Наука про пошук орієнтиру: коротка історія виникнення навігації (частина 1)

Історія навігації людства походить від часу, коли люди тільки-но почали заселяти Землю, покинувши африканську саванну. Як орієнтири наші пращури використовували постійні у просторі географічні об’єкти: русла річок, гірські масиви і, звичайно ж, зорі. Саме потяг людини до останніх і дав поштовх старту ери глобальної супутникової навігації сьогодні. Але до цього моменту ще потрібно було подолати довгий шлях.

У першій частині матеріалу про історію навігації ми розповімо, які рішення стояли біля витоків знань про орієнтування, починаючи від античних часів і до ХІХ століття включно.

Проблематика орієнтування у просторі

Навігація — це сукупність знань та методів визначення просторового положення об’єктів щодо заданих орієнтирів. Навігація — це й побудова найкоротшого маршруту з однієї точки координат до іншої. Ця галузь знань називається маршрутизацією.

Для орієнтування у просторі необхідно враховувати кілька змінних: час, положення тіла у просторі, та мати уявлення щодо ландшафту, на якому доведеться орієнтуватися. Стародавні люди зіштовхувалися з низкою серйозних проблем щодо визначення цих змінних. Проте більшість питань вирішувалися емпірично.

Час. Стародавні люди мали опосередковане уявлення про те, як правильно вести облік часу. Вимірювали його інтервально — завдяки коротким, але приблизно однаковим за своєю довжиною часовим проміжкам. Спочатку з цією метою використовувався сонячний годинник (кам’яне або мідне коло із вписаними в нього поділами, у центрі якого під нахилом встановлювався покажчик). Поділи на шкалі годинника розбивалися на інтервали. Сонце рухалося небосхилом, а тінь від стрілки-покажчика переміщалася по колу, вказуючи приблизний час на циферблаті. Поряд із сонячними годинниками існували й піщані. Втім, як ті, так і інші вирізнялися досить високим рівнем похибки.

Ландшафт. Починаючи з античних часів, застосовувалося картографування — примітивне візуальне відображення місцевості на двовимірній площині: глиняних та дерев’яних дощечках, обрізках шкіри, а пізніше і на пергаментах.

Положення у просторі. Глобальною була проблема визначення координат на території. І якщо на суші її ще можна було вирішити за допомогою природних або рукотворних орієнтирів, то на морі це ставало справжнім викликом. Для виконання цієї задачі людина покладалася на зорі, а згодом, із розвитком картографування та перших уявлень про те, що Земля кругла, використовувалася сітка координат. Йдеться про точку перетину паралелей та меридіанів — ліній широти та довготи Землі. Вони вираховувалися відносно чотирьох основних сторін світла.

Орієнтування за зорями: астролябії та секстанти

Орієнтуватися у просторі стародавнім мореплавцям допомагало розташування небесних тіл на небосхилі. У Північній півкулі головним небесним орієнтиром була найяскравіша точка нічного неба — Полярна зірка. У денний час доби мореплавці послуговувалися небесним розташуванням Місяця і Сонця.

В античній Греції для визначення часу використовувалися астролябії — мідне кругле блюдо, всередині якого був рухомий диск (тимпан), з позначеною на ньому мапою сузір’їв.

Розмістивши астролябію у підвішеному стані та зрівнявши диск із лінією горизонту, елліни звіряли карту сузір’їв із небосхилом, а потім переміщали диск згідно з ходом зоряного неба. Таким чином греки, а пізніше араби, могли відслідковувати тривалість дня і ночі, а також цикл зміни сезонів.

Моряки XVII століття модифікували античну астролябію, отримавши можливість орієнтування не лише у часі, а й у просторі. Пристрій, що називався секстант, являв собою кутомір, який вимірював кут Сонця відносно лінії горизонту. Завдяки цьому мореплавці навчилися визначати свою географічну широту, знаючи кут розташування Сонця на небі щодо поточної дати.

Секстанти активно застосовувалися мореплавцями протягом XVII-XIX століть. Проте для більш досконалої навігації моряки потребували точного обліку часу доби, щоб уникнути похибок у вимірах. До того ж небо не завжди було ясним.

Перші магнітні компаси та картографування

В умовах підвищеної хмарності або туману моряки вдавалися до ще одного способу орієнтування: за магнітним полюсом Землі. Як навігаційний прилад використовували перший прообраз компаса — блюдо, заповнене олією або водою, в центрі якого розташовували намагнічену стрілку (металеву голку, яку попередньо терли об магніт). Голку встромляли у шматочок легкої деревини або соломинку, завдяки чому вона не тонула в рідині. За відсутності сильної хитавиці намагнічена стрілка завжди вказувала один напрямок — на північ.

Схожий опис і влаштування першого китайського компаса середини ХI століття. У Європі теж знали про магнітне орієнтування: середньовічні скандинавські мореплавці користувалися подібною примітивною версією компаса, яка називалася “Сонячний камінь” (Solar Stein). Тобто вже у часи раннього середньовіччя людина мала уявлення про чотири основні сторони світу: північ, південь, захід та схід.

Справжній розвиток компасної навігації припав на XVI століття — епоху великих мореплавців та географічних відкриттів. На той час на флоті вже відчували гостру необхідність картографування місцевості, особливо при створенні мапи глибин. На судноплавних мапах минулого також позначалися покажчики шляху до всіх важливих портів у регіоні. Ця техніка напрямних ліній отримала назву “роза вітрів”. Вона вказувала напрямок векторів руху та ділилася на вісім ключових сторін світу: чотири основних (N, S, W, E: північ, південь, захід та схід) та чотири проміжні (NW, NE, SW, SE: північний захід, північний схід, південний захід, південний схід).

Хоча корабельний компас і допомагав визначити напрямок руху корабля, він не давав жодної інформації щодо його положення на географічній сітці координат. Для цього треба було спочатку навчитися точно обчислювати градус широти та довготи судна у просторі.

Стеження за часом та розрахунок довготи

Визначення широти за допомогою кута нахилу Полярної зірки (чи Сонця) стосовно лінії горизонту було відоме ще із давнини. Інша справа — з вираховуванням градуса довготи, оскільки він обчислювався шляхом зіставлення різниці у часі. Необхідно було знати точний час початкового розташування корабля та його поточного географічного перебування у просторі.

Однак навіть найкращі механічні годинники початку XVIII століття не були здатні йти точно та безперервно протягом хоча б однієї доби. Середня похибка першого механічного годинника становила 10-15 хвилин на день, що в умовах тривалих трансконтинентальних морських переходів було справжньою катастрофою. За добу похибка у вимірі просторового положення судна могла сягати 240 км (150 миль).

Важливим винаходом XVIII століття, що повністю змінив саму концепцію морської навігації, став морський хронометр — аналог механічного годинника, який 1764 року винайшов британський годинникар Джон Гаррісон. Інноваційний годинник англійця вмів компенсувати механічний момент (внаслідок якого збивався хід звичайного механічного годинника) за допомогою спеціального балансира. Завдяки цій особливості добова похибка морського хронометра варіювалася в межах 5-15 секунд.

Озброївшись морським хронометром Гаррісона, у 1779 році Джеймс Кук здійснив свою кругосвітню подорож. Після повернення мореплавець виявив, що його розрахунки довготи за допомогою хронометра мали похибку, рівну всього 13 км (7 миль).

Отже, до кінця ХІХ століття людство підійшло із якісно новим рівнем розуміння навігаційних принципів орієнтації у просторі. Проте всі технології минулого лишень допомагали людям розраховувати маршрут власноруч, не дозволяючи відстежувати його зміну в режимі реального часу. Для того, щоб це стало можливим, у галузі електрофізики мала статися справжня революція. Але на обрії уже майоріло ХХ століття…

Далі буде