La brújula solar de Burt o brújula astronómica/brújula solar es un instrumento de medición que utiliza la dirección del Sol en lugar del magnetismo. William Austin Burt inventó su brújula solar en 1835. La brújula solar funciona según el principio de que la dirección del Sol en un momento determinado se puede calcular si se conoce la posición del observador sobre la superficie de la Tierra con una precisión similar. La dirección se puede describir en términos del ángulo del Sol en relación con el eje de rotación del planeta .
Este ángulo se compone del ángulo debido a la latitud , combinado con el ángulo debido a la estación y el ángulo debido a la hora del día. Estos ángulos se fijan en la brújula para una hora del día elegida, la base de la brújula se nivela utilizando los niveles de burbuja proporcionados y luego las miras se alinean con el Sol en el momento especificado, de modo que la imagen del Sol se proyecta sobre el objetivo de rejilla en cruz. En este punto, la base de la brújula estará alineada con el norte y el sur verdaderos. Luego se bloquea en su lugar en esta alineación, después de lo cual los brazos de mira se pueden girar para alinearse con cualquier punto de referencia o baliza, y la dirección se puede leer en los vernieres como un ángulo relativo al norte verdadero.
Este dispositivo evitó los problemas de la brújula magnética normal que utilizaban los topógrafos, que mostraba lecturas erráticas cuando se encontraban en una localidad con un alto contenido de mineral de hierro y una variación magnética local inconsistente y desconocida. Se comprobó que el instrumento era tan preciso que fue el elegido por el gobierno de los Estados Unidos para la topografía de tierras públicas, límites estatales y rutas ferroviarias. Ganó premios de varias organizaciones y fue utilizado por topógrafos desde el siglo XIX hasta el siglo XX. [1]
Burt se convirtió en agrimensor adjunto de los Estados Unidos en 1833 y comenzó a inspeccionar tierras gubernamentales para un territorio al noroeste del río Ohio . [2] En 1834, él y su equipo de agrimensores estaban inspeccionando territorio en la península inferior de Michigan . En 1835, estaba inspeccionando tierras en la península superior de Michigan para que las usaran los nuevos colonos. [3] Aquí descubrió que su brújula sensible que funcionaba por atracción de campo magnético fluctuaba erráticamente debido a los depósitos de mineral de hierro en el área que interferían con el campo. Burt ideó un accesorio de instrumento que dependía de la luz solar, no del magnetismo, para encontrar el norte verdadero. Llamó al producto resultante un instrumento de búsqueda de meridiano verdadero . [4] Superó los caprichos de la brújula del agrimensor causados por la interferencia de los depósitos de mineral de hierro en un distrito de masa terrestre local. [5]
Burt utilizó por primera vez el instrumento solar en sus estudios de Michigan. [6] Encontró grandes depósitos de afloramiento de mineral de hierro en Negaunee en el condado de Marquette en su estudio posterior de 1844 de la península superior del estado de Michigan. [7] Esto se conocería como Marquette Iron Range . [8] Su equipo encontró pequeños depósitos de mineral de hierro en la península inferior del estado aproximadamente al mismo tiempo. [9] Su descubrimiento accidental de estos depósitos de hierro en Michigan contribuyó mucho a la Revolución Industrial de Estados Unidos . [10] La mina Calumet y Hecla de Copper Country de Michigan fue descubierta con el instrumento de Burt, y se convirtió en el principal productor de cobre del mundo. [11]
La brújula solar de Burt utiliza la ubicación del Sol con tablas astronómicas y permite a los topógrafos trazar líneas más precisas, ahorrándoles mucho tiempo. Burt hizo construir un modelo de su instrumento en 1835 por William James Young , un fabricante de instrumentos profesional. [12] Luego presentó esta brújula solar a un comité del Instituto Franklin en Filadelfia. [13] Examinaron sus características y luego le otorgaron a Burt veinte dólares en oro y la Medalla John Scott por su tecnología. [14] Burt patentó su innovación de brújula solar el 25 de febrero de 1836. [15] Desde entonces se la ha denominado brújula solar de Burt o brújula astronómica. La utilizó en la temporada 1836-1837 para medir el quinto meridiano principal en Iowa. [16] [17]
Burt mejoró el instrumento a lo largo de los años con ciertos mecanismos para hacerlo más simple de operar con mayor precisión. [12] En 1840, recibió otra patente por su brújula solar mejorada. [18] Volvió a enviar la versión actualizada del instrumento al Instituto Franklin, donde descubrieron que era más precisa y más fácil de usar que la primera versión. [13] El agrimensor general de la Oficina Federal de Tierras, ES Haines, examinó el instrumento de topografía de Burt en diciembre de 1840 e informó en una carta de 1841 que, con sus cuatro años de experiencia en topografía, se encontró que era superior en tecnología a la brújula normal que usaban entonces la mayoría de los agrimensores. [19] El Comisionado de la Oficina Federal de Tierras envió cartas a los agrimensores generales de todo Estados Unidos diciendo que la brújula de Burt estaba siendo fabricada por el agrimensor Henry Ware y estaba disponible para su compra. [16]
En 1849, Burt fue a Washington con su hijo para solicitar la renovación de la patente original de su brújula solar de 1835, que estaba a punto de expirar. [20] El comité de comisionados de tierras, que estaba formado por senadores de Michigan y otros estados, reconociendo el valor de la brújula solar de Burt en los estudios de tierras públicas, lo persuadió de que renunciara a la renovación y solicitara al Congreso una compensación adecuada por adelantado. Burt hizo lo que le sugirieron creyendo que sería compensado adecuadamente. Sin embargo, la compensación indicada no se materializó durante la vida de Burt ni en ningún momento posterior. [20] Como no había patente sobre la brújula solar de Burt después de 1850, los fabricantes de instrumentos fabricaron y vendieron la "brújula solar de Burt" a los topógrafos como un producto comercial. [21] El inventor gastó miles de dólares para perfeccionar su instrumento, pero solo recibió ochenta dólares en ventas de su herramienta por sus trabajos. [20]
En el prefacio de su libro Key to Solar Compass and Surveyor's Companion (1858), escrito por su socio William S. Young, Burt hace referencia a las numerosas solicitudes de un libro sobre cómo utilizar su brújula solar. Explica que la brújula de topógrafo común tenía problemas con el meridiano verdadero en diferentes localidades. También tenía problemas de un día para otro con lecturas diferentes de las esperadas como una constante o de lecturas anteriores. Se determinó que una brújula magnética era propensa a interferencias debido a la atracción local del mineral de hierro. [20] Se deseaba una guía más precisa para el topógrafo, por lo que Burt creó la brújula solar. [22]
El topógrafo Bela Hubbard observó en 1845 que con la brújula solar de Burt podían medir una línea recta a través de un territorio rico en hierro, lo que habría sido una tarea imposible utilizando el instrumento de brújula normal. [23] El impulso original para la brújula solar de Burt fue para su uso donde la brújula antigua era vulnerable a grandes depósitos de hierro en la tierra que hacían lecturas inutilizables. Luego se descubrió que era superior en general a la brújula común, incluso cuando los depósitos locales de mineral de hierro no eran un problema. Una brújula solar adjunta al tránsito del topógrafo seguía siendo el método recomendado para obtener la dirección norte verdadero como se instruía en el manual del topógrafo de 1973 de la Oficina de Administración de Tierras de los Estados Unidos . [24] El instrumento fue ampliamente adoptado para la topografía de tierras en los Estados Unidos y obligatorio para la topografía gubernamental desde mediados del siglo XIX hasta el año 2000, cuando la tecnología del Sistema de Posicionamiento Global por satélite se convirtió en el método preferido de topografía. [18]
Los topógrafos pueden localizar el norte verdadero observando el Sol u otros objetos astronómicos como las estrellas o la Luna, que tienen una dirección desde cualquier punto dado en la superficie de la Tierra. Se puede calcular con precisión para una fecha y hora determinadas, y no se ve influido por las variaciones locales en el campo magnético debido a los depósitos locales de minerales como el mineral de hierro. El instrumento de Burt permite a los topógrafos determinar la dirección del norte verdadero en referencia al Sol en lugar de verse influido por el campo magnético de la Tierra. [18] Está hecho de latón y, por lo tanto, no tiene influencia magnética en la aguja de una brújula, [18] ya que originalmente era un pequeño accesorio para la brújula común de un topógrafo estándar. [25]
La aplicación de la brújula solar requiere el conocimiento del movimiento aparente del Sol alrededor de la Tierra, en relación con la Tierra como centro del marco de referencia y, más específicamente, en relación con la posición del instrumento cuando se configura para su uso en un estudio. Es necesario comprender la declinación latitudinal y estacional y la variación longitudinal con la hora del día, ya que la brújula tiene subconjuntos específicos para tener en cuenta cada una de estas variables. [22] [26]
En el ecuador de la Tierra, durante los equinoccios, el Sol no tiene declinación estacional, sale por el este y se pone por el oeste. Al mediodía, el Sol se encuentra en su punto más alto, directamente sobre la cabeza. Está en su punto más bajo a medianoche y parece moverse en el plano del ecuador. En lugares alejados del ecuador, la altitud del Sol al mediodía se reducirá en el ángulo de la horizontal local de la Tierra con el eje polar (la latitud), de modo que, a una latitud de 10° sur o norte, la altitud del mediodía será de 90° − 10° = 80° en los equinoccios. El topógrafo conoce este ángulo y se fija en el arco de latitud del instrumento de modo que, con la base nivelada y la brújula alineada con el norte verdadero, [27] el eje del arco horario sea paralelo al eje polar. [22] [26]
El eje de rotación de la Tierra está inclinado con respecto a la perpendicular al plano de su órbita alrededor del Sol. Este ángulo hace que el ángulo de altitud del Sol varíe con las estaciones en una cantidad que depende de la dirección de la desalineación. Varía de manera predecible a lo largo del año, aumentando y disminuyendo suavemente a una tasa calculable, y es constante para todas partes de la Tierra al mismo tiempo. Este valor también lo conoce el topógrafo, ya que se publica en un conjunto de tablas en un almanaque. Se realiza una corrección para esta declinación en el arco de declinación de la brújula, que está montada para girar sobre el eje polar en la parte superior del arco de latitud, ya que los ángulos de latitud y declinación son aditivos. El ángulo del Sol debido a la hora del día se establece en el arco del ángulo horario, que es perpendicular al eje polar. Este ángulo se calcula a partir de la longitud y la GMT , también se tabula para la conveniencia de los topógrafos y navegantes, ya que los cálculos son tediosos de realizar en el campo y cualquier error podría tener efectos importantes. [22] [26]
Suponiendo que la Tierra es esférica, si se trazara una línea recta desde el sol naciente hasta el sol poniente, y desde el sol al mediodía y a la medianoche en los equinoccios, ambas líneas pasarían por el centro de la Tierra y el ecuador las cortaría. Esto no es así cuando el sol tiene declinación norte o sur porque su movimiento aparente será en un ángulo con el plano ecuatorial, igual a la cantidad de declinación del sol hacia el norte o hacia el sur, de modo que cuando el sol tiene declinación norte o sur, y se considera a la Tierra como el centro de sus revoluciones, la línea desde el Sol hasta el centro de la Tierra describe un cono. [22] [26]
Este movimiento cónico del Sol también se puede ilustrar con los radios abombados de la rueda de un carromato, en el que el borde representa la trayectoria aparente del Sol, el eje representa la Tierra y los radios son líneas trazadas a partir de la trayectoria del Sol. Se puede ver que una línea trazada desde el Sol hasta el centro de la Tierra pasaría al norte o al sur del ecuador, con un grado de declinación igual al norte o al sur de este último. El instrumento tiene un movimiento ecuatorial, con un accesorio mecánico para apuntar una estrella como referencia. [22] [26]
La brújula solar de Burt consta de una placa principal montada en el trípode y nivelada utilizando los dos niveles de burbuja ortogonales adjuntos. Lleva una caja de aguja de brújula común, que tiene divisiones para el extremo norte de la aguja de aproximadamente 36 grados, con un vernier para leer la variación de la aguja, y los tres arcos ajustables del instrumento solar: uno se fija para la latitud de la ubicación; otro para la declinación estacional del Sol; y el tercero para la hora del día ajustada para la longitud de la ubicación. Las miras para ajustar la alineación por el Sol están montadas en el brazo móvil del arco de declinación y tienen una pequeña lente para enfocar una imagen del disco solar en la rejilla del objetivo. La placa superior está alineada con el Sol y permanece estacionaria después de la alineación polar, mientras que los rumbos se toman con las miras en la placa inferior. La placa inferior lleva las miras topográficas y se puede girar con respecto a la placa superior, y se puede sujetar en cualquier posición a la placa superior. [22] [26] Hay un anillo graduado en la placa inferior que muestra la rotación relativa entre la placa superior alineada al norte y la línea de visión topográfica en la placa inferior, y tiene vernieres para permitir una lectura precisa del ángulo. [22] [26]
El arco de latitud está fijado perpendicularmente a la placa superior. El arco horario está fijado perpendicularmente a la parte superior móvil del arco de latitud, y el arco de declinación gira sobre un eje polar sobre y perpendicularmente al arco de declinación. Las posiciones de los arcos se pueden ajustar con precisión mediante tornillos y los ángulos se pueden leer con un vernier. Se proporcionan tornillos de sujeción donde sea necesario para bloquear los componentes en su lugar. En un extremo de la rama ajustable del arco de declinación hay pequeñas lentes configuradas para enfocar una imagen del disco solar sobre una placa de destino inscrita con pares paralelos de líneas perpendiculares para enmarcar la imagen cuando está correctamente alineada. [22] [26]
El funcionamiento es el siguiente:
Burt mejoró el instrumento a lo largo de los años y ganó premios de varias organizaciones por su tecnología por ser simple, resistente, económico, confiable y preciso y fue utilizado por topógrafos desde el siglo XIX hasta el siglo XX. [2] En 1851, exhibió su última versión en la Gran Exposición Mundial de Londres. [28] Allí fue examinado y respaldado por el erudito John Herschel . [11] Burt recibió un premio de la feria por el diseño de su instrumento de brújula. [11] [29] Luego recibió otra medalla por su versión más simple y precisa por parte de los jurados de Instrumentos Astronómicos con un cumplido personal de Albert Edward, Príncipe de Gales , el 15 de octubre de 1851, en Hyde Park, Londres, Inglaterra . [30]
Este instrumento fue inventado para evitar las lecturas altamente variables y poco confiables que daba la brújula común de la época en una localidad con una anomalía del campo magnético causada por grandes depósitos de mineral de hierro. Se descubrió que el instrumento era tan preciso que el gobierno de los Estados Unidos lo especificó para inspeccionar tierras públicas, límites estatales y rutas ferroviarias. [31] El instrumento de Burt se utilizó para inspeccionar el 75 por ciento de las tierras públicas de los Estados Unidos, que consisten en casi mil millones de acres. [20] Había ahorrado al gobierno millones de dólares debido a su precio económico general y la precisión del estudio. Inspeccionó tierras minerales en muchos estados, incluidos Michigan, Wisconsin, Minnesota, Arkansas y Colorado. Su gasto de proyecto para inspeccionar una sección de tierra fue solo una fracción de lo que solía costar antes de su invención. Un ejemplo de comparación fue la línea fronteriza entre Iowa y Minnesota, que se midió antes a 120 dólares por milla (75 dólares/km) con el uso de instrumentos antiguos, mientras que con la brújula solar de Burt costaba sólo 15 dólares por milla (9,3 dólares/km). [32]
........En consecuencia, el inventor realizó varias modificaciones y mejoras sugeridas por la experiencia y en diciembre de 1840 presentó nuevamente el instrumento como mejorado a un comité del mismo Instituto, que informó una mejora decidida en cuanto a precisión y simplicidad de sus ajustes y uso.