Наука о поиске ориентира: краткая история возникновения навигации (часть 1)

Человеческая история навигации восходит своим началом ко времени, когда люди только начали заселять Землю, покинув африканскую саванну. В качестве ориентиров на местности наши предки использовали постоянные в пространстве географические объекты: русла рек, горные массивы и, конечно же, звезды. Именно тяга человека к последним и дала толчок старту эры глобальной спутниковой навигации. Но до этого момента еще предстоял длинный путь.

В первой части материала об истории навигации мы расскажем, какие решения стояли у истоков возникновения знаний про ориентирование на местности, начиная от античных времен и до ХIХ века включительно.

Проблематика ориентирования в пространстве

Навигация — это совокупность знаний и методов в определении пространственного положения объектов относительно заданных ориентиров. Под навигацией понимают и построение наиболее короткого маршрута из одной точки координат в другую. Эта область знаний называется маршрутизацией.

Для ориентирования на местности необходимо учитывать несколько переменных: время, положение тела в пространстве и понимание о ландшафте, на котором предстоит ориентироваться. Древние люди сталкивались с рядом серьезных проблем в определении этих переменных. Однако большинство вопросов решались эмпирическим путем.

Время. Древние люди имели слабое представление о том, что такое время. Тем не менее, измеряли его интервально — при помощи коротких, но одинаковых по своей длительности временных промежутков. Изначально для этой цели использовались солнечные часы (каменный или медный круг с нанесенными на него делениями, в центре которого под наклоном устанавливался указатель). Деления на шкале часов разбивались на интервалы. При движении Солнца по небосводу тень от указателя перемещалась по окружности, показывая приблизительное время на циферблате. Наряду с солнечными часами существовали и песочные. Однако и тем, и другим был свойственен довольно высокий уровень погрешности.

Ландшафт. Начиная с античных времен, применялось картографирование — примитивное визуальное отображение местности с ее основными географическими объектами-ориентирами на двухмерной плоскости: глиняных табличках, деревянных дощечках, обрезках кожи, а позже и на пергаментах.

Положение в пространстве. Глобальной была проблема определения координат на местности. И если на суше ее еще можно было решить посредством природных или рукотворных ориентиров, то на море это становилось настоящим вызовом. Для выполнения данной задачи человек полагался на звезды, а позднее, с развитием картографирования и первыми представлениями о том, что Земля круглая, использовалась сетка координат. Она представляла собой точку пересечения параллелей и меридианов — линий широты и долготы Земли. Прямые высчитывались по отношению к четырем основным сторонам света.

Ориентирование по звездам: астролябии и секстанты

Ориентироваться в пространстве древним мореплавателям помогало и расположение небесных тел на небосводе. В Северном полушарии главным путеводным ориентиром служила наиболее яркая точка ночного неба — Полярная звезда. В дневное время суток судоходы сверялись с небесным расположением Луны и Солнца.

В античной Греции для определения времени использовались астролябии — медное округлое блюдо, внутри которого был подвижный диск (тимпан), с нанесенной на него картой созвездий.

Разместив астролябию в подвешенном состоянии и выровняв диск по линии горизонта, эллины сверяли карту созвездий с небосводом, а после — перемещали диск согласно ходу звездного неба. Таким образом греки, а позднее арабы, могли отслеживать продолжительность дня и ночи, а также цикл смены сезонов.

Моряки XVII века модифицировали античную астролябию, получив возможность ориентирования не только во времени, но и в пространстве. Устройство было названо секстант и представляло собой угломер, который измерял угол расположения Солнца по отношению к линии горизонта. Благодаря этому мореплаватели научились определять свою географическую широту, зная угол расположения Солнца на небе относительно текущей даты.

Секстанты активно использовались мореплавателями на протяжении XVII-XIX веков. Но для более совершенной навигации моряки нуждались в точном учете времени суток — во избежание погрешностей в измерениях. К тому же небо не всегда было ясным.

Первые магнитные компасы и картографирование

В условиях повышенной облачности или тумана моряки прибегали к еще одному способу ориентирования: по магнитному полюсу Земли. В качестве навигационного прибора применялся первый прообраз компаса — блюдо, заполненное маслом или водой, в центре которого располагалась намагниченная стрелка (металлическая игла, которую предварительно терли о магнит). Игла втыкалась в кусочек легкой древесины или соломинку, благодаря чему не тонула в жидкости. При отсутствии сильной качки намагниченная стрелка всегда указывала в одном направлении — на север.

Похожее описание и у устройства первого китайского компаса середины ХI века. В Европе тоже знали о магнитном ориентировании: средневековые скандинавские мореплаватели использовали примитивную версию компаса, которая называлась «Солнечный камень» (Solar Stein). Таким образом уже во времена раннего средневековья человек имел представление о четырех основных сторонах света: севере, юге, западе и востоке.

Настоящее развитие компасной навигации пришлось на XVI век — эпоху великих мореплавателей и географических открытий. К этому времени на флоте уже ощущали острую необходимость в картографировании местности, особенно в создании карты глубин. Помимо этого, на судоходных картах прошлого наносились указатели пути ко всем значимым портам в регионе. Данная техника направляющих линий получила название «роза ветров». Она указывала направление векторов движения и делилась на восемь ключевых сторон света: четыре основных (N, S, E, W: север, юг, восток, запад) и четыре промежуточных (NW, NE, SW, SE: северо-запад, северо-восток, юго-запад, юго-восток).

Хотя корабельный компас и помогал определить направление движения корабля, он не давал никакой информации касательно его положения на географической сетке координат. Для этого нужно было сперва научиться точно вычислять градус широты и долготы судна в пространстве.

Слежение за временем и расчет долготы

Устанавливать широту при помощи угла наклона Полярной звезды (или Солнца) по отношению к линии горизонта научились еще в древности. Совсем иначе дела обстояли с определением градуса долготы, так как он вычислялся путем сопоставления разницы во времени. Необходимо было знать точное время начального местоположения корабля и время его текущего географического положения в пространстве.

Однако даже самые лучшие механические часы начала XVIII века были не в состоянии идти точно и беспрерывно в течение хотя бы одних суток. Средняя погрешность первых механических часов составляла 10-15 минут в день, что в условиях продолжительных трансконтинентальных морских переходов было форменной катастрофой. За сутки погрешность в определении пространственного положения судна могла достигать 240 км (150 миль).

Важным изобретением XVIII века, полностью изменившим саму концепцию морской навигации, стал морской хронометр — аналог механических часов, который в 1764 году изобрел британский часовщик Джон Гаррисон. Инновационные часы англичанина умели компенсировать механический момент (из-за которого сбивался ход обычных механических часов) посредством специального балансира. Благодаря этой особенности суточная погрешность морского хронометра варьировалась в пределах 5-15 секунд.

Вооружившись морским хронометром Гаррисона, в 1779 году Джеймс Кук совершил свое кругосветное путешествие. По возвращении мореплаватель обнаружил, что его расчеты долготы при помощи хронометра имели погрешность, равную всего 13 км (7 миль).

Таким образом к концу XIX века человечество подошло с качественно новым уровнем понимания навигационных принципов ориентирования в пространстве. Однако все технологии прошлого только помогали людям рассчитывать маршрут вручную, никак не позволяя отслеживать его изменение в режиме реального времени. Для того чтобы это стало возможным, в области электрофизики должна была произойти настоящая революция. Но на горизонте виднелся ХХ век…

Продолжение следует