Основы ранней навигации

Эпоха исследований была не внезапным всплеском смелых путешествий, а кульминацией веков накопленных знаний, усовершенствованных инструментов и смелых экспериментов. Задолго до спутников и GPS навигаторы полагались на глубокое понимание природных явлений и механических инструментов для пересечения обширных, пустых океанов. Эти моряки разработали набор методов & #8212; небесная навигация, мертвый расчет, прибрежное пилотирование и распознавание ветра & #8212; что позволило им выйти далеко за пределы видимости земли и безопасно вернуться. Каждый метод требовал строгой дисциплины, тщательного ведения учета и готовности принять, что ошибка часто означала катастрофу.

То, что сделало раннюю навигацию замечательной, было синтезом наблюдения и расчета. Навигатор должен был читать небо, чувствовать движение корабля, отслеживать время и поддерживать действующую мысленную модель положения относительно известных точек.Кумулятивным эффектом этих методов был не только более безопасный проход, но и устойчивое накопление географических данных, которые преобразовали бы картографирование из искусства спекуляции в науку измерения.

Небесная навигация

Небесная навигация — это практика использования солнца, луны, планет и звезд для определения положения судна’s. На протяжении веков это был самый надежный метод установления широты, а затем долготы, во время длинных океанских проходов. В отличие от прибрежной навигации, которая опирается на видимые ориентиры, небесная навигация работает в любом месте на Земле, где небо ясное.

Ранние навигаторы разработали различные инструменты и методы для точного наблюдения:

  • Астролябия:] Адаптированная из астрономических инструментов, используемых древними греками и усовершенствованных исламскими учеными, астролябия моряка’s измеряла высоту солнца или звезды над горизонтом. Навигаторы держали инструмент кольцом наверху и читали угол от алидады. В то время как практично, ее было трудно использовать на движущемся корабле, часто давая ошибки нескольких градусов. Тем не менее, она давала исследователям работоспособное чтение широты, которое позволяло им плыть по параллели широты, техника, называемая параллельное плавание .
  • Крестный штаб и задний штаб:] Проще, чем астролябия, кросс-штаб использовал скользящий крестик на градуированном персонале для измерения угла между горизонтом и небесным телом. Задний штаб, или квадрант Дэвиса, улучшил это, позволив штурману отойти от солнца и использовать тени, уменьшая блики и повышая безопасность. Эти инструменты широко использовались португальскими и испанскими мореплавателями в течение 15-го и 16-го веков.
  • Секстант:] Изобретённый в XVIII веке, секстант был прорывом в точности. Он использовал систему зеркал, чтобы наложить изображение небесного тела на горизонт, позволяя одному наблюдателю делать точные показания даже на качающейся палубе. С секстантом умелый навигатор мог определить широту в пределах морской мили. Этот инструмент стал краеугольным камнем небесной навигации почти 200 лет.
  • Морской хронометр:] Широта была относительно легкой для поиска, но долгота требовала точного хронометража. Земля вращается на 15 градусов в час, поэтому каждые четыре минуты погрешности времени переводится на одну степень погрешности долготы. Морской хронометр Джона Харрисона’s, усовершенствованный в 1760-х годах, позволил морякам нести время эталонного меридиана (обычно Гринвича) и сравнивать его с местным полуднем для вычисления долготы. Это единственное изобретение решило величайшую навигационную проблему эпохи и резко улучшило точность карт и карт.

Навигация по небу не была точной наукой на протяжении большей части истории— это было ремесло образованной оценки. Но на протяжении веков постепенные улучшения в инструментах и астрономических таблицах делали ее все более надежной.Королевские музеи Гринвича дают отличный обзор того, как эти инструменты развивались и использовались на практике.

Мертвый расчет

Когда облака скрывали звезды или при плавании вблизи берега, штурманы отступали на мертвый расчёт. Эта техника оценивает текущее положение на основе известной исходной точки, курса, пройденного времени. Оно по своей сути приблизительное, потому что накапливаются токи, подвеска и ошибки управления, но для коротких проходов или в качестве дополнения к небесным фиксациям оно было незаменимым.

Смертельный расчёт требовал тщательного ведения записей:

  • Скоростное измерение: Лог чип был деревянной доской, прикрепленной к узелчатой линии. Моряк выбрасывал логарифм за борт и пропускал линию в течение фиксированного времени, считая узлы, когда они проходили. Количество узлов в этом интервале давало кораблю & #8217; скорость в морских милях в час & #8212; отсюда термин & #8220;узлы. & #8221; Это измерение было введено в журнал вместе с заголовками компаса и временными интервалами.
  • Навигаторы использовали поперечную плату для записи изменений направления и скорости для каждого часа. Эти записи затем были перенесены на график или письменный журнал, что позволило навигатору составить график предполагаемого положения. В течение длительного плавания ошибки от мертвого расчета могли накапливаться до сотен миль, но регулярные небесные исправления могли сбросить оценку.
  • Уход и течения: Опытные мореплаватели научились учитывать боковой дрейф, вызванный ветром и толчком океанских течений. Они разработали правила большого пальца и корректирующие факторы, основанные на конструкции корабля’s и преобладающих условиях.

Мертвый расчет был рабочей лошадкой навигации на протяжении веков. Даже сегодня он преподается как метод резервного копирования, когда электронные системы выходят из строя. В Оксфордской энциклопедии морской истории подробно описывается, как мертвый расчет практиковался на борту кораблей в эпоху исследований.

Прибрежная навигация и пилотирование

Не вся навигация происходила на открытом океане, приближаясь к суше, штурманы перешли к береговому пилотированию, используя видимые ориентиры, звуки и местные знания, чтобы безопасно направлять корабль в гавань.

  • Свинец и линия: Свинцовый вес, прикрепленный к отмеченной линии, был сброшен для измерения глубины воды. Нижний образец (песок, грязь, скала) мог подтвердить местоположение судна’s по сравнению с известными диаграммами. Моряки также использовали звучащий свинец для обнаружения отмелей и опасностей до того, как судно село на мель.
  • Знаменитые подшипники:] Навигаторы должны были использовать компасные подшипники на видных мысах, церквях, башнях или других объектах и наносить их на график, чтобы зафиксировать свое положение.
  • Пилотаж:] В незнакомых или опасных водах корабли часто брали на себя местных пилотов, которые знали каналы, приливы и скрытые скалы.Пилотаж был самой ранней формой специализированной навигации и остается профессией сегодня.

Основные инструменты, которые сформировали морскую разведку

Инструменты, используемые ранними мореплавателями, были больше, чем инструменты— они были расширениями человеческого восприятия, позволяя морякам измерять то, что их чувства не могли.Каждый новый инструмент расширял диапазон, безопасность и точность плаваний, и каждый оставил свой след на картах, которые записывали эти путешествия.

Магнитный компас

Магнитный компас, впервые использованный китайскими моряками и впоследствии принятый европейцами в 12-м и 13-м веках, был преобразующим изобретением.До компаса навигация в пасмурных условиях или вне поля зрения суши была по существу невозможна. Компас обеспечивал постоянную, надежную отсылку к магнитному северу, позволяя штурманам вести последовательный курс независимо от видимости.

Ранние компасы были простыми намагниченными иглами, плавающими на воде или вращающимися на штифте внутри деревянного ящика. К 15 веку европейские компасы были установлены в камуфляже, чтобы компенсировать движение корабля, и включали в себя компасную розу, показывающую кардинальные и межкардинальные направления. Теперь навигаторы могли записывать и сообщать направления с беспрецедентной точностью. Компас также позволил создать линии хумба—прямые линии на диаграмме, которые следуют за постоянным подшипником— ставшие стандартной особенностью портольских диаграмм.

Астролябия и кросс-штаб

В то время как компас обеспечивал направление, астролябия обеспечивала широту. Астролябия моряка’ была тяжелым латунным кольцом с вращающейся алидадой, которая измеряла высоту солнца’s в полдень. Для ее использования штурман держал инструмент кольцом вверху, выравнивал алидаду с солнцем и читал угол. Простота конструкции делала ее прочной и надежной, но точность страдала от движения корабля’s и трудности наблюдения непосредственно в солнце.

Поперечный штаб, введённый позднее, был проще и дешевле. Он состоял из длинного штаба с раздвижным крестиком. Навигатор помещал один конец штаба против щеки и скользил по крестовому краю, пока тот не выровнялся с горизонтом и небесным телом. Хотя грубый, он широко использовался на протяжении веков, особенно английскими и голландскими мореплавателями. Задний штаб, изобретенный Джоном Дэвисом в 16 веке, улучшил это, позволив штурману видеть горизонт и солнце по отдельности, уменьшая погрешность и напряжение глаз.

Секстант

Секстант, разработанный независимо Джоном Хэдли в Англии и Томасом Годфри в Америке около 1731 года, представлял собой квантовый скачок в точности.Используя два зеркала, чтобы привести изображение звезды или планеты в совпадение с горизонтом, секстант позволил одному наблюдателю сделать точное измерение за секунды.Его дуга 60 градусов могла измерять углы до 120 градусов, а его точность около 10 угловых секунд делала определение широты точным в пределах нескольких сотен метров.

Секстант оставался основным инструментом для небесной навигации до конца 20-го века. Современный GPS, возможно, сделал его устаревшим для обычного использования, но каждый морской офицер все еще обучен использовать секстант в качестве резервного копирования. Историческое общество кораблей свободы обсуждает эволюцию секстанта и его устойчивую роль в море.

Морской хронометр

На протяжении веков проблемой долготы был священный Грааль навигации.Широкостность можно было найти от солнца или звезд, но долгота требовала знания времени на эталонном меридиане при одновременном определении местного времени от солнца.Обычные маятниковые часы не работали в море из-за движения корабля, а весенние часы были слишком неточными.

Джон Харрисон, самообразованный английский часовщик, решил проблему с серией морских хронометров. Его H4 хронометр, законченный в 1761 году, представлял собой большие часы, потерявшие всего пять секунд во время девятинедельного плавания на Ямайку. После многих лет испытаний и политического маневрирования Харрисон был удостоен премии Board of Longitude. Морской хронометр позволил мореплавателям определять долготу в пределах 30 миль или лучше в дальних плаваниях, впервые преобразовав трансокеаническую навигацию и сделав точными карты мира.

Как навигаторы создавали и использовали карты

Карты и карты были записанной памятью исследования. Без них знания, полученные в одном путешествии, не могли быть переданы в другое. Ранние мореплаватели часто были своими картографами, рисуя береговые линии, записывая звуки и отмечая опасности, когда они плыли. Эти документы стали основой для печатных карт, которые направляли более поздних исследователей и формировали европейское понимание мира.

Портоланские диаграммы

Портольские карты появились в Средиземноморье в 13 веке и представляют собой первые настоящие навигационные карты. В отличие от более ранних карт, которые часто были схематическими или символическими, портольские карты были практическими инструментами для парусного спорта.

  • Подробные береговые линии с гаванями, бухтами, мысами и устьями рек, взятыми из прямого наблюдения.
  • Линии рамок, излучающие компасные розы, позволяющие навигаторам наносить курсы прямо на график с помощью выпрямления.
  • Шкальные полосы для измерения расстояний.
  • Имена портов и прибрежные особенности написаны перпендикулярно побережью, чтобы их можно было читать с моря.

Портольские карты были удивительно точны для своего времени, особенно в Средиземном и Черном морях.Они были нарисованы на вельуме, часто красиво украшенном, но их ценность была практичной: штурман мог использовать портоланскую карту для планирования путешествия, оценки расстояний и идентификации портов убежища.Традиция портоланского картографирования продолжалась в 17 веке и повлияла на более позднее голландское и английское картографирование.

Карты мира и эволюция географических знаний

Великие мировые карты 15-го и 16-го веков, такие как карты Птолемея, Вальдсима и 252;ллера, Меркатора и Ортелиуса, были попытками синтезировать знания, принесенные исследователями в целостную картину земного шара.Эти карты часто были неточными по современным стандартам, но каждое издание включало новые открытия и исправляло старые ошибки.

Птолемеевские карты 2-го века нашей эры были вновь открыты в Европе в 15-м веке и стали основой для ранних карт мира. Они показали мир, который был примерно точным по форме, но слишком маленьким & #8212; ошибка, которая побудила Колумба поверить, что он может достичь Азии, попав на запад. По мере того, как исследователи возвращались с новыми данными, картографы постепенно обновляли свои прогнозы и содержание.

Проекция Меркатора, разработанная Герардом Меркатором в 1569 году, стала прорывом для навигации. Проецируя земной шар на цилиндр, Меркатор создал карту, на которой прямые линии постоянного подшипника появились как прямые. Это облегчило навигаторам нанесение курса с использованием только компаса и выпрямителя, хотя проекция искажала область на высоких широтах. Проекция Меркатора остается стандартом для морских карт сегодня.

Коллекция Портольских карт Британской библиотеки и No8217 предлагает увлекательный взгляд на то, как эти документы развивались и как они использовались моряками.

Влияние навигации на картографирование

Каждое улучшение навигации напрямую входило в картографирование. Более совершенные инструменты давали более точные фиксации положения, что позволяло картографам с большей уверенностью строить береговые линии и острова. И наоборот, лучшие карты позволяли мореплавателям планировать более длительные и амбициозные путешествия. Эта положительная обратная связь способствовала быстрому улучшению обоих полей в эпоху исследований.

Улучшения в точности

До широкого использования небесной навигации по долготе карты отдаленных регионов могли быть дико искажены. Целые береговые линии могли быть неуместны на сотни миль. Введение морского хронометра изменило это, позволив исследователям точно определить долготу и записать ее для картографов.

На суше триангуляция позволяла картографам измерять большие расстояния, наблюдая углы от исходной линии. В море мореплаватели использовали тот же принцип для составления карт береговых линий, взяв подшипники на видные черты с нескольких позиций. Сочетание небесных фиксированных элементов и триангуляционных съемок создавало карты, которые становились все более надежными.

Стандартизация картографических прогнозов

По мере накопления более точных данных картографы разрабатывали более точные способы представления сферической Земли на плоской бумаге. Проекция Меркатора была наиболее важной для навигации, но другие— такие как гномоническая проекция, которая показывает большие круги как прямые— имели специализированное использование. К 18 веку картографы в Нидерландах, Франции и Англии производили стандартизированные диаграммы с последовательными масштабами, символами и конвенциями. Это позволило навигаторам доверять диаграммам от разных издателей и делиться данными через национальные границы.

Роль исследования в расширении географических знаний

Каждое путешествие по исследованию добавляло новые фрагменты к географической головоломке. Например, три путешествия Кука в Тихий океан дали точные карты Новой Зеландии, Восточной Австралии и многих островов Тихого океана. Кук носил современный хронометр и секстант, и его карты были настолько точными, что они оставались в использовании в течение десятилетий. Его работа продемонстрировала способность сочетать квалифицированную навигацию с систематическими съемками: каждая новая карта была не просто записью того, где он был, но инструментом для тех, кто будет следовать.

Наследие ранних навигационных технологий

Техники, разработанные ранними мореплавателями, не исчезли с появлением современной техники, эволюционировали и были поглощены обучением и практикой моряков на протяжении поколений.Даже сегодня принципы небесной навигации, мертвого расчёта и карточности составляют основу морского образования.

Влияние на современную навигацию

GPS и электронная картография сделали традиционную навигацию в значительной степени ненужной для рутинного прохождения, но каждый профессиональный моряк изучает старые методы в качестве резервного копирования и в качестве основы для понимания положения, скорости и направления. Секстант по-прежнему преподается в военно-морских академиях и колледжах торгового флота. Концепция мертвого расчёта встроена в каждую интегрированную навигационную систему, которая использует расчетное положение между спутниковыми фиксациями. Дисциплина ведения журнала, составления курса и проверки позиции через регулярные промежутки времени происходит непосредственно из практики ранних навигаторов.

В авиации небесная навигация использовалась на дальних полётах до 1990-х годов, а инерциальные навигационные системы — не что иное, как высокоавтоматизированный мертвый расчёт.Наследие ранней навигации видно в каждой системе, определяющей положение путём интеграции движения во времени.

Культурные и экономические последствия

Способность надежно перемещаться по океанам имела глубокие экономические и культурные последствия. Это позволило создать глобальные торговые сети, обмен зерновыми культурами, животными и болезнями между континентами и распространение европейского влияния на Америку, Африку и Азию. Точные карты сделали эти путешествия более безопасными и эффективными, уменьшив риск кораблекрушения и позволив торговцам планировать маршруты с уверенностью.

На культурном уровне карты формировали то, как люди понимали мир. Ранние карты мира отражали не только географию, но и убеждения, предубеждения и амбиции их создателей. Картографы Эпохи Исследований часто работали на имперские державы, а их карты были инструментами завоевания, а также инструментами навигации. Эволюция от спекулятивных, символических карт к размеренным, точным картам отражает более широкий переход от средневекового к современному способу мышления.

Заключение

Искусство исследования было построено на основе практической изобретательности и неустанного любопытства. Ранние мореплаватели использовали небесные тела, механические инструменты и тщательный учет, чтобы пересечь океаны, которые никогда не пересекались, и они записывали свои открытия в диаграммах и картах, которые становились более точными с каждым рейсом. Их методы & #8212; небесная навигация, мертвый расчет, пилотирование компаса и точное хронометраж & #8212; были не только необходимы для выживания, но и привели к развитию картографии из искусства воображения в науку измерения.

Созданные ими карты открыли мир для торговли, колонизации и культурного обмена. Более того, они расширили человеческое воображение, показав, что Земля была познаваема и судоходна. Наследие ранних мореплавателей не только в оставленных ими картах, но и в духе исследований, которые продолжают раздвигать границы, будь то через океаны, в космос или в цифровые границы нашего времени.