципу. На колеснице была закреплена фигурка человека с вытянутой рукой, которая всегда указывала на юг. При любом повороте и направлении движения, хозяин колесницы мог определить стороны света. Этот принцип был положен в основу многих других навигационных приборов. Современные компасы, как мы знаем, изначально указывают на север.
Компас
Компас, предположительно, также был изобретен в Китае во времена династии Сун (960−1274 гг). Использовался он в основном при переходах через степи и пустыни. Подробно описан компас был лишь в XII-м веке. В Европе этот прибор появился приблизительно в XI-м столетии, правда, он был не сильно похож на современный компас. Изначально это была магнитная стрелка, закрепленная на пробке. Это нехитрое устройство опускалось в воду. В воде стрелка ориентировалась нужным образом. Существуют предположения, что именно такой компас использовали скандинавские мореплаватели, которые, как мы знаем, около 1000 года впервые пересекли Атлантику и побывали в Америке, которая, впрочем, тогда еще так не называлась. В дальнейшем компас не раз совершенствовался.
Румбы (деления картушки) придумал итальянец Флавио Джойя, живший в XIV-м веке. Он же надел стрелку на шпильку и создал картушку. При этом Джойя использовал деление на 16 румбов. До 32-х это число увеличилось лишь в XVI-м веке. При этом моряки нередко сталкивались с проблемами из-за качки, которая оказывала влияние на работу компаса. Для решения этой проблемы стали использовать карданов подвес. Любопытно, что эта знаменитая опора носит имя человека, который не только не изобретал ее, но даже и не претендовал на авторство. Итальянец Джероламо Кардано просто описал это устройство.
Подвес, впрочем, не был универсальной страховкой. «Обмануть» компас мог любой профессиональный моряк. Люди, читавшие «Пятнадцатилетнего капитана», помнят, как Негоро положил под компас топор, заставив корабль сильно отклониться от курса.
Компас компасом, но путешествовать люди начали задолго до его появления. Древние греки ходили по Средиземному и Черному морям. Финикийцы, предположительно, огибали Африку. Ни у тех, ни у других компаса не было. А ориентировались они, очевидно, не только по звездам. Ответ на вопрос, использовались ли греками какие-либо навигационные приборы, был получен в 4 апреля 1900-го года. В этот день группа греческих водолазов обнаружила на затонувшем корабле предмет, который позже стал известен как антикитерский механизм.
Дело в том, что затонувший древнеримский корабль, на котором было установлено устройство, был обнаружен возле острова Антикитера. Механизм представлял собою 37 бронзовых шестеренок в деревянном корпусе, на котором были размещены циферблаты. Ученые доказали, что устройство применялось для расчета движения небесных тел. Антикитерский механизм, найденный на корабле, был создан не позднее 85-го года до н. э.
Карты
Карта, конечно, не прибор, но важно понимать, что к идее создания карт человечество пришло далеко не сразу. И до поры до времени это были просто картинки, ориентироваться по которым было почти невозможно. На Средневековых картах мы, непременно, увидим в центре Иерусалим, соединяющий Азию, Африку и Европу. Что любопытно, части света на каждой карте изображались по-своему. Африка могла оказаться на севере, Европа на юго-востоке, а Азия не Северо-западе от Иерусалима.
Революцию в картографии произвел голландец Герард Меркатор, который первым в Европе стал делать подробные и точные карты. В 1569-м году он начал составлять карты в равноугольной цилиндрической проекции. Сделав их такими, какими мы привыкли видеть их теперь.
Навигационные приборы моряков
Во второй половине XV-го века началась Эпоха Великих географически открытий. Плавания на дальние расстояния (зачастую в совершенно неизвестные края) поставило перед моряками новые задачи. Они были связаны, в первую очередь, с необходимостью точно определить свое местонахождение. А значит, необходимы были приборы для определения широты и долготы. Со времен Древней Греции были известны гномон и астролябия — астрономические инструменты для нахождения широты.
Изобретателем астролябии считается женщина — Гипатия Александрийская. Примерная дата создания — 370 год до нашей эры. Причем применяли астролябию в начале в архитектуре для измерения высоты объектов. В Европе ее начали использовать лишь в XII-м веке для определения высоты небесных тел. Позднее, уже в XVIII-м веке был изобретен секстант — более совершенный прибор для определения широты. Принцип определения описал еще Исаак Ньютон. Он, правда, не опубликовал его, так что «отцом» секстанта считается английский математик Джон Хейли.
С измерением долготы все обстояло сложнее. Определить ее по углу возвышения Полярной звезды, как широту, возможным не представлялось. В XVII-м веке Англия, Франция и Голландия объявили, что выплатят солидные награды тому, кто найдет способ точного определения долготы. Свои методы предлагали многие ученые, включая Галилео Галилея. Его проект состоял в том, чтобы измерять долготу по положению спутников Юпитер. Метод этот, однако, требовал не только сложнейших вычислений, но и новых астрономических инструментов, которых в то время еще не существовало. Голландец Фризиус Гемме, в конце концов, предложил определять долготу, сравнивая время в точке нахождения со временем в порту отправки. Точные часы, позволявшие воплотить эту идею в жизнь, были созданы в 1749-м году Джоном Харрисоном.
Его хронометр вскоре стал неотъемлемой частью любого выходившего в море корабля. Долгота определялась по разнице во времени между точкой нахождения и Гринвичем.