Nivelación o nivelación ( inglés americano ; véase diferencias ortográficas ) es una rama de la agrimensura , cuyo objeto es establecer o verificar o medir la altura de puntos especificados con relación a un dato. Se usa ampliamente en geodesia y cartografía para medir la posición vertical con respecto a un datum vertical , y en construcción para medir diferencias de altura de artefactos de construcción.
La nivelación óptica , también conocida como nivelación de burbuja y nivelación diferencial , emplea un nivel óptico , que consiste en un telescopio de precisión con punto de mira y marcas de estadio . La mira se utiliza para establecer el punto de nivel en el objetivo y los estadios permiten determinar la distancia; Los estadios suelen tener una proporción de 100:1, en cuyo caso un metro entre las marcas de los estadios en el bastón de nivel (o varilla ) representa 100 metros del objetivo.
La unidad completa normalmente está montada sobre un trípode y el telescopio puede girar libremente 360° en un plano horizontal. El topógrafo ajusta el nivel del instrumento mediante un ajuste aproximado de las patas del trípode y un ajuste fino utilizando tres tornillos niveladores de precisión en el instrumento para hacer que el plano de rotación sea horizontal. El topógrafo hace esto con el uso de un nivel de diana integrado en el soporte del instrumento.
El topógrafo mira a través del ocular del telescopio mientras un asistente sostiene una mira de nivel vertical graduada en pulgadas o centímetros. La mira niveladora se coloca verticalmente mediante un nivel, con el pie en el punto donde se desea medir el nivel. El telescopio se gira y se enfoca hasta que la mira de nivel sea claramente visible en la mira. En el caso de un nivel manual de alta precisión, el ajuste fino del nivel se realiza mediante un tornillo de altitud, utilizando un nivel de burbuja de alta precisión fijado al telescopio. Esto se puede ver mediante un espejo mientras se ajusta o los extremos de la burbuja se pueden mostrar dentro del telescopio, lo que también permite garantizar el nivel exacto del telescopio mientras se mira. Sin embargo, en el caso de un nivel automático, el ajuste de la altitud se realiza automáticamente mediante un prisma suspendido debido a la gravedad, siempre que la nivelación aproximada sea precisa dentro de ciertos límites. Cuando está nivelado, se registra la lectura de graduación de la mira en la mira y se coloca una marca o marcador de identificación donde la mira de nivel descansa sobre el objeto o posición que se está examinando.
Un procedimiento típico para un seguimiento lineal de niveles a partir de un dato conocido es el siguiente. Instale el instrumento a menos de 100 metros (110 yardas) de un punto de elevación conocida o supuesta. Se mantiene vertical una varilla o un bastón en ese punto y el instrumento se utiliza manual o automáticamente para leer la escala de la varilla. Esto proporciona la altura del instrumento sobre el punto inicial (respecto) y permite calcular la altura del instrumento (HI) sobre el punto de referencia. Luego se sostiene la varilla en un punto desconocido y se toma una lectura de la misma manera, lo que permite calcular la elevación del nuevo punto (de previsión). La diferencia entre estas dos lecturas equivale al cambio de elevación, por lo que a este método también se le llama nivelación diferencial . El procedimiento se repite hasta llegar al punto de destino. Es una práctica habitual realizar un bucle completo de regreso al punto inicial o bien cerrar la travesía en un segundo punto cuya elevación ya se conoce. La verificación de cierre protege contra errores en la operación y permite que los errores residuales se distribuyan de la manera más probable entre las estaciones.
Algunos instrumentos proporcionan tres retículas que permiten medir en estadios las distancias de frente y atrás. Estos también permiten el uso del promedio de las tres lecturas (nivelación de 3 cables) como control contra errores garrafales y para promediar el error de interpolación entre las marcas en la escala de la varilla.
Los dos tipos principales de nivelación son la nivelación simple, como ya se describió, y la nivelación doble (doble varilla). En la nivelación doble, un topógrafo toma dos miras de frente y dos de atrás y se asegura de que la diferencia entre las miras de frente y la diferencia entre las miras de atrás sean iguales, reduciendo así la cantidad de error. [1] La nivelación doble cuesta el doble que la nivelación simple. [2]
Cuando se utiliza un nivel óptico, el punto final puede estar fuera del alcance efectivo del instrumento. Puede haber obstrucciones o grandes cambios de elevación entre los puntos finales. En estas situaciones, se necesitan configuraciones adicionales. Girar es un término que se utiliza cuando se hace referencia a mover el nivel para tomar una foto de elevación desde una ubicación diferente.
Para "girar" el nivel, primero se debe tomar una lectura y registrar la elevación del punto en el que se encuentra la varilla. Mientras la varilla se mantiene exactamente en la misma ubicación, el nivel se mueve a una nueva ubicación donde la varilla aún es visible. Se toma una lectura de la nueva ubicación del nivel y se utiliza la diferencia de altura para encontrar la nueva elevación del cañón de nivel. Esto se repite hasta completar la serie de mediciones.
El nivel debe ser horizontal para obtener una medición válida. Debido a esto, si la cruz horizontal del instrumento está más baja que la base de la varilla, el topógrafo no podrá ver la varilla ni obtener una lectura. Por lo general, la varilla se puede elevar hasta 25 pies de altura, lo que permite establecer el nivel mucho más alto que la base de la varilla.
El otro método estándar de nivelación en construcción y topografía se llama nivelación trigonométrica , que se prefiere cuando se nivela "hacia fuera" varios puntos desde un punto estacionario. Esto se hace usando una estación total o cualquier otro instrumento para leer el ángulo vertical o cenital de la varilla, y el cambio de elevación se calcula usando funciones trigonométricas (vea el ejemplo a continuación). A distancias mayores (normalmente 1000 pies y más), la curvatura de la Tierra y la refracción de la onda del instrumento a través del aire también deben tenerse en cuenta en las mediciones (consulte la sección siguiente).
Ejemplo: un instrumento en el punto A lee a una varilla en el punto B un ángulo cenital de < 88°15'22" (grados, minutos, segundos de arco ) y una distancia inclinada de 305,50 pies sin factorizar la altura de la varilla o del instrumento. de este modo:
lo que significa un cambio de elevación de aproximadamente 9,30 pies entre los puntos A y B. Entonces, si el punto A está a 1000 pies de elevación, entonces el punto B estaría a aproximadamente 1009,30 pies de elevación, como línea de referencia (0°) para los ángulos cenital. es hacia arriba yendo en el sentido de las agujas del reloj una revolución completa, por lo que una lectura de ángulo de menos de 90 grados (horizontal o plano) miraría hacia arriba y no hacia abajo (y en sentido opuesto para ángulos mayores de 90 grados), y por lo tanto ganaría elevación.
La curvatura de la Tierra significa que una línea de visión horizontal en el instrumento será cada vez más alta por encima de un esferoide a distancias mayores. El efecto puede ser insignificante para algunos trabajos a distancias inferiores a 100 metros. El aumento de altura de una recta con distancia D es:
donde R es el radio de la tierra.
La línea de visión es horizontal en el instrumento, pero no es recta debido a la refracción atmosférica . El cambio de densidad del aire con la elevación hace que la línea de visión se doble hacia la tierra.
La corrección combinada de refracción y curvatura es aproximadamente: [3]
Para un trabajo preciso, es necesario calcular estos efectos y aplicar correcciones. Para la mayoría de los trabajos es suficiente mantener las distancias de frente y atrás aproximadamente iguales para que los efectos de refracción y curvatura se cancelen. La refracción es generalmente la mayor fuente de error en la nivelación. Para líneas de nivel cortas, los efectos de la temperatura y la presión son generalmente insignificantes, pero el efecto del gradiente de temperatura dT/dh puede dar lugar a errores. [4]
Suponiendo mediciones sin errores, si el campo gravitatorio de la Tierra fuera completamente regular y la gravedad constante, los bucles de nivelación siempre se cerrarían con precisión:
alrededor de un bucle. En el campo gravitatorio real de la Tierra, esto ocurre sólo aproximadamente; en bucles pequeños típicos de proyectos de ingeniería, el cierre del bucle es insignificante, pero en bucles más grandes que cubren regiones o continentes no lo es.
En lugar de diferencias de altura, las diferencias geopotenciales se cierran alrededor de bucles:
donde representa la gravedad en el intervalo de nivelación i . Para redes de nivelación precisa a escala nacional, siempre se debe utilizar esta última fórmula.
debe usarse en todos los cálculos, produciendo valores geopotenciales para los puntos de referencia de la red.
La nivelación de alta precisión, especialmente cuando se realiza a largas distancias como se utiliza para el establecimiento y mantenimiento de puntos de referencia verticales , se denomina nivelación geodésica .[5]
El nivel rechoncho fue desarrollado por el ingeniero civil inglés William Gravatt , mientras inspeccionaba la ruta de una línea ferroviaria propuesta de Londres a Dover. Más compacta y, por tanto, más robusta y más fácil de transportar, comúnmente se cree que la nivelación rechoncha es menos precisa que otros tipos de nivelación, pero no es así. La nivelación rechoncha requiere miras más cortas y, por lo tanto, más numerosas, pero este defecto se compensa con la práctica de igualar las miras de frente y de atrás.
Los diseños de niveles precisos se utilizaban a menudo para grandes proyectos de nivelación donde se requería la máxima precisión. Se diferencian de otros niveles por tener un tubo de nivel de burbuja muy preciso y un ajuste micrométrico para subir o bajar la línea de visión de modo que la cruz pueda coincidir con una línea en la escala de la varilla y no se requiera interpolación.
Los niveles automáticos utilizan un compensador que garantiza que la línea de visión permanezca horizontal una vez que el operador haya nivelado aproximadamente el instrumento (dentro de unos 0,05 grados). El compensador consta de pequeños prismas suspendidos de cables dentro del chasis del nivel que están conectados entre sí en forma de péndulo. Esto permite que sólo entren rayos de luz horizontales, incluso en los casos en que el telescopio del instrumento no esté perfectamente vertical. [6]
El topógrafo configura el instrumento rápidamente y no tiene que volver a nivelarlo cuidadosamente cada vez que apunta con una varilla a otro punto. También reduce el efecto del ajuste menor del trípode a la cantidad real de movimiento en lugar de aprovechar la inclinación sobre la distancia de visión. Debido a que el nivel del instrumento solo necesita ajustarse una vez por configuración, el topógrafo puede leer rápida y fácilmente tantos planos laterales como sea necesario entre turnos. Se utilizan tres tornillos de nivel para nivelar el instrumento, a diferencia de los cuatro tornillos que históricamente se encuentran en los niveles rechonchos.
Los niveles láser [7] proyectan un rayo que es visible y/o detectable mediante un sensor situado en la varilla niveladora. Este estilo se utiliza mucho en trabajos de construcción, pero no para trabajos de control más precisos. Una ventaja es que una persona puede realizar la nivelación de forma independiente, mientras que otros tipos requieren una persona junto al instrumento y otra que sostenga la varilla.
El sensor se puede montar en maquinaria de movimiento de tierras para permitir la nivelación automatizada .
nivelación única.
