Морская навигация эпохи парусного флота


История мореходства не менее удивительна, чем история морского пиратства. История освоения морских просторов связана не только с развитием судостроения, но также и с необходимостью адаптации людей и техники к природным
факторам, к множеству опасных морских явлений, всегда сопутствующих неугомонной жизни мореплавателей.
Плавание против ветра Древние мореходы совершали морские путешествия вдоль берегов, поэтому могли довольствоваться простыми тихоходными кораблями, которые чаще всего при попутном ветре плыли под парусами, а при его отсутствии – под веслами. Появление парусов специальной конструкции – латинских – позволило использовать силу ветра не только при его попутном направлении, но и под небольшим углом.
Навигация — ведущая дисциплина в цикле наук судовождения. Само слово «навигация» происходит от латинского «navigatio», что означает «мореплавание, судоходство». Навигация позволяет:
• осуществлять выбор оптимального курса и скорости судна в различных условиях плавания;
• следовать избранным путем по навигационным ориентирам, с учетом необходимых поправок о направлении движения судна и пройденного им расстояния (счисление пути);
• определять местоположение судна.
Со временем навигация стала составной частью комплекса морских наук, выделившихся из нее в процессе развития мореплавания:
• лоции, изучающей навигационные пособия и навигационное оборудование морских бассейнов;
• мореходной астрономии, изучающей методы определения координат судна по небесным светилам;
• технических средств судовождения, с помощью которых ведется счисление пути и определение места судна.
Постепенное развитие навигации и изучение особенностей применения парусов позволили парусным судам освоить такие сложные приемы, как плавание против ветра и плавание в шторм. Так, например, если направление ветра прямо противоположно желаемому курсу судна, то корабль идет своеобразной «змейкой» - галсами. При плавании в шторм используются особенности конструкции корабля, например высокая кормовая часть у каравелл, которая действует подобно флюгеру и разворачивает судно носом или кормой к ветру.
Мореплавателям, как и любым путешественникам, во время путешествий необходимо знать свое местоположение. Карты были известны с древних времен, используя карты и лоции можно было без проблем запланировать любое путешествие. Лоция помогала определить маршруты между портовыми городами, содержала сведения о якорных стоянках и опасных рифах, нор для плавания вдали от берегов этого было недостаточно. Во время плавания нужно было достаточно точно знать собственное местоположение на карте. Благодаря применению системы координат уже в XII веке появились особые карты-лоции, которые назывались портоланы. Еще в древней Греции на карты стали наносить систему координат, по которой любая точка земной поверхности имела уникальные широту и долготу.

Определение долготы Определение широты

Широта характеризует удаленность точки измерения от экватора, а долгота – от принятого за начало отсчета меридиана. Широта может быть определена по длине отбрасываемой тени в определенное время или по углу возвышения солнца или звезды. Определение долготы связано с применением хронометрического метода, когда долгота определяется по разности времени наблюдения определенного события по сравнению с образцовой точкой. В этом случае долгота вычисляется с очень высокой точностью, так как изменение времени на 1 час соответствует 15 градусам вращения Земли. Таким образом для успешных плаваний в море были необходимы не только карты и лоции, но приборы, позволяющие вычислять время и координаты корабля, а для планирования путешествий – компас и измерители скорости.

Справочно: система морских мер.
• Морская миля =6080 футов = 1853, 18 м.
• Статутная, или береговая, миля = 5280 футов = 1609,4 м (применяется для измерения расстояний на суше).
• Кабельтов — одна десятая часть морской мили — приближенно, принимается равным 600 футам или 200 ярдам.
• Ярд — 3 фута=91,440 см.
• Фут- 30,48 см.
• Морская сажень содержит 6 футов или 1 ,83 м.




Ноктурлябия (Nocturnal)


Ноктурлябия состоит из нескольких металлических или деревянных дисков, скрепленных в центре так, что они могут поворачиваться относительно друг друга и рычага, также закрепленном в центре кругов. В центре дисков также находится сквозное отверстие для наблюдения. Для проведения измерений прибор брали в вытянутую руку таким образом, чтобы Полярная звезда оказалась в центральном отверстии. Рычаг поворачивался до тех пор, пока по его оси можно было увидеть две ярчайшие звезды созвездия Большой Медведицы, которые указывали на яркую звезду Малой Медведицы. Затем рычаг наводился на эту звезду, ярчайшую в созвездии Малой Медведицы. Внутренний диск поворачивался так, чтобы текущая дата совпадала с меткой на рычаге. За счет этого происходило автоматическая коррекция звездного времени по солнечному. Затем прибор вновь наводился на Полярную звезду и проворачивался внешний диск таким образом, чтобы ярчайшая звезда Малой Медведицы лежала на одной линии с ней. Время, считанное с центрального диска и являлось точным местным временем. Благодаря нокрулябии навигатор мог определить точное время ночью, если только были видны звезды. Этого было вполне достаточно, чтобы откорректировать ход корабельных часов.






Логлинь (Бакруинья)


Если латлинь использовался для измерения глубины, то для того, чтобы измерить скорость корабля использовался другой инструмент – лотлинь. Логлинь состоял из небольшой дощечки - лага, привязанной к длинному линю. На лине с интервалом в 14,46 м завязывались узлы, а сам линь иногда наматывался на специальную бобину. Дощечка была привязана таким образом, чтобы при попадании в воду линь максимально натягивался. Дощечка бросалась в воду с кормы корабля и после ее падения в воду подсчитывалось число узелков, прошедших за 30 секунд. Дощечка удерживалась в воде, в то время как судно двигалось вперед и линь начинал разматываться с бобины. Число узелков и была скорость корабля, измеренная в узлах, то есть в морских милях в час. Этот метод измерения давал весьма грубый результат, но длительное время оставался единственным, который позволял измерять скорость судна. Если рассчитать расстояние между узелками, то с первого взгляда оно должно составлять 15,43 м, ведь если период измерения это 1\120 часа, то 1\120 морской мили будет именно 15,43м ( 1852/120), тем не менее принято расстояние 14,46м, так как за счет этого компенсируется неточность измерения за счет проскальзывания дощечки по воде.




Лаглинь


Помимо необходимости измерения координат корабля морякам также было важно знать и третью координату – глубину под кораблем. Особенно важно было знать глубину в гаванях, устьях рек и других прибрежных водах, чтобы избежать повреждения судна о дно. Для этого использовался простой прибор, который представлял из себя свинцовый груз весом в несколько килограмм, подвешенный на легком лине, длина которого достигала десятков метров и на котором через определенное расстояние вешались метки или завязывались узлы. Такой измеритель глубины использовался со времен Древнего Египта до XX века. Лаглинь бросали за борт вперед по ходу судна и, когда он достигал дна, считывали маркировку на лине.




Кросс-стафф (арбалет, балестилья, палочка Леви)


Простой, но эффективный прибор, состоящий из сравнительно длинной направляющей, на которую нанесены деления и свободно перемещающейся по ней деревянной измерительной линейкой строго определенного размера. В основе принципа измерения лежит возможность пересчитывать угловые значения. Чтобы произвести измерения, было необходимо навести балестилью на удаленный объект и установить измерительную линейку таким образом, чтобы ее края совпали с измеряемым объектом. Если было необходимо измерить угол подъема солнца, то линейку отодвигали на такое расстояние, чтобы один ее край совпадал с горизонтом, а второй – с центром солнечного диска. После этого было достаточно найти в специальной таблице полученное по направляющей значение и определить широту места измерения, для чего использовали Полярную звезду, а не солнце. Также с помощью этого инструмента можно было измерять размеры удаленных предметов, например высоту скал или размеры кораблей. Первоначально измерительная линейка была всего одна, что требовало применения весьма длинной направляющей. Позже направляющая стала комплектоваться набором измерительных линеек разного размера, а на направляющую наносили соответствующее количество шкал. Применение балестильи в качестве средства географических измерений было связано с прямым наблюдением солнца, что было связано с ослеплением измерителя. Кроме того, в северных широтах летом ночью достаточно светло, что затрудняет наблюдение звезд. Эти недостатки заставляли изобретать все новые и более совершенные средства измерения.




Квадрант (quadrant)

Квадрант был известен с древних времен. Это был простейший инструмент, с помощью которого можно было определять широту места наблюдения. Квадранты использовались не только для географических измерений, но и для вычислений угла установки артиллерийских орудий, астрономических вычислений или вместо астролябии, поэтому на него наносилось несколько шкал. Древний квадрант состоял из квадратной дощечки, в одном из углов которой подвешивался отвес, а на противоположные грани наносились значения широты. При этом 45 градусам соответствовал угол, противоположный углу крепления отвеса. Более поздние квадранты были треугольной формы и их изготавливали из меди или латуни. Для вычисления широты было необходимо навести одну из неотградуированных граней дощечки на Полярную звезду и по отвесу отсчитать значение широты. Так как Полярная звезда находится почти точно над Северным полюсом, показания квадранта имели приемлемую точность. В Южном полушарии, где Полярная звезда невидна, квадрант наводили на Альфу Южного Креста, расположенную почти над Южным полюсом. Недостатки квадранта были в том, что точность измерений была невысока и его невозможно было применять днем или при облачности.




Квадрант Дэвиса (back staff)


Изобретение квадранта позволило избавиться от недостатков балестильи. Ослепление солнечными лучами не позволяло проводить точные измерения, поэтому был необходим прибор, применение которого не требовало смотреть на полуденное солнце или вглядываться в светлое серверное небо. В 1594 году английский капитан Джон Дэвис изобрел измерительный прибор, который не имел недостатков, присущих балестилье. Новый прибор не имел ошибок в результате влияния параллакса и не требовал прямого наблюдения на солнце. Дэвис предложил прибор. Который сочетал в себе возможности измерения, присущие раньше разным приборам: астролябии, балестилье и древнего квадранта с отвесом. 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 градусов, 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. Квадрант Дэвиса мгновенно завоевал популярность, и в 17 веке ни один английский навигатор уже не мог обходить без него во время плаваний. В связи с популярностью этого прибора в Европе его даже стали называть квадрант Дэвиса.




Камаль (kamal)


Камаль был одним из простейших навигационных приборов, который, тем не менее был весьма эффективен – именно благодаря использованию этого прибора Васко да Гама смог обогнуть Африку и достичь Индии. Этот прибор состоял из дощечки, в центр которой была привязана бечевка с завязанными на ней через определенные промежутки узелками. Для проведения измерений было необходимо разместить дощечку на таком удалении, чтобы один ее край совпал с горизонтом, а второй – с солнечным диском. Отсчитав количество узелков между дощечкой и лицом наблюдателя. По таблице количество узелков переводилось в широту места наблюдения. Позднее камаль был вытеснен более точной балестильей.




Лисица (вахтенная доска, траверса)


Вахтенная доска использовалась навигаторами как своеобразная записная книжка. Наибольшее распространение этот инструмент получил в Англии и Дании. С помощью вахтенной доски можно было записывать важнейшие события, произошедшие на корабле – смена курса или заступление на вахту и затем производить различные путевые вычисления. Вахтенная доска представляла собой простую деревянную доску, в которой просверливалось множество отверстий. На доске укреплялось несколько стержней, которые соответствовали различным событиям. Верхняя часть доски, выполненная в виде диска имела 32 сектора, аналогично секторам компаса. Каждый сектор имел по 8 отверстий, расположенных радиально. Набор из 8 стержней закреплялся в центре диска. Каждые 30 минут вахтенный офицер сверял курс по компасу и вставлял стержень в отверстие того сектора, который соответствовал направлению движения корабля. Через 4 часа происходила смена вахты и стержень, установленный 4 часа назад вставлялся в новое отверстие и так далее. Для фиксации скорости в нижней части был аналогичный участок квадратной формы, каждая строка которого соответствовала30-минутным интервалам, а столбцы – скорости. В конце каждого 4 часа вахтенный офицер подсчитывал количество стрежней и легко мог рассчитать расстояние, пройденное кораблем. Дополнительный участок доски позволял вести счет вахтам. Вахтенная доска была простым и надежным способом расчета движения корабля, который к тому же никак не зависел от погоды.




Астролябия (astrolabe, astrolabio)


Астролябия предназначалась для определения высота стояния небесных тел, так как, зная высоту и точное время, можно было определить широту, на которой находится судно. Плоско-сферическая астролябия была известна еще в Древней Греции приблизительно в 240 году до нашей эры, тогда же этот инструмент получил и свое название. На протяжении двух тысячелетий этот научный инструмент оставался практически неизменным. Арабские ученые и математики разработали это простой, но точный механизм, способный определять время и находить небесные тела. Обычно морская астролябия состояла из сбалансированного металлического кольца с нанесенными на нем отметками, в центре которого находилась свободно вращающаяся планка с визиром (диоптр). Визир при повороте отсчитывал градусы, что позволяло измерять угол подъема солнца или звезд. Мореплаватели, начиная с 1480 года, и вплоть до середины 18 века использовали астролябию и специальные таблицы, по которым определялась широта местоположения корабля. Для уменьшения погрешности измерения диаметр астролябии составлял 13-15 см, но многие английские мореплаватели использовали более точные астролябии диаметром до 20 см. Для проведения измерений необходимо было навести астролябию на солнце или звезду. Зафиксировав разницу в показаниях между направлением на небесное тело и горизонт, а также зная местное время, можно было с помощью специальных таблиц определить широту места. Круг этот подвешивался на кольце в вертикальной плоскости, и посредством алидады, снабженной диоптрами, наблюдались звезды, высота которых отсчитывалась на лимбе, к которому впоследствии приделывался нониус. Если широта была известна, то по тем же таблицам можно было с высокой точность определить местное время. Начиная со второй половины 19 века, на смену астролябии пришли квадранты, позволявшие проводить более точные измерения.

Морские астролябии, применявшиеся на различных португальских кораблях XVI-XVII веков

Sacramento, 1650 год Santiago, 1575 год Atocha III 1605 год

Atocha IV 1616 год Ericeira 1600 год Aveiro 1575 год

S.Juliao da Barra 1 S.Juliao da Barra 2 S.Juliao da Barra 3

Nicol Patenal 1616




Секстант и октант


Секстант это наиболее современный и совершенный прибор для измерения угловых координат небесных тел. Его изобретение приписывается Исааку Ньютону. Секстант позволяет измерять как широту, так и долготу точки наблюдения, причем с довольно высокой точностью. Секстант состоит из двух зеркал: указательного и неподвижного наполовину прозрачного зеркала горизонта, а также измерительной линейки и указательной трубы. Для измерений секстант настраивают таким образом, чтобы его зрительная труба была направлена на линию горизонта. Свет от небесного объекта (звезды или солнца) отражается от указательного зеркала и падает на неподвижное зеркало горизонта. Угол наклона указательного зеркала, отсчитываемый по указательной линейки и есть и есть высота стояния небесного тела. Зная точное местное время по специальному астрономическому справочнику можно определить широту и долготу места нахождения наблюдателя. Секстант имел указательную линейку с сектором в 60 градусов, а более компактный октант – только 30 и у него отсутсвует зрительная труба, так как вместо нее применяется простой визир. Во всем остальном эти приборы совершенно одинаковы.

Секстант и Октант
Кликните, чтобы увеличить




Хронометр (амфилета)


До изобретения механических часов проблема измерения времени была одной из наиболее сложных. Вплоть до 17 века песочные часы оставались единственным средством измерения времени в море. Песочные часы состояли из двух стеклянных сосудов, соединенных тонким отверстием. Сосуды заполнялись песком и запаивались, а количество песка было таким, чтобы за 1 час он полностью пересыпался из одного сосуда в другой, после чего часы переворачивали. Разумеется, что изменяя количество песка, можно было изменять промежуток времени, за которые песок пересыпался из одного сосуда в другой. Обычно песочные часы были рассчитаны на 1 час, 30 минут и полминуты. На кораблях песочные часы на 1 час использовались для измерения времени суток. 30-минутные песочные часы использовались для замера промежутков записи информации в «лисицу» - прообраз бортового журнала. 30 секундные песочные часы были необходимы для измерения скорости лаглинем. Капитан Джон Смит на своем корабле ввел обычай звонить в колокол, чтобы моряки знали, когда начинается или заканчивается их вахта. Один удар колокола соответствовал 30 минутам, 2 удара – 1 часу и так далее вплоть до 8 ударов, означавших 4 часа. Вскоре этот способ оповещения стал общепринятым на всех кораблях в разных странах. С появлением механических часов ими стали оснащать все морские суда, причем этот прибор считался настолько важным, что его запрещалось выносить с корабля для корректировки и навигатор брал на берег маленькие переносные часы, выставлял на них точное местное время и уже по их показаниям корректировались корабельные часы. Первые часы, редко могли идти без остановки в течении суток, а точность их хода не превышала 12-15 минут в сутки. Лишь в 1735 году морские часы, изготовленные англичанином Джоном Гаррисоном, достигли точности 4-6 секунд в сутки.




Компас (compass, bussola)


С конца 16 века компас был главным морским измерительным инструментом. Принцип работы компаса основан на том, что намагниченная стрелка на легком подвесе всегда сохраняет свое положение относительно полюсов земли. Корпус компаса первоначально изготавливался из дерева или слоновой кости, а позднее его стали делать медным, так как медь не влияла на его показания. Первые компасы представляли из себя пиалу, залитую водой, в которую помещали щепку с природным магнитом. Почти мистическое свойство компаса указывать на полярную звезду было быстро оценено всеми моряками. Компас постоянно совершенствовался и в итоге превратился в тот прибор, который применяется и сегодня. В круглый корпус помещается тонкая балансирная игла, на которой подвешивается магнитная стрелка. На дне корпуса размещается шкала, указывающая на стороны света, а сверху корпус закрывается стеклом. Классическая шкала компаса представляла собой 32-лучевую звезду, каждый из лучей которой указывал на определенное направление. Каждый луч соответствовал определенному румбу. Так как магнитная стрелка под влиянием близко расположенных металлических предметов теряла свои свойства, компас размещали в специальном ящике – нактоузе - рядом с рулевым. Тем не менее компас со временем терял точность, кроме того его показания значительно искажались вблизи от берега. Проблема с погрешностью показаний компаса так и не была решена, поэтому наряду с ним на кораблях применялись и другие навигационные приборы.