Levelling o leveling ( inglés americano ; ver diferencias ortográficas ) es una rama de la topografía , cuyo objeto es establecer o verificar o medir la altura de puntos específicos con respecto a un datum. 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 crucetas y marcas estadimétricas . Las crucetas se utilizan para establecer el punto de nivel en el objetivo, y las estadimétricas permiten determinar la distancia; las estadimétricas suelen tener una relación de 100:1, en cuyo caso un metro entre las marcas estadimétricas en la mira (o varilla ) representa 100 metros desde el objetivo.
La unidad completa se monta normalmente sobre un trípode y el telescopio puede girar libremente 360° en un plano horizontal. El topógrafo ajusta el nivel del instrumento mediante un ajuste grueso de las patas del trípode y un ajuste fino utilizando tres tornillos de nivelación 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 ojo de buey integrado en el soporte del instrumento.
El topógrafo mira a través del ocular del telescopio mientras un asistente sostiene una mira vertical graduada en pulgadas o centímetros. La mira se coloca verticalmente usando un nivel, con su base en el punto para el cual se requiere la medición del nivel. El telescopio se gira y se enfoca hasta que la mira sea claramente visible en la cruz. En el caso de un nivel manual de alta precisión, el ajuste fino del nivel se realiza mediante un tornillo de altura, usando un nivel de burbuja de alta precisión fijado al telescopio. Esto se puede ver mediante un espejo mientras se ajusta o se pueden mostrar los extremos de la burbuja dentro del telescopio, lo que también permite asegurar el nivel preciso del telescopio mientras se toma la vista. Sin embargo, en el caso de un nivel automático, el ajuste de altura se realiza automáticamente mediante un prisma suspendido debido a la gravedad, siempre que la nivelación gruesa sea precisa dentro de ciertos límites. Cuando se nivela, se registra la lectura de graduación de la mira en la cruz y se coloca una marca o marcador de identificación donde la mira de nivel descansaba sobre el objeto o la posición que se está midiendo.
Un procedimiento típico para un seguimiento lineal de niveles a partir de un punto de referencia conocido es el siguiente. Se coloca el instrumento a 100 metros (110 yardas) de un punto de elevación conocida o supuesta. Se sostiene una vara o mira vertical sobre ese punto y se utiliza el instrumento de forma manual o automática para leer la escala de la vara. Esto proporciona la altura del instrumento sobre el punto de partida (retrospectiva) y permite calcular la altura del instrumento (HI) sobre el punto de referencia. A continuación, se sostiene la vara sobre un punto desconocido y se toma una lectura de la misma manera, lo que permite calcular la elevación del nuevo punto (prospectiva). La diferencia entre estas dos lecturas es igual al cambio de elevación, por lo que este método también se denomina nivelación diferencial . El procedimiento se repite hasta que se llega al punto de destino. Es una práctica habitual realizar un bucle completo de vuelta al punto de partida o bien cerrar la poligonal en un segundo punto cuya elevación ya se conoce. La comprobación de cierre evita errores en la operación y permite distribuir el error residual de la forma más probable entre las estaciones.
Algunos instrumentos disponen de tres puntos de mira que permiten medir con estadímetro las distancias de referencia y de punto de mira. También permiten utilizar el promedio de las tres lecturas (nivelación de tres hilos) como comprobación de errores y para calcular el promedio del error de interpolación entre las marcas de la escala de la mira.
Los dos tipos principales de nivelación son la nivelación simple, como ya se ha descrito, y la nivelación doble (doble nivelación). En la nivelación doble, el topógrafo toma dos puntos de referencia y dos puntos de referencia y se asegura de que la diferencia entre los puntos de referencia y los puntos de referencia sea igual, reduciendo así la cantidad de error. [1] La nivelación doble cuesta el doble que la nivelación simple. [2]
Al utilizar 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. El término "giro" se utiliza para referirse al movimiento del nivel para tomar una fotografía 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 el mismo lugar, el nivel se mueve a una nueva ubicación donde la varilla aún está visible. Se toma una lectura desde la nueva ubicación del nivel y se utiliza la diferencia de altura para encontrar la nueva elevación de la pistola niveladora. Esto se repite hasta que se completa la serie de mediciones.
El nivel debe estar en posición horizontal para obtener una medición válida. Por este motivo, si la cruz horizontal del instrumento está más baja que la base de la vara, el topógrafo no podrá apuntar la vara y obtener una lectura. La vara se puede elevar normalmente hasta 25 pies de altura, lo que permite colocar el nivel mucho más alto que la base de la vara.
El otro método estándar de nivelación en construcción y topografía se denomina nivelación trigonométrica , que se prefiere cuando se nivela "hacia afuera" una serie de puntos desde un punto estacionario. Esto se hace utilizando una estación total o cualquier otro instrumento para leer el ángulo vertical o cenital con respecto a la mira, y el cambio de elevación se calcula utilizando funciones trigonométricas (ver el ejemplo a continuación). A distancias mayores (normalmente 1000 pies o más), también se deben tener en cuenta en las mediciones la curvatura de la Tierra y la refracción de la onda del instrumento a través del aire (ver la sección a continuación).
Ejemplo: un instrumento en el punto A que lee una varilla en el punto B con un ángulo cenital de < 88°15'22" (grados, minutos, segundos de arco ) y una distancia de pendiente de 305,50 pies sin tener en cuenta la altura de la varilla o del instrumento se calcularía de la siguiente manera:
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, ya que la línea de referencia (0°) para los ángulos cenitales es recta hacia arriba yendo en el sentido de las agujas del reloj una revolución completa, y por lo tanto, una lectura de ángulo de menos de 90 grados (horizontal o plano) estaría mirando hacia arriba y no hacia abajo (y opuesto para ángulos mayores de 90 grados), y por lo tanto ganaría elevación.
La curvatura de la Tierra hace que la línea de visión horizontal en el instrumento sea cada vez más alta sobre un esferoide a mayores distancias. El efecto puede ser insignificante para algunos trabajos a distancias inferiores a 100 metros. El aumento de altura de una línea recta con la distancia D es:
donde R es el radio de la tierra.
La línea de visión es horizontal en el instrumento, pero no es una línea recta debido a la refracción atmosférica . El cambio de densidad del aire con la elevación hace que la línea de visión se incline 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 referencia y de orientación aproximadamente iguales para que los efectos de refracción y curvatura se anulen. 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 provocar errores. [4]
Suponiendo mediciones libres de errores, si el campo gravitacional 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 solo 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 los bucles:
donde representa la gravedad en el intervalo de nivelación i . Para redes de nivelación precisas a escala nacional, siempre se debe utilizar la última fórmula.
debe utilizarse 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 la utilizada para el establecimiento y mantenimiento de referencias verticales , se denomina nivelación geodésica .[5]
El nivel de tolva fue desarrollado por el ingeniero civil inglés William Gravatt mientras inspeccionaba la ruta de una línea ferroviaria propuesta de Londres a Dover. Más compacto y, por lo tanto, más robusto y fácil de transportar, se cree comúnmente que el nivel de tolva es menos preciso que otros tipos de nivelación, pero ese no es el caso. El nivel de tolva requiere miras más cortas y, por lo tanto, más numerosas, pero esta falla se compensa con la práctica de hacer que las miras hacia adelante y hacia atrás sean iguales.
Los diseños de nivel precisos se utilizaban a menudo para proyectos de nivelación de gran envergadura en los que se requería la máxima precisión. Se diferencian de otros niveles en que tienen 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 ha nivelado aproximadamente el instrumento (con una precisión de aproximadamente 0,05 grados). El compensador consiste en pequeños prismas suspendidos de cables dentro del chasis del nivel que están conectados entre sí en forma de péndulo. Esto permite que solo entren rayos de luz horizontales, incluso en casos en los que el telescopio del instrumento no está perfectamente aplomado. [6]
El topógrafo instala el instrumento rápidamente y no tiene que volver a nivelarlo cuidadosamente cada vez que apunta con una mira en otro punto. También reduce el efecto de un pequeño asentamiento del trípode en la cantidad real de movimiento en lugar de aprovechar la inclinación a lo largo de la distancia de visibilidad. Debido a que el nivel del instrumento solo necesita ajustarse una vez por instalación, el topógrafo puede leer de manera rápida y sencilla tantas tomas laterales como sea necesario entre turnos. Se utilizan tres tornillos de nivel para nivelar el instrumento, a diferencia de los cuatro tornillos que se encontraban históricamente en los niveles defectuosos.
Los niveles láser [7] proyectan un haz que es visible y/o detectable por un sensor en la regla 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 en el instrumento y otra sosteniendo la regla.
El sensor se puede montar en maquinaria de movimiento de tierras para permitir la nivelación automatizada .
Nivelación simple.
