Los instrumentos reflectores son aquellos que utilizan espejos para mejorar su capacidad de realizar mediciones. En particular, el uso de espejos permite observar dos objetos simultáneamente mientras se mide la distancia angular entre ellos. Si bien los instrumentos reflectores se utilizan en muchas profesiones, se asocian principalmente con la navegación astronómica , ya que la necesidad de resolver problemas de navegación, en particular el problema de la longitud , fue la principal motivación para su desarrollo.
El objetivo de los instrumentos reflectores es permitir que un observador mida la altitud de un objeto celeste o la distancia angular entre dos objetos. La fuerza impulsora detrás de los avances que se analizan aquí fue la solución al problema de encontrar la longitud en el mar. Se consideró que la solución a este problema requería un medio preciso para medir ángulos y que la precisión dependía de la capacidad del observador para medir este ángulo observando simultáneamente dos objetos.
Las deficiencias de los instrumentos anteriores eran bien conocidas. El hecho de que el observador tuviera que observar dos objetos con dos líneas de visión divergentes aumentaba la probabilidad de error. Quienes consideraron el problema se dieron cuenta de que el uso de espéculos (espejos en el lenguaje moderno) podía permitir observar dos objetos en una sola vista. Lo que siguió fue una serie de inventos y mejoras que refinaron el instrumento hasta el punto de que su precisión excedía la necesaria para determinar la longitud. Cualquier mejora posterior requería una tecnología completamente nueva.
Algunos de los primeros instrumentos de reflexión fueron propuestos por científicos como Robert Hooke e Isaac Newton . Estos instrumentos se utilizaron poco o es posible que no se hayan construido o probado en profundidad. El instrumento de van Breen fue la excepción, ya que fue utilizado por los holandeses. Sin embargo, tuvo poca influencia fuera de los Países Bajos .
El spiegelboog (arco de espejo) fue inventado en 1660 por el holandés Joost van Breen y era un asta de espejo que reflejaba la luz . Este instrumento parece haber sido utilizado durante aproximadamente 100 años, principalmente en la Cámara de Zelanda de la VOC ( Compañía Holandesa de las Indias Orientales ). [1]
El instrumento de Hooke era un instrumento de un solo espejo que reflejaba la imagen de un objeto astronómico al ojo del observador. [2] Este instrumento fue descrito por primera vez en 1666 y Hooke presentó un modelo funcional en una reunión de la Royal Society algún tiempo después.
El dispositivo constaba de tres componentes principales: un brazo índice, un brazo radial y una cuerda graduada . Los tres estaban dispuestos en un triángulo como en la imagen de la derecha. Se montó una mira telescópica en el brazo índice. En el punto de rotación del brazo radial, se montó un solo espejo. Este punto de rotación permitió cambiar el ángulo entre el brazo índice y el brazo radial. La cuerda graduada se conectó al extremo opuesto del brazo radial y se permitió que la cuerda girara sobre el extremo. La cuerda se sostuvo contra el extremo distante del brazo índice y se deslizó contra él. Las graduaciones de la cuerda eran uniformes y, al usarla para medir la distancia entre los extremos del brazo índice y el brazo radial, se podía determinar el ángulo entre esos brazos. Se utilizó una tabla de cuerdas para convertir una medida de distancia en una medida de ángulo. El uso del espejo dio como resultado que el ángulo medido fuera el doble del ángulo incluido por el índice y el brazo radial.
El espejo del brazo radial era lo suficientemente pequeño como para que el observador pudiera ver el reflejo de un objeto en la mitad de la visión del telescopio mientras miraba directamente hacia adelante en la otra mitad. Esto le permitía al observador ver ambos objetos a la vez. Al alinear los dos objetos juntos en la visión del telescopio, la distancia angular entre ellos se representaba en la cuerda graduada.
Aunque el instrumento de Hooke era novedoso y atrajo cierta atención en su momento, no hay evidencia de que haya sido sometido a pruebas en el mar. [2] El instrumento fue poco utilizado y no tuvo ningún efecto significativo en la astronomía o la navegación.
En 1692, Edmond Halley presentó el diseño de un instrumento reflector a la Royal Society. [2]
Este es un instrumento interesante, que combina la funcionalidad de un radio latino con un telescopio doble . El telescopio (AB en la imagen adyacente), tiene un ocular en un extremo y un espejo (D) en la mitad de su longitud con una lente objetivo en el extremo más alejado (B). El espejo solo obstruye la mitad del campo (ya sea izquierdo o derecho) y permite ver el objetivo en el otro. En el espejo se refleja la imagen de la segunda lente objetivo (C). Esto permite al observador ver ambas imágenes, una directa y otra reflejada, simultáneamente una al lado de la otra. Es esencial que las distancias focales de las dos lentes objetivo sean las mismas y que las distancias del espejo a cualquiera de las lentes sean idénticas. Si esta condición no se cumple, las dos imágenes no pueden ser enfocadas en un foco común .
El espejo está montado en el mástil (DF) de la parte del radio latino del instrumento y gira con él. El ángulo que este lado del rombo del radio latino forma con el telescopio se puede ajustar ajustando la longitud diagonal del rombo. Para facilitar esto y permitir un ajuste fino del ángulo, se monta un tornillo (EC) para permitir al observador cambiar la distancia entre los dos vértices (E y C).
El observador observa el horizonte con la vista de la lente directa y ve un objeto celeste en el espejo. Al girar el tornillo para que las dos imágenes queden directamente adyacentes, se ajusta el instrumento. El ángulo se determina tomando la longitud del tornillo entre E y C y convirtiéndola en un ángulo en una tabla de cuerdas .
Halley especificó que el tubo del telescopio debe tener una sección transversal rectangular. Esto facilita la construcción, pero no es un requisito ya que se pueden adaptar otras formas de sección transversal. Los cuatro lados de la porción de radio latino (CD, DE, EF, FC) deben tener la misma longitud para que el ángulo entre el telescopio y el lado del lente objetivo (ADC) sea exactamente el doble del ángulo entre el telescopio y el espejo (ADF) (o en otras palabras, para garantizar que el ángulo de incidencia sea igual al ángulo de reflexión ). De lo contrario, la colimación del instrumento se verá comprometida y las mediciones resultantes serán erróneas.
El ángulo de elevación del objeto celeste podría haberse determinado leyendo las graduaciones en el bastón del control deslizante, sin embargo, no fue así como Halley diseñó el instrumento. Esto puede sugerir que el diseño general del instrumento coincidía con el de una radio latina y que Halley podría no haber estado familiarizado con ese instrumento.
No se sabe si este instrumento fue probado alguna vez en el mar. [2]
El cuadrante reflector de Newton era similar en muchos aspectos al primer cuadrante reflector de Hadley que lo siguió.
Newton había comunicado el diseño a Edmund Halley alrededor de 1699. Sin embargo, Halley no hizo nada con el documento y permaneció en sus papeles solo para ser descubierto después de su muerte. [3] Sin embargo, Halley discutió el diseño de Newton con miembros de la Royal Society cuando Hadley presentó su cuadrante reflector en 1731. Halley notó que el diseño de Hadley era bastante similar al instrumento newtoniano anterior. [2]
Como resultado de este secreto involuntario, la invención de Newton jugó un papel pequeño en el desarrollo de los instrumentos reflectores.
Lo más destacable del octante es la cantidad de personas que lo inventaron de forma independiente en un corto período de tiempo. John Hadley y Thomas Godfrey son los dos inventores del octante . Desarrollaron el mismo instrumento de forma independiente alrededor de 1731. Sin embargo, no fueron los únicos.
En el caso de Hadley, se diseñaron dos instrumentos. El primero era un instrumento muy similar al cuadrante reflector de Newton. El segundo tenía esencialmente la misma forma que el sextante moderno. Se construyeron pocos ejemplares del primer diseño, mientras que el segundo se convirtió en el instrumento estándar del que derivó el sextante y, junto con este, desplazó a todos los instrumentos de navegación anteriores utilizados para la navegación astronómica .
Caleb Smith, un corredor de seguros inglés con un gran interés en la astronomía, había creado un octante en 1734. Lo llamó Astroscopio o Cuadrante Marino . [4] Utilizó un prisma fijo además de un espejo índice para proporcionar elementos reflectantes. Los prismas proporcionan ventajas sobre los espejos en una época en la que los espejos de metal pulido con espéculo eran inferiores y tanto el plateado de un espejo como la producción de vidrio con superficies planas y paralelas era difícil. Sin embargo, los otros elementos de diseño del instrumento de Smith lo hicieron inferior al octante de Hadley y no se utilizó significativamente. [3]
Jean-Paul Fouchy, profesor de matemáticas y astrónomo francés , inventó un octante en 1732. [3] Su invento era básicamente el mismo que el de Hadley. Fouchy no conocía los avances que se estaban produciendo en Inglaterra en aquella época, ya que las comunicaciones entre los fabricantes de instrumentos de ambos países eran limitadas y las publicaciones de la Royal Society , en particular las Philosophical Transactions , no se distribuían en Francia. [5] El octante de Fouchy quedó eclipsado por el de Hadley.
El origen del sextante es sencillo y no está en disputa. El almirante John Campbell , tras haber utilizado el octante de Hadley en pruebas en el mar del método de las distancias lunares , descubrió que era deficiente. El ángulo de 90° subtendido por el arco del instrumento era insuficiente para medir algunas de las distancias angulares requeridas para el método. Sugirió que el ángulo se aumentara a 120°, lo que daría lugar al sextante. John Bird fabricó el primer sextante de este tipo en 1757. [6]
Con el desarrollo del sextante, el octante pasó a ser un instrumento de segunda categoría. Aunque en ocasiones se construía totalmente de latón, seguía siendo principalmente un instrumento con armazón de madera. La mayoría de los avances en materiales y técnicas de construcción se reservaron para el sextante.
Existen ejemplos de sextantes hechos con madera, sin embargo la mayoría están hechos de latón. Para asegurar que el marco fuera rígido, los fabricantes de instrumentos usaban marcos más gruesos. Esto tenía el inconveniente de hacer que el instrumento fuera más pesado, lo que podía influir en la precisión debido al temblor de la mano cuando el navegante trabajaba contra su peso. Para evitar este problema, se modificaron los marcos. Edward Troughton patentó el sextante de doble marco en 1788. [7] Este utilizaba dos marcos sostenidos en paralelo con espaciadores. Los dos marcos estaban separados por aproximadamente un centímetro. Esto aumentaba significativamente la rigidez del marco. Una versión anterior tenía un segundo marco que solo cubría la parte superior del instrumento, asegurando los espejos y el telescopio. Las versiones posteriores usaban dos marcos completos. Dado que los espaciadores parecían pequeños pilares, también se los llamó sextantes de pilares .
Troughton también experimentó con materiales alternativos. Las escalas estaban bañadas en plata , oro o platino . Tanto el oro como el platino minimizaban los problemas de corrosión . Los instrumentos bañados en platino eran caros, debido a la escasez del metal, aunque menos costosos que el oro. Troughton conoció a William Hyde Wollaston a través de la Royal Society y esto le dio acceso al metal precioso. [8] Los instrumentos de la compañía de Troughton que usaban platino se pueden identificar fácilmente por la palabra Platina grabada en el marco. Estos instrumentos siguen siendo muy valorados como artículos de colección y son tan precisos hoy como cuando fueron construidos. [9]
A medida que avanzaban los avances en los motores divisores , el sextante era más preciso y podía hacerse más pequeño. Para permitir una lectura fácil del vernier , se añadió una pequeña lupa. Además, para reducir el deslumbramiento en el marco, algunos tenían un difusor alrededor de la lupa para suavizar la luz. A medida que aumentaba la precisión, el vernier de arco circular se reemplazó por un vernier de tambor.
Los diseños de los marcos se fueron modificando con el tiempo para crear un marco que no se viera afectado negativamente por los cambios de temperatura. Estos patrones de marcos se estandarizaron y se puede ver la misma forma general en muchos instrumentos de muchos fabricantes diferentes.
Para controlar los costes, ahora se encuentran disponibles sextantes modernos fabricados en plástico de precisión, que son ligeros, asequibles y de alta calidad.
Aunque la mayoría de la gente piensa en navegación cuando escucha el término sextante , el instrumento se ha utilizado en otras profesiones.
Además de estos tipos, existen términos utilizados para varios sextantes.
Un sextante de pilar puede ser:
El primero es el uso más común del término.
Varios fabricantes ofrecían instrumentos con tamaños distintos a un octavo o un sexto de círculo. Uno de los más comunes era el quintal o quinto de círculo (72° de lectura de arco a 144°). También había otros tamaños disponibles, pero los tamaños impares nunca llegaron a ser comunes. Muchos instrumentos se encuentran con escalas que leen, por ejemplo, hasta 135°, pero simplemente se los conoce como sextantes. De manera similar, hay octantes de 100°, pero estos no se separan como tipos únicos de instrumentos.
Hubo interés en instrumentos mucho más grandes para propósitos especiales. En particular, se fabricaron varios instrumentos de círculo completo, categorizados como círculos reflectantes y círculos repetitivos .
El círculo reflector fue inventado por el geómetra y astrónomo alemán Tobias Mayer en 1752, [6] con detalles publicados en 1767. [3] Su desarrollo precedió al sextante y estuvo motivado por la necesidad de crear un instrumento topográfico superior. [3]
El círculo reflector es un instrumento circular completo graduado a 720° (para medir distancias entre cuerpos celestes no es necesario leer un ángulo mayor de 180°, ya que la distancia mínima siempre será menor de 180°). Mayer presentó una descripción detallada de este instrumento a la Junta de Longitud y John Bird utilizó la información para construir uno de dieciséis pulgadas de diámetro para su evaluación por la Marina Real. [11] Este instrumento fue uno de los utilizados por el almirante John Campbell durante su evaluación del método de distancia lunar . Se diferenciaba en que estaba graduado a 360° y era tan pesado que estaba provisto de un soporte que se sujetaba a un cinturón. [11] No se consideraba mejor que el octante de Hadley y era menos cómodo de usar. [3] Como resultado, Campbell recomendó la construcción del sextante.
Jean-Charles de Borda desarrolló aún más el círculo reflector. Modificó la posición de la mira telescópica de tal manera que el espejo pudiera usarse para recibir una imagen desde cualquier lado en relación con el telescopio. Esto eliminó la necesidad de verificar que los espejos estuvieran exactamente paralelos al leer cero. Esto simplificó el uso del instrumento. Se realizaron refinamientos adicionales con la ayuda de Etienne Lenoir . Los dos refinaron el instrumento hasta su forma definitiva en 1777. [3] Este instrumento era tan distintivo que se le dio el nombre de círculo de Borda o círculo repetitivo . [6] [12] Borda y Lenoir desarrollaron el instrumento para la topografía geodésica . Dado que no se usaba para las medidas celestes, no usaba doble reflexión y sustituía dos miras telescópicas. Como tal, no era un instrumento reflector. Era notable por ser igual al gran teodolito creado por el famoso fabricante de instrumentos, Jesse Ramsden .
Josef de Mendoza y Ríos rediseñó el círculo reflectante de Borda (Londres, 1801). El objetivo era utilizarlo junto con sus Tablas lunares publicadas por la Royal Society (Londres, 1805). Hizo un diseño con dos círculos concéntricos y una escala de vernier y recomendó promediar tres lecturas secuenciales para reducir el error. El sistema de Borda no se basaba en un círculo de 360° sino en 400 grados (Borda pasó años calculando sus tablas con un círculo dividido en 400°). Las tablas lunares de Mendoza se han utilizado durante casi todo el siglo XIX (véase Distancia lunar (navegación) ).
Edward Troughton también modificó el círculo reflectante. Creó un diseño con tres brazos índice y vernieres . Esto permitió realizar tres lecturas simultáneas para promediar el error.
Como instrumento de navegación, el círculo reflectante era más popular en la marina francesa que en la británica. [6]
El sextante Bris no es un verdadero sextante, pero es un verdadero instrumento reflector basado en el principio de doble reflexión y sujeto a las mismas reglas y errores que los octantes y sextantes comunes. A diferencia de los octantes y sextantes comunes, el sextante Bris es un instrumento de ángulo fijo capaz de medir con precisión unos pocos ángulos específicos, a diferencia de otros instrumentos reflectores que pueden medir cualquier ángulo dentro del rango del instrumento. Es particularmente adecuado para determinar la altitud del sol o la luna .
En 1829, Francis Ronalds inventó un instrumento para registrar ángulos modificando el octante. Una desventaja de los instrumentos reflectores en aplicaciones topográficas es que la óptica dicta que el espejo y el brazo índice giran a través de la mitad de la separación angular de los dos objetos. Por lo tanto, es necesario leer el ángulo, anotarlo y utilizar un transportador para dibujarlo en un plano. La idea de Ronalds era configurar el brazo índice para que girara a través del doble del ángulo del espejo, de modo que el brazo pudiera usarse para dibujar una línea en el ángulo correcto directamente sobre el dibujo. Utilizó un sector como base de su instrumento y colocó el anteojo en una punta y el espejo índice cerca de la bisagra que conecta las dos reglas. Los dos elementos giratorios estaban unidos mecánicamente y el cilindro que sostenía el espejo tenía el doble del diámetro de la bisagra para dar la relación angular requerida. [13]