Los instrumentos reflectantes 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 los objetos. Si bien los instrumentos reflectantes se utilizan en muchas profesiones, se asocian principalmente con la navegación celeste, ya que la necesidad de resolver problemas de navegación, en particular el problema de la longitud , fue la principal motivación en su desarrollo.
El propósito de los instrumentos reflectantes es permitir al observador medir la altitud de un objeto celeste o medir la distancia angular entre dos objetos. La fuerza impulsora detrás de los desarrollos discutidos 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 se consideró que la precisión dependía de la capacidad del observador para medir este ángulo observando simultáneamente dos objetos.
La deficiencia de los instrumentos anteriores era bien conocida. Exigir al observador que observara dos objetos con dos líneas de visión divergentes aumentaba la probabilidad de cometer un error. Quienes se plantearon el problema se dieron cuenta de que el uso de especulares (espejos en el lenguaje moderno) podía permitir observar dos objetos en una sola vista. Lo que siguió es una serie de inventos y mejoras que refinaron el instrumento hasta el punto de que su precisión excedía la requerida para determinar la longitud. Cualquier mejora adicional requería una tecnología completamente nueva.
Algunos de los primeros instrumentos reflectantes fueron propuestos por científicos como Robert Hooke e Isaac Newton . Estos fueron poco utilizados o es posible que no hayan sido construidos o probados exhaustivamente. 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 .
Inventado en 1660 por el holandés Joost van Breen, el spiegelboog (arco de espejo) era una cruz reflectante . Este instrumento parece haber sido utilizado durante aproximadamente 100 años, principalmente en la Cámara de Zelanda de la VOC (The Dutch East India Company ). [1]
El instrumento de Hooke era un instrumento de un solo reflejo. Utilizaba un único espejo para reflejar la imagen de un objeto astronómico al ojo del observador. [2] Este instrumento se describió 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 único 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 alrededor del extremo. La cuerda se mantuvo contra el extremo distante del brazo índice y se deslizó contra él. Las graduaciones de la cuerda eran uniformes y, al utilizarla 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 del radio.
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 veía hacia adelante en la otra mitad. Esto permitió al observador ver ambos objetos a la vez. La alineación de los dos objetos en la vista del telescopio dio como resultado que la distancia angular entre ellos se representara en la cuerda graduada.
Si bien el instrumento de Hooke era novedoso y atrajo cierta atención en ese 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 a la Royal Society el diseño de un instrumento reflectante. [2]
Este es un instrumento interesante, que combina la funcionalidad de una radio latina 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 otro extremo (B). El espejo sólo obstruye la mitad del campo (ya sea izquierda o derecha) y permite ver el objetivo en la otra mitad. Reflejada en el espejo está la imagen del segundo 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 los dos objetivos sean las mismas y que las distancias desde el espejo a cualquiera de los lentes sean idénticas. Si no se cumple esta condición, las dos imágenes no se pueden llevar a un enfoque común .
El espejo está montado en el pentagrama (DF) de la parte de radio latina del instrumento y gira con él. El ángulo que forma este lado del rombo del radio latino con respecto al 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 mira el horizonte con la vista directa de la lente y ve un objeto celeste en el espejo. Al girar el tornillo para colocar las dos imágenes 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 tuviera una sección transversal rectangular. Esto facilita la construcción, pero no es un requisito ya que se pueden acomodar otras formas de sección transversal. Los cuatro lados de la porción del radio latino (CD, DE, EF, FC) deben tener la misma longitud para que el ángulo entre el telescopio y el lado de la lente del objetivo (ADC) sea exactamente el doble del ángulo entre el telescopio y el espejo. (ADF) (o en otras palabras, hacer 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, Halley no diseñó el instrumento así. Esto puede sugerir que el diseño general del instrumento era coincidentemente como el de una radio latina y que Halley puede no haber estado familiarizado con ese instrumento.
No se sabe si este instrumento fue probado alguna vez en el mar. [2]
El cuadrante reflectante de Newton era similar en muchos aspectos al primer cuadrante reflectante de Hadley que le 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 sólo 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 reflectante en 1731. Halley notó que el diseño de Hadley era bastante similar al instrumento newtoniano anterior. [2]
Como resultado de este secreto involuntario, el invento de Newton jugó poco papel en el desarrollo de los instrumentos reflectantes.
Lo sorprendente del octante es el número de personas que inventaron el dispositivo de forma independiente en un corto período de tiempo. A John Hadley y Thomas Godfrey se les atribuye el mérito de haber inventado el octante . Ellos 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 reflectante de Newton. El segundo tenía esencialmente la misma forma que el sextante moderno. Pocos del primer diseño se construyeron, mientras que el segundo se convirtió en el instrumento estándar del que derivó el sextante y, junto con el sextante, desplazó a todos los instrumentos de navegación anteriores utilizados para la navegación celeste .
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 del Mar. [4] Utilizó un prisma fijo además de un espejo índice para proporcionar elementos reflectantes. Los prismas ofrecen ventajas sobre los espejos en una época en la que los espejos de metal pulido eran inferiores y tanto el plateado de un espejo como la producción de vidrio con superficies planas y paralelas eran difíciles. Sin embargo, los otros elementos de diseño del instrumento de Smith lo hicieron inferior al octante de Hadley y no se utilizó de manera significativa. [3]
Jean-Paul Fouchy, profesor de matemáticas y astrónomo en Francia , inventó un octante en 1732. [3] El suyo era esencialmente el mismo que el de Hadley. Fouchy no estaba al tanto de los acontecimientos en Inglaterra en ese momento, ya que las comunicaciones entre los fabricantes de instrumentos de los dos 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 fue eclipsado por el de Hadley.
El origen del sextante es sencillo y no está en discusión. El almirante John Campbell , después de haber utilizado el octante de Hadley en pruebas en el mar del método de las distancias lunares , descubrió que faltaba. El ángulo de 90° subtendido por el arco del instrumento fue insuficiente para medir algunas de las distancias angulares requeridas por el método. Sugirió que el ángulo se aumentara a 120°, dando como resultado el sextante. John Bird fabricó el primer sextante de este tipo en 1757. [6]
Con el desarrollo del sextante, el octante se convirtió en una especie de instrumento de segunda clase. El octante, aunque en ocasiones se construía enteramente de latón, seguía siendo principalmente un instrumento con estructura de madera. La mayoría de los avances en materiales y técnicas de construcción avanzadas se reservaron para el sextante.
Hay ejemplos de sextantes fabricados con madera, sin embargo la mayoría están hechos de latón. Para garantizar la rigidez del marco, los fabricantes de instrumentos utilizaron marcos más gruesos. Esto tenía el inconveniente de hacer que el instrumento fuera más pesado, lo que podría influir en la precisión debido al temblor de manos 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 cuadros estaban separados por aproximadamente un centímetro. Esto aumentó significativamente la rigidez del marco. Una versión anterior tenía un segundo marco que sólo cubría la parte superior del instrumento, asegurando los espejos y el telescopio. Las versiones posteriores utilizaron dos fotogramas completos. Como los espaciadores parecían pequeños pilares, también se los llamaba sextantes de pilares .
Troughton también experimentó con materiales alternativos. Las escamas estaban chapadas en plata , oro o platino . Tanto el oro como el platino minimizaron los problemas de corrosión . Los instrumentos chapados en platino eran caros debido a la escasez del metal, aunque menos caros 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 empresa Troughton que utilizaban platino se pueden identificar fácilmente por la palabra Platina grabada en el marco. Estos instrumentos siguen siendo muy valorados como piezas 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 fácil lectura del nonio , se añadió una pequeña lupa. Además, para reducir el brillo en el marco, algunos tenían un difusor que rodeaba la lupa para suavizar la luz. A medida que aumentó la precisión, el vernier de arco circular fue reemplazado por un vernier de tambor.
Los diseños de los marcos se modificaron con el tiempo para crear un marco que no se viera afectado negativamente por los cambios de temperatura. Estos patrones de marco se estandarizaron y se puede ver la misma forma general en muchos instrumentos de diferentes fabricantes.
Para controlar los costes, ahora se encuentran disponibles sextantes modernos en plástico fabricado con precisión. Son ligeros, asequibles y de alta calidad.
Si bien la mayoría de la gente piensa en navegación cuando escuchan 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 ofrecieron instrumentos con tamaños distintos de un octavo o un sexto de círculo. Uno de los más comunes era el quintante o quinto de círculo (lectura de arco de 72° a 144°). También estaban disponibles otros tamaños, pero los tamaños impares nunca llegaron a ser comunes. Muchos instrumentos se encuentran con escalas que leen, por ejemplo, 135°, pero se les llama simplemente sextantes. De manera similar, existen octantes de 100°, pero no están separados como tipos únicos de instrumentos.
Había interés en instrumentos mucho más grandes para propósitos especiales. En particular, se fabricaron varios instrumentos de círculo completo, clasificados como círculos reflectantes y círculos repetidos .
El círculo reflectante fue inventado por el geómetra y astrónomo alemán Tobias Mayer en 1752, [6] y sus detalles se publicaron en 1767. [3] Su desarrollo precedió al sextante y fue 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 a 180°, ya que la distancia mínima siempre será menor a 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 parte de la Royal Navy. [11] Este instrumento fue uno de los utilizados por el almirante John Campbell durante su evaluación del método de la distancia lunar . Se diferenciaba en que estaba graduado en 360° y era tan pesado que estaba provisto de un soporte que se sujetaba a un cinturón. [11] No se consideró mejor que el octante de Hadley y era menos conveniente de usar. [3] Como resultado, Campbell recomendó la construcción del sextante.
Jean-Charles de Borda desarrolló aún más el círculo de reflexión. Modificó la posición de la mira telescópica de tal manera que el espejo pudiera usarse para recibir una imagen desde cualquier lado con respecto al telescopio. Esto eliminó la necesidad de comprobar que los espejos estuvieran exactamente paralelos al leer cero. Esto simplificó el uso del instrumento. Se realizaron más mejoras 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 de repetición . [6] [12] Borda y Lenoir desarrollaron el instrumento para levantamientos geodésicos . Como no se utilizó para las medidas celestes, no utilizó doble reflexión y lo sustituyó por dos miras telescópicas. Como tal, no era un instrumento reflectante. Se destacó por ser equivalente al gran teodolito creado por el renombrado 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 de 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 (ver Distancia lunar (navegación) ).
Edward Troughton también modificó el círculo reflectante. Creó un diseño con tres brazos índice y verniers . Esto permitió tres lecturas simultáneas para promediar el error.
Como instrumento de navegación, el círculo reflectante era más popular entre la marina francesa que entre la británica. [6]
El sextante Bris no es un verdadero sextante, pero sí 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 algunos ángulos específicos, a diferencia de otros instrumentos reflectantes que pueden medir cualquier ángulo dentro del rango del instrumento. Es particularmente adecuado para determinar la altitud del sol o de la luna .
Francis Ronalds inventó un instrumento para registrar ángulos en 1829 modificando el octante. Una desventaja de los instrumentos reflectantes en aplicaciones topográficas es que la óptica dicta que el espejo y el brazo índice giren la mitad de la separación angular de los dos objetos. Por lo tanto, es necesario leer el ángulo, anotarlo y utilizar un transportador para dibujar el ángulo en un plano. La idea de Ronalds era configurar el brazo índice para que girara el doble del ángulo del espejo, de modo que el brazo pudiera usarse para dibujar una línea en el ángulo correcto directamente sobre el dibujo. Usó un sector como base de su instrumento y colocó el cristal del horizonte 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 soportaba el espejo tenía el doble de diámetro que la bisagra para dar la relación angular requerida. [13]