В XVII в. ученым удалось достигнуть значительных успехов в таком важном для мореплавателей; деле, как вычисление широты, что было необходимо дли определения местонахождения корабля.

   Одновременно произошел качественный скачок в картографии: применение меркаторовской проекции позволяло достаточно точно вычислять расстояния, что не представлялось возможным на сильно искаженных ранних картах. В XVII столетии появилось немало различных новшеств, облегчавших навигацию. Моряки начали широко использовать логарифмические таблицы и квадрант Дэвиса (достаточно точный и эффективный инструмент), совершенствовались и традиционные лоции.

   Галилей и Кеплер совершили настоящий переворот в астрономии: их открытия привели к окончательному отказу от аристотелевской концепции вселенной и проложили дорогу классической физике Ньютона.

Рис.1 Фрагмент лоции Средиземного Моря участка от Барселоны до Лепанто. Автором считается Хуан Mapmuнec.

   Лоции XVI веке были вполне пригодны для плавания по Средиземному Морю и использовались до ХУШ в. Названия географических, объектов размещались не на фоне моря, а на суше. Обратите внимание на линии, соединяющие различные города: они давали возможность вычислять курс с помощью простых геометрических методов.

Навигация в Средиземном Море

   Лоции, содержавшие достаточно верные и полные сведения, помогали морякам точно прокладывать курс при плаваниях по Средиземному морю на сравнительно небольшие расстояния. Мореплаватели применяли методы навигации, основанные на вычислении курса с помощью «справочника» (счетной доски, которую использовали еще в XIV в). Несмотря на то что широко применялась астролябия (инструмент для определения положения звезд, широты и времени), клепсидра оставалась обязательной для измерения времени в пути и скорости судна до rex пор. пока механические; часы не получили повсеместного распространения. Моряки в Средиземном море вплоть до начала XVIII в. ограничивались использованием астролябии, магнитного компаса и ряда простейших приспособлений, а также лоций и постоянно совершенствующихся карт.

Рис.2 Пополнение запасапресной воды на галере в одном из портов Средиземноморья.

Дальние плавания

   Для плавания в бассейне Средиземного моря особо точные приборы не требовались. поскольку маршруты были короткими и почти всегда имелась возможность уточнить свое местоположение — ведь побережье редко терялось из вида больше чем на три-четыре дня. Соответственно, мореходам было вполне достаточно традиционных способов определения географического положения. Напротив, плавания по океанским просторам требовали намного более точных расчетов.

   Уже в XV в. португальские и испанские мореплаватели, накопившие во время своих дальних плаваний немалый опыт, постарались усовершенствовать имеющиеся методы определения географического места. Их достижения в области навигации вскоре стали перенимать и широко использовать моряки других стран. Такое положение дел сохранялось примерно до конца XVII в., когда научный прогресс привел к появлению новых способов вычислений и новых, намного более совершенных навигационных и астрономических приборов. Это радикально изменило ситуацию в мореплавании.

   Торговая палата Севильи начиная с 1503 г., когда она и была основана, играла значительную роль в прогрессе навигации. Там многие годы работали видные ученые Педро де Медина и Мартин Кортес, авторы фундаментальных произведений «Искусство навигации» (Arte de navegar, 1545) и «Краткое описание небесного свода и искусства навигации» (Breve compendio de la esfera y del arte de navegar, 1551) соответственно. Эти труды были переведены на разные языки и широко использовались вплоть до конца XVII в. «Искусство навигации» содержало указания по определению.

Рис.3. Титульный лист одного из самых известных трактатов XVII в.The Navigator (1636) Капитана Чарльза Солтонстола, в подзаголовке: «Иллюстрация и объяснение принципов и основных элементов, как. практических так и теоретических которые содержатся в знаменитом «Искусстве навигации».

   При создании своего труда Солтонстол руководствовался произведением, написанным примерно столетием ранее Педро де Мединой, космографом Торговой палаты в Севилье. Навигация основывалась на магнитном компасе, на определении широты с помощью измерения высоты Солнца и на подаете пройденного расстояния с помощью лага. Дополнительную известность работа приобрела в Англии благодаря переработке и комментариям капитана Чарльза Солтонстола в «Навигаторе» (Лондон. 1636).

Рис.4 Гравюра конца XVI в. с изображением корабля, на корме которого мореплаватель занимается определением его местоположения и прокладкой курса судна с помощью математических расчетов, а не с помощью карт, как это делали ранее (и что давало большую погрешность).

   В XVI в. явление магнитного склонения еще не было достаточно изучено. Так, не было известно, что оно меняется как во времени, так и в пространстве. Все попытки определить и как-то компенсировать отклонение стрелки компаса не увенчались успехом. Поскольку наблюдения, сделанные в разное время, давали противоречивые результаты, путаница только усиливалась. Это продолжалось до тех пор. пока Мартин Кортес не предположил существование магнитного полюса, местонахождение которого не совпадает с географическим. В 1581 г. англичанин Роберт Норман в труде «The New Attractive» и его соотечественник Уильям Боро в работе A Discours of the Variation изложили новый способ определения магнитного склонения. Однако окончательное решение данной проблемы удалось найти только столетие спустя.

Рис.5 Астролябия и магнитный компас — оба основных, инструмента. Который пользовались мореплаватели в XVl-XVll вв. С помощью стрелки компаса определяли направление движения корабля, а астролябия служила для измерения высоты Солнца и звезд над горизонтом, позволяя, таким образом, определить широту.

Рис. 6 Карта Канарского архипелага, 1690 г. В XVII в. основные усилия картографов были направлены не столько на совершенствование уже существующие карт, сколько на учение ранее не исследованных земель.

Определение широты: от астролябии до квадранта Дэвиса.

   Уже в XV-XVI вв. научные знания позволяли определять широту, что давало возможность разрешить одну из основных проблем дальних плаваний. Однако вопрос точного вычисления высоты Солнца и звезд до конца решен не был, хотя в распоряжении мореплавателей имелись детально разработанные и удобные таблицы. Так, в конце XV в. астрономом, математиком и астрологом из Саламанки Абрахамом Закуту был создан «Вечный альманах» {Almanack Perpetuum) — превосходный для своего времени сборник таблиц высоты Солнца. Он широко использовался португальцами весь XVI в. и большую часть следующего столетия. В течение XVII в. Широкое распространение получила астролябия, которая ранее уже начала заменять квадрант при измерении высоты звезд над горизонтом. Этот инструмент был усовершенствован, и его даже весьма простые образцы, которыми чаще всего пользовались мореплаватели, стали заметно более точными. Использовался также градшток (известный и под названием «посох Якова») — инструмент, появившийся еще во времена античности. В XVI в. он был существенно усовершенствован и с успехом заменял астролябию при измерении высоты Солнца в тех случаях, когда она не достигала 60° над горизонтом. Однако разработка более точных и надежных инструментов продолжилась.

   В изданном в Севилье в 1606 г. труде Андреса Гарсии «Правила навигации» описывалась в числе прочего и так называемая армиллярная сфера (от лат. armilla — «кольцо»). На образующих сферу металлических кольцах находились передвижные диоптры, с помощью которых фиксировалось положение небесною объекта (светила). К концу XVI в. армиллярные сферы утратили функции измерительных приборов, поскольку было очень сложно расположить прибор таким образом, чтобы солнечный луч проходил через отверстие. Кроме того, градусная шкала не была достаточно точной.

Рис.7 Фрагмент карты Южной Америки, созданной в 1618 г. Лукасом Де КиросоМ.

   Армиллярной сфере моряки предпочли другой инструмент, изобретенный незадолго до этого английским мореплавателем Джоном Дэвисом и описанный в трактате «Секреты моряка» (The Seaman's Secrets, 1594). Английский квадрант, или квадрант Дэвиса, состоял из градуированных линеек в форме усеченных дуг, которые скреплялись друг с другом с помощью древка. При этом большая дуга имела угловой размер 30°, а меньшая — 60°. На свободном конце древка располагался медный горизонт, а дополняли конструкцию ручки, с помощью которых наблюдатель держал прибор в руках. Для измерений наблюдатель устанавливал квадрант на плечо и вставал спиной к Солнцу. Затем с помощью линейки он выравнивал прибор по горизонту, чтобы его было видно в визир, закрепленный на большей дуговой линейке. После этого нужно было передвигать меньшую дуговую линейку до тех пор, пока тень от нижней шкалы не оказывалась в визире. Таким образом, по одной шкале отсчитывался угол к горизонту, а по второй — угол подъема Солнца.

Опыт навигации в океане

   Несмотря на успели в мореплавании, для отправлявшихся в дальние плавания моряков в конце XVII в. точные навигационные вычисления оставались труднодостижимыми. Навигация основывалась на двух фундаментальных операциях: расчете счислимого места (то есть теоретического или расчетного местоположения судна) и определении широты. Знание широты было необходимо для определения положения судна, но вычислять ее умели лишь весьма приблизительно, способами, почти не изменившимися с XVI в. Солнечные часы позволяли штурману определить солнечный полдень, так как в этот момент Солнце пересекает меридиан, проходящий через точку, в которой находится наблюдатель, а высота Солнца дает величину широты. Однако кульминация не имеет постоянного значения в течение года, следовательно было необходимо воспользоваться
таблицами, которые уже составили астрономы того времени.

   Измерив высоту Солнца и используя таблицы, можно было получить (в зависимости от даты) величину, которую нужно было прибавить или вычесть из зенитного расстояния в том месте, где находится корабль. Зенитное расстояние — это угловое расстояние Солнца от зенита, его величину получали, вычитая 90° от угла высоты, то есть применяли формулу, в которой фигурировали две дуги: широта = склонение — (90° - высота Солнца). Величина склонения (то есть высота любого светила над горизонтом) имела положительное значение в северном полушарии и отрицательное — в южном. Полученный результат (широту) переносили на карту и выполняли необходимые вычисления, требовавшиеся для определения расчетной точки с помощью подсчета пройденного пути.

   Курс определяли с помощью магнитного компаса, а чтобы узнать пройденное расстояние, измеряли скорость судна ручным лагом, изобретенным в XVI в. Этот инструмент состоял из деревянного поплавка, к которому была привязана веревка с узлами на расстоянии 15,43 м друг от друга (отсюда появился термин «узел», используемый для обозначения скорости корабля).

Рис.8 Песочные часы, которые позволяли с достаточной точностью отсчитать 15 секунд.

   Для упрощения подсчетов расстояние между узлами выбрали таким, что 120 узлов соответствовали одной морской миле. В тот момент, когда моряк устанавливал песочные часы или клепсидру на определенное количество времени, в воду бросали поплавок, который оставался неподвижным, пока корабль удалялся. Веревка разматывалась: количество пройденных узлов за определенное время позволяло вычислить скорость корабля. Этот способ имел не слишком высокую точность и был очень зависим от погодных условий. Кроме того, карты того времени имели существенные искажения, обусловленные применением проекции Меркатора. Вообще, современному человеку порой просто невозможно даже представить себе все те сложности, с которыми сталкивались мореплаватели той эпохи, определяя местонахождение судна.

Карты и математические методы

   Недостаточно было просто определить широту, требовалось использовать эти данные для прокладки курса судна на карте. В средиземноморских лоциях, которыми повсеместно пользовались еще в XVII в., широта не указывалась.

   Зато в Атлантике стало необходимо определять значение широты для работы с картами, выполненными в проекции Меркатора (1569). Однако в XVII в. проекция Меркатора доставляла немало сложностей штурманам к тому же мореплаватели зачастую не стремились получать необходимые знания для выполнения расчетов — порой достаточно сложных, — необходимых для исправления искажений при измерении расстояний, обусловленных этой проекцией на картах. Однако развитие математики в целом
и такого ее раздела, как тригонометрия, позволили значительно облегчить навигационные вычисления.

   В 1623 г. английский математик валлиец Эдмунд Гюнтер предложил применять тригонометрические расчеты применительно к навигации. Также он внес совершенствования в конструкцию квадранта — инструмента, известного с давних времен. Используя незадолго до того описанные бароном Непером натуральные (неперовы) логарифмы, он для облегчения математических вычислений предложил механическое устройство, состоящее из шкалы и двух циркулей. Хотя мореплаватели XVII в. не спешили использовать последние достижения математики, развитие науки привело к появлению новой научной дисциплины, которая в XVIII в. Сделала весьма заметные успехи и впоследствии была названа астрономической навигацией.

Рис.9 Использование квадранта Дэвиса.

   Наблюдатель смотрел в диоптр, P1, большего сектора, a через диоптр меньшего сектора, P2, проводил луг света. P2 определял для данного сектора угол а, который показывал высоту Солнца, которую хотели определить. Диоптрию P1 двигали по большему сектору,пока на пластинке Т тень, отбрасываемая диоптром Т2, не оказывалась на одной прямой с горизонтом. Высота Солнца равнялась сумме углов а и 6, отмеченных диоптрами.

Рис.10 Конструкция морского секстанта	Рис.11 Использование секстанта для определения возвышения солнца над горизонтом

 

   В 1731 году английский оптик Джон Хэдли усовершенствовал астролябию. Новый прибор, получивший название октант, позволял решить проблему измерения широты на движущемся судне, так как теперь два зеркала позволяли одновременно видеть и линию горизонта и солнце. Но октанту не досталась слава астролябии: за год до этого Хадли сконструировал секстант - прибор, позволявший с очень большой точностью измерять местоположение судна.

  Принципиальное устройство секстанта, т. е. прибора, использующего принцип двойного отражения объекта в зеркалах, было разработано еще Ньютоном, но было забыто и только в 1730 году было заново изобретено Хэдли независимо от Ньютона.

   Морской секстант состоит из двух зеркал: указательного и неподвижного полупрозрачного зеркала горизонта. Свет от светила (звезды либо планеты) падает на подвижное зеркало, отражается на зеркало горизонта, на котором одновременно видны и светило и горизонт. Угол наклона указательного зеркала и есть высота светила.

   Поскольку этот сайт по истории, а не по кораблевождению, то я не буду вдаваться в подробности и особенности различных навигационных приборов, но хочу сказать несколько слов о еще двух приборах. Это лот (лотлинь) и лаг (лаглинь).