Ранняя навигация: до компаса

Задолго до того, как компас и секстант направляли моряков через открытый океан, навигация была искусством, зависящим от естественных сигналов и непосредственной близости к суше. Древние полинезийцы наблюдали звезды, океанские набухания и птичьи полеты на остров-хоп через огромные расстояния Тихого океана. Средиземноморские моряки древности использовали ориентиры, ветровые узоры и рудиментарные свинцовые линии для измерения глубины. В Северной Европе мореплаватели полагались на солнце, Северную звезду и полет мигрирующих птиц. Эти методы были эффективны для прибрежной навигации, но стали опасными в тот момент, когда судно потеряло из виду землю. Потребность в надежном, всепогодном инструменте поиска направления стала актуальной, поскольку торговые пути расширялись за пределы Средиземного моря и в Атлантику, Индийский океан и в конечном итоге земной шар.

Ранние индийские и арабские мореплаватели также разработали сложные методы с использованием Камала — простой деревянной таблички, используемой для измерения высоты Полярного моря — и сложных звездных календарей. Однако эти методы требовали ясного неба и обширной подготовки. Компас менял все, обеспечивая постоянную направленную отсчет независимо от погоды или времени суток.

Компас: революционный инструмент

Магнитный компас, как полагают, был изобретен в Китае во время династии Хань (приблизительно 206 г. до н.э. до 220 г. н.э.), первоначально используемый для гадания и геомантии, направленные свойства лодестоуна были позже применены к навигации династией Сун (11 век). Первые компасы были простыми ложевидными кусочками лодестоуна, плавающими в воде или сбалансированными на повороте. Китайские моряки использовали их для путешествий через Южно-Китайское море и Индийский океан к 12 веку.

Как работает компас

В основе компаса лежит намагниченная игла, свободно вращающаяся в горизонтальной плоскости. Сама Земля действует как гигантский магнит, с магнитными полюсами вблизи, но не совсем совпадающими с географическими полюсами. Компас выравнивается с местным магнитным полем, указывая на магнитный север, а не на истинный север. Это склонение — угловое различие между магнитным и истинным севером — не было полностью понято на протяжении веков, вызывая значительные навигационные ошибки. Ранние компасы были просто намагничены иглами, намагниченными на опорный камень, установленный на стержне внутри сухой или заполненной жидкостью чаши. Несмотря на свою простоту, компас давал морякам возможность проводить последовательный курс даже в тумане, облаке или полной темноте.

Распространение компаса в Европе и исламском мире

Из Китая компас распространился по торговым путям на Индийский субконтинент и исламский мир. Арабские моряки приняли инструмент к 13 веку, и он достиг европейских берегов через средиземноморские торговые сети. Первое европейское упоминание о компасе появляется в трудах английского учёного Александра Некама около 1190 г. К концу 13 века средиземноморские моряки регулярно использовали компас, а улучшения, такие как сухой поворот и поднимающийся компас (круг, обозначающий 32 точки), сделали его более практичным. Изобретение подвесной горы в 16 веке сохранило уровень компаса на катящихся судах, еще больше повысив его надежность.

Влияние на разведку

Введение компаса произвело революцию в морской разведке, что позволило мореплавателям:

  • Навигация по открытым водам, не полагаясь исключительно на ориентиры.] Вместо того, чтобы обнимать береговые линии, корабли могли наносить удары по открытому морю, резко сокращая маршруты и открывая новые океаны для разведки.
  • Путешествие дальше от побережья, что привело к открытию новых территорий.[1] Компас позволил совершить такие путешествия, как массовые экспедиции флота Чжэн Хэ через Индийский океан (1405–1433) и заложил основу для эпохи открытий Европы.
  • Улучшить торговые пути и установить связи между отдаленными землями. Компас в сочетании с улучшенными конструкциями кораблей, такими как каравелла, сделал возможным португальское кругосветное плавание Африки и Атлантический переход Колумба. Без компаса великие путешествия да Гамы, Магеллана и Дрейка были бы немыслимы.

Несмотря на свою преобразующую силу, компас имел ограничения. Он не мог определить широту или долготу, а также не мог объяснить магнитное склонение без тщательной калибровки. Морякам все еще нужно было комбинировать показания компаса с мертвым расчетом - оценкой скорости и пройденного расстояния - которые накапливали ошибки в длительных рейсах.

Развитие измерения широты: эпоха небесной навигации

В то время как компас решал проблему направления, определение положения корабля с севера на юг (широта) оставалось проблемой на протяжении веков. Древние мореплаватели использовали возвышение Полярной звезды над горизонтом. Простой способ измерить это был с помощью кросс-штабной астролябии или . Астролябия моряка, тяжелый латунный диск с вращающейся алидадой, использовалась для измерения высоты солнца или звезд. Однако ее было трудно использовать на движущемся корабле и она была точной только в пределах градуса или двух — ошибка около 60-120 морских миль.

В 16 веке, задняя часть (или квадрант Дэвиса) позволяла морякам измерять солнечную высоту, когда они отворачивались от солнца, уменьшая блики и повышая безопасность. Эти инструменты улучшали измерение широты, но все еще полагались на стабильный горизонт и были громоздкими в бурных морях. Реальный прорыв в точной небесной навигации требовал нового инструмента, который мог одновременно измерять высоту небесного тела и горизонта с большой точностью - октант, а затем секстант.

Секстант: точность в навигации

Секстант, разработанный в середине 18-го века, представлял собой квантовый скачок в навигационной точности. Его принцип был продемонстрирован Исааком Ньютоном еще в 1699 году, но практическое строительство пришло позже. Два изобретателя независимо друг от друга задумал современный секстант: английский математик Джон Хэдли и американский глазурь Томас Годфри (оба около 1730 года). Дизайн Хэдли улучшился по сравнению с более ранним октантом (который измерялся до 90°), расширив дугу до 60° (одна шестая круга, следовательно, «сектант»), что позволило измерять углы до 120°. Это позволило штурманам измерять не только высоту небесного тела, но и угловое расстояние между двумя телами — метод, используемый для определения долготы с помощью метода лунного расстояния.

Понимание секстанта

Секстант представляет собой вдвойне отражающий инструмент. Он состоит из градуированной дуги (обычно 60°), подвижной руки с зеркалом (индексное зеркало) и неподвижного полусеребряного зеркала горизонта. Навигатор смотрит на горизонт через зеркало горизонта, а затем настраивает указательный рычаг, пока отраженное изображение солнца или звезды не совпадет с горизонтом. Угол читается с дуги. Поскольку секстант измеряет высоту относительно горизонта, он гораздо точнее, чем предыдущие инструменты. Квалифицированные навигаторы могли достичь точности до одной дуговой минуты (1/60 градуса), эквивалентной примерно одной морской миле, даже на палубе с поднятием.

Секстант прочный, портативный и не требует внешнего питания. Он до сих пор используется в качестве резервной копии систем GPS, демонстрируя свою непреходящую надежность.

Ключевые исторические фигуры и события

Патент Джона Хэдли на «отражающий октант» 1731 года был быстро принят британским Королевским флотом. Добавление более точной шкалы для более тонких показаний и более позднего барабана микрометра еще больше улучшило точность. Астроном Невил Маскелин опубликовал первый Морской альманах в 1767 году, содержащий предварительно вычисленные таблицы лунных расстояний и звездных положений, которые позволили навигаторам вычислять долготу с помощью секстанта. Эта комбинация — сектант плюс альманах — преобразовала глобальную навигацию.

Путешествия капитана Джеймса Кука (1768-1779) являются свидетельством ценности секстанта. Кук использовал улучшенный секстант (сделанный Джесси Рамсденом) для составления карт обширных районов Тихого океана с беспрецедентной точностью. Его карты были настолько точными, что некоторые из них оставались в использовании до 20-го века.

Влияние на морские исследования

Введение секстанта оказало далеко идущее влияние на морские исследования, позволяя морякам:

  • Совершайте длительные плавания с большей уверенностью в их навигационной точности. Точная широта и (в конечном итоге) долгота позволили капитанам планировать маршруты с меньшим страхом пропустить сушу или сесть на мель.
  • Исследуйте отдаленные регионы мира, включая Арктику и Антарктику.[1] Джеймс Уэдделл, Джеймс Кларк Росс и более поздние исследователи, такие как Роберт Фалькон Скотт, полагались на секстанты в полярных регионах, где компасы были ненадежными из-за магнитных аномалий.
  • Повышение безопасности морских путешествий, снижение риска кораблекрушений. Более точное определение местоположения означало меньшее количество непреднамеренных встреч с камнями, рифами и отмели, особенно на известных маршрутах.

Секстант также играл решающую роль в гидрографических исследованиях, позволяя картографировать береговые линии и создавать надежные морские карты. Программа картографирования Британского Адмиралтейства, которая началась всерьез в 18 веке, полностью зависела от наблюдений секстанта.

Сравнительный анализ: Компас против Секстанта

Хотя оба инструмента имели решающее значение для навигации, они служили различным целям и разрабатывались в разных исторических контекстах.Компас был необходим для базового направления и позволял судам управлять курсом, в то время как секстант предоставлял подробную позиционную информацию, которая делала дальние плавания безопасными и повторяемыми.

Технологические достижения

Эволюция от компаса к секстанту иллюстрирует развитие технологий в навигации. Ключевые различия включают:

  • Компас более простой и удобный, в то время как секстант требует больше навыков, практики и математических знаний для работы.
  • Компасы ограничены направленной навигацией, тогда как секстанты позволяют точно определять местоположение (широта и, с помощью метода лунного расстояния, долгота).
  • Компас зависит от магнитного поля Земли, которое изменяется с течением времени и зависит от расположенного поблизости железа, тогда как секстант полностью основан на небесной геометрии и не подвержен локальным помехам.
  • Компасы дешевле и легче в массовом производстве; секстанты были точными инструментами, доступными только для хорошо финансируемых флотов и капитанов торговцев.

Исторический контекст

Компас возник во время исследований и торговли, облегчая Эпоху Открытий — с 15-го по 17-е века. Это был инструмент, который позволил первые глобальные морские империи. Секстант, с другой стороны, стал известен в течение 18-го века, периода, отмеченного научными достижениями, такими как Просвещение, разработка точных хронометров и систематическое расширение европейских колониальных империй. Секстант представлял собой кульминацию веков небесного наблюдения и математической уточнения.

Ограничения и дополнительные роли

Ни один из инструментов не был достаточным. Компас не мог зафиксировать положение, а секстант не мог управлять кораблем. Моряки использовали компас для рулевого управления и секстант для проверки положения в дневное время (если было видно солнце) или на рассвете / в сумерках для исправления звезд. В пасмурных условиях секстант был бесполезным, заставляя полагаться на мертвый счет с компасом. Опытные мореплаватели объединили оба инструмента - наряду с бревенчатой линией для скорости, свинцовой линией для глубины и в конечном итоге хронометром для долготы - безопасно пересекать океаны.

Упадок компаса и секстанта в современную эпоху

С изобретением радионавигационных систем, таких как LORAN и Omega в середине 20-го века и появлением спутниковой системы глобального позиционирования (GPS) в 1990-х годах, роль традиционных магнитных компасов и секстантов уменьшилась. Большинство современных кораблей и самолетов полагаются в первую очередь на электронную навигацию. Однако компас остается обязательным в качестве резервного инструмента на многих судах, особенно на небольших лодках и аварийных комплектах. Секстант, хотя больше не используется в обычной навигации, все еще преподается в некоторых морских академиях как фундаментальный навык и переносится в полярные экспедиции и военные корабли в качестве резервного, когда сигналы GPS заклинило или недоступно.

Основополагающие принципы обоих инструментов — магнетизма и геометрии — продолжают преподаваться мореплавателям и дают глубокий урок о том, как простые физические явления могут быть использованы для решения сложных проблем.

Заключение: Наследие навигационных приборов

Эволюция методов исследования от компаса до секстанта отражает неустанное стремление человечества к знаниям и открытиям. Эти инструменты не только изменили навигацию, но и сформировали ход истории, позволив исследователям соединить мир. Компас дал морякам направление; секстант дал им положение. Вместе они открыли каждый океан для человеческих усилий.

Понимание исторического контекста и технологических достижений этих навигационных инструментов дает ценную информацию о более широком повествовании о разведке и человеческой изобретательности. Сегодня, когда мы перемещаемся со спутниками, мы обязаны достоянию и отполированной медной дуге, которая направляла наших предков через неизвестные воды.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к записи Britannica на компасе , Britannica обзор секстанта , и NOAA истории навигации . Smithsonian 'Время и навигация' выставка предлагает отличное интерактивное путешествие через эти разработки, и Королевские музеи Гринвич предоставляют богатый архив первичных источников, связанных с небесной навигации.