Геодезические инструменты, см. приложение: Геодезические инструменты, их устройство и виды.
Геодезические инструменты, их устройство и виды.
правитьГеодезическими инструментами называются инструменты для производства разного рода съемок; они разделяются на следующие группы: 1) инструменты для измерения длин линий, 2) экеры, 3) буссоли, 4) инструменты для измерения углов, 5) инструменты для графических съемок, 6) инструменты для нивеллирных работ.
Главнейшие инструменты, принадлежащие к перечисленным группам, следующие. 1) Для измерения линий служат: а) стальная цепь (рис. 1) в 10 сажен длины, состоящая из ста колен по 0,1 саж. каждое; б) стальная лента (рис. 2), длиною так же в 10 саж. и шириною около дюйма, с метками через одну десятую сажени и с нумерацией последовательных саженей; лента вытесняет в настоящее время на практике цепь; в) за границей для измерения линий пользуются пяти-метровыми деревянными брусьями. Вспомогательным инструментом, необходимым для определения угла наклонения к горизонту измеряемых линий или для нахождения приведения измеренной линии к горизонту, служат эклиметры разных типов. Перечисленными инструментами линии измеряются со случайными ошибками, составляющими от 11000 до 110000 от длины линии в зависимости от условий измерения.
Для более тонкого измерения линий, необходимого для определения, например, длины базиза тригонометрической сети, служат особые приборы, иногда довольно сложные, называющиеся базисными приборами.
2) Под названием экер разумеется прибор для разбивки на местности постоянных, чаще всего прямых углов. Экеры бывают простые и отражательные; из них последние в свою очередь разделяются на зеркальные и призменные. Простые экеры бывают: крестообразный, восьмигранный, цилиндрический, конический, шарообразный. Экер крестообразный состоит из двух металлических линеек, соединенных между собою под прямым углом. На концах линеек помещены диоптры, визирные плоскости которых составляют между собою угол в 90°. Снизу линеек в месте их соединения приделывается втулка, которою экер надевается на штатив или на палку. Восьмигранный экер (рис. 3) состоит из медной восьмигранной призмы, на средине каждой грани которой сделан диоптр, и визирные плоскости диоптров пересекаются между собою, составляя углы не только в 90°, но также в 45° и 135°. Экеры других форм отличаются только тем, что визирные прорезы в них сделаны на поверхностях цилиндра, конуса, шара.
Из зеркальных экеров наиболее распространен двузеркальный (рис. 4); он состоит из металлической коробки, к двум стенкам которой под углом в 45° прикреплены зеркала. Над зеркалами имеются в стенках коробки окна, так что, смотря на внутреннюю стенку коробки, мы видим отражение вехи, поставленной в стороне, куда обращен раструб зеркал, а над ним чрез окошко — веху, поставленную прямо пред наблюдателем. Если отражение вехи в зеркале кажется продолжением вехи, прямо видимой, то мы находимся в вершине прямого угла, стороны которого проходят чрез упомянутые две вехи. Зеркала могут быть заменены призмами: одной прямоугольной равнобедренной призмой, двумя призмами, пятисторонней призмой.
3) Буссоль служит для определения углов, образованных магнитною стрелкою и данною линией на земной поверхности. Буссоли делаются с диоптрами или с трубою для визирования. Верхняя часть буссоли с диоптрами (рис. 5) состоит из медной линейки с диоптрами, на средине которой приделано кольцо с градусными делениями. В центре кольца на остром шпиле подвешивается магнитная стрелка. К линейке приделывается втулка, которою буссоль надевается на баксу, в свою очередь прикрепляющуюся к штативу. Угол между магнитной стрелкою и данною линией называется магнитным азимутом; он считается от северного конца стрелки вправо до данной линии и может иметь все значения от 0 до 360°. Если же брать между магнитною стрелкою и данною линией угол, меньший 90°, и отмечать квадрант, в который направляется линия, т.-е. северо-восток (СВ), юго-восток (ЮВ), юго-запад (ЮЗ) и северо-запад (СЗ), то этот угол называют магнитным румбом. Буссоли устраиваются либо с азимутальным, либо с румбическим кольцом. В первом из них деления назначаются в одну сторону (против часовой стрелки) от 0 до 360°, и по направлению диоптров располагается диаметр, соединяющий 0° и 180°; во втором по тому же направлению устанавливается диаметр, имеющий на обоих концах нули градусов, от которых идут в обе стороны деления до 90°. Вдоль линии направляются диоптры буссоли, и тогда концы стрелки указывают величину азимута или румба линии.
4) Для измерения углов между линиями в горизонтальной плоскости служат инструменты весьма разнообразных конструкций и размеров. Наиболее важным инструментом является теодолит. Измерение углов есть основное геодезическое действие как при определении опорных пунктов для съемки при помощи тригонометрической сети, так и при собственно съемочных работах. Теодолиты для тех и других работ устраиваются по одному и тому же плану, но отличаются размерами, устройством деталей, оптическою силою труб и т. п. конструктивными особенностями. Теодолиты для основных работ называются большими, для съемочных — малыми. Главные части теодолита (рис. 6) суть: 1) лимб, на котором нанесены деления и производится определение величины измеряющихся углов, 2) уровень для приведения лимба в горизонтальную плоскость, 3) вращающейся на оси в центре лимба алидадный круг с прикрепленною к нему на стойках зрительною трубою и с приборами для отсчитывания делений лимба. Эти последние приборы бывают двух типов: более простые — нониусы и более сложные и тонкие — микроскопы со шкалами или с микрометрами. Лимб соединен с подставкою, которая на трех винтах устанавливается на головке штатива и прикрепляется к нему накрепко винтом, носящим название станового винта. При измерении угла труба теодолита располагается сперва по направлению одной стороны (при чем отмечается отсчетом на лимбе по нониусу или микроскопу положение алидадного круга), потом по направлению другой стороны с новым отсчетом. Разность отсчетов дает величину угла.
Малые теодолиты разделяются на две главных системы: простые и повторительные. Существенное отличие первых от вторых состоит в том, что в простых теодолитах лимб и подставка отливаются из одного куска металла и, следовательно, когда подставка прикреплена к штативу, лимб является неподвижным; в повторительных теодолитах лимб сам вращается около оси, проходящей внутри подставки, и потому при подставке, скрепленной со штативом, лимб может вращаться, и закрепление его производится особым винтом. Это обстоятельство дает возможность измерять один и тот же угол несколько раз на новых местах лимба, этим достигаются контроль и улучшение измерений.
Второе существенное различие в конструкции малых теодолитов состоит в том, снабжен ли теодолит буссолью или нет; присоединение к теодолиту буссоли является весьма ценным на работах в России, так как все планы русских межеваний ориентировались по магнитной стрелке.
Наконец, третье существенное конструктивное отличие разных теодолитов состоит в устройстве вертикального круга для измерения углов наклонения линий; инструмент может вовсе не иметь такового, может быть снабжен сравнительно грубым сектором или вертикальным кругом (иногда с делениями, не полными, а лишь на части — секторе в 60°—90°); назначение этой части инструмента в таком случае — давать углы наклонения линий с точностью, достаточною для вычисления горизонтальных проложений измеренных линий; наконец, вертикальный круг может быть той же точности, что и горизонтальный, и предназначаться для определения углов наклонения в целях определения разности уровней; этого рода теодолиты называются тахеометрическими. Согласно с указанным, малые теодолиты распределяются на следующие типы: 1) теодолиты простые: а) без буссоли и вертикального круга, б) с буссолью, но без вертикального круга или наоборот, в) с буссолью и вертикальным кругом; 2) теодолиты повторительные с теми же подразделениями (на рисунке 6 — теодолит повторительный с буссолью и вертикальным кругом, употребляющийся на межевых работах в России).
Трубы малых теодолитов весьма часто снабжаются сеткою нитей, рассчитанной для определения по рейке расстояний; это приспособление в трубах называется дальномером. На лимбах делаются деления обыкновенно через полградуса, и по нониусам отсчеты производятся с точностью до 1′.
Теодолиты в настоящее время вытесняют прежние инструменты того же типа и назначения, которые называются астролябиями.
Это самый старинный геодезический инструмент, изображение и описание которого встречается в древнейших трактатах по практической геометрии. В XVIII веке астролябия приобретает уже тот внешний облик, который, с позднейшими улучшениями и усовершенствованиями, она имеет и в настоящее время. Сперва астролябии (рис. 7) снабжались диоптрами, из которых два привинчиваются к лимбу и называются неподвижными, а два ставятся на алидаду, вращающуюся в центре лимба, к которой прикреплена также буссоль. При измерении угла нужно направить неподвижные диоптры по одной его стороне, подвижные по другой, и угол между плоскостями, определяемыми этими двумя парами диоптров, выражается отсчетом по лимбу. Астролябия с диоптрами скрепляется со штативом при помощи соединительной баксы, весьма грубого приспособления, дающего возможность, однако, устанавливать лимб в горизонтальном положении. Астролябия с диоптрами описанного типа была тем инструментом, которым сделаны были с шестидесятых годов XVIII века до половины следующего крупнейшие работы по разграничению поземельной собственности в России, именно, генеральное межевание. Постепенно астролябии с диоптрами стали заменяться усовершенствованным инструментом — астролябией с трубою, сперва также на баксе, потом с подставкою на трех винтах, устанавливающеюся на штативе. Отсюда был уже только один шаг до теодолита.
Наконец, весьма распространенным и до сего времени является сравнительно грубый угломерный инструмент, называющийся пантометром или гониометром (рис. 8).
Этот инструмент состоит из двух полых цилиндров, диаметром от 3 до 4 дюймов, стоящих один на другом, при чем по верхней окружности нижнего цилиндра намечены деления лимба, а на соприкасающейся с ним окружности верхнего — нониусы для отсчетов. Нижний цилиндр скреплен с подставкою, а верхний, вращающийся, несет на себе трубу или же имеет прорезы диоптров; к нему же прикрепляется буссоль.
Для измерения углов треугольников тригонометрической сети употребляются более совершенные угломерные инструменты: большие теодолиты, чаще всего повторительные, и универсальные инструменты (рис. 9), имеющие, кроме горизонтального лимба, той же точности лимб вертикальный. Эти инструменты имеют те же составные части, что и малые теодолиты, но изготовляются еще более тщательно, имеют большую плавность и равномерность движений различных частей. Точность, с которой измеряются углы этими инструментами, значительно выше той, которая достигается малыми теодолитами. Для этой цели в больших теодолитах и универсальных инструментах их лимбы подразделяются на более мелкие деления, наприм., через 10′ или чаще, и в них устраиваются более тонкие приборы для отсчитывания, при помощи которых отсчеты производятся с точностью до 10″ и меньше.
5) Инструменты для графического построения углов называются мензулами и служат для непосредственного изображения в поле плана снимаемой местности.
Всякая мензула (рис. 10) состоит из трех частей: а) доски, на которую наклеивается бумага для получения графического изображения контуров, б) штатива, которым инструмент ставится на землю, и в) подставки, которая служит для соединения доски со штативом. Мензулы различных систем различаются между собою именно устройством подставки.
Мензула, как и астролябия, так же весьма старинный инструмент; им уже пользовались в XVIII веке, и самое устройство мензулы того времени близко к простейшим из современных типов. Мензульная доска, или планшет, имеет форму квадрата со стороной около 20 дюймов. При съемке доска должна устанавливаться в горизонтальном положении, для чего подставку снабжают подъемными винтами, а на доску ставят уровень.
Необходимым для каждой мензулы вспомогательным прибором являются алидада или кипрегель. Алидадою (на рис. 10) называется медная линейка со скошенными ребрами и находящимися на концах диоптрами; длиною она почти равна стороне мензульной доски. Алидада приставляется на мензуле к той точке на доске, которая соответствует пункту стояния с мензулой, и направляется на те пункты, между которыми на мензуле должны быть изображены углы; по краю линейки при этом прочерчиваются стороны углов. Вместо диоптров утверждают на линейке на особой колонке зрительную трубу и получают кипрегель (рис. 11). Трубу последнего снабжают дальномером для определения расстояний и вертикальным кругом для измерения углов наклонений; такой тахеометрический кипрегель служит для совместной горизонтальной и вертикальной съемки на мензуле. Мелкими и второстепенными принадлежностями при мензульной съемке являются буссоль для ориентирования края доски по меридиану и вилка для точной установки мензулы определенною на планшете точкою под пунктом местности (оба эти предмета видны на рис. 10).
6) Непосредственное измерение разностей высот различных точек земной поверхности производится при помощи нивеллира и реек.
Принцип устройства нивеллира заключается в следующем: к подставке (рис. 12), устанавливающейся на штативе, прикрепляется зрительная труба так, чтобы ось ее легко было приводить по данному направлению в горизонтальное положение; с трубою или с подставкою (как на рис. 12) скрепляется уровень, ось которого должна быть параллельна оси трубы. На точках, разность уровней коих определяется, ставятся рейки (рис. 13) — тонкие бруски, вышиною от 1 до 2 сажен с делениями на них через каждую сотку сажени (а иногда через две тысячных). Нивеллир устанавливают между рейками, направляют трубу поочередно на ту и другую рейку и считают числа делений от низа реек до горизонтального луча зрения нивеллира; разность этих чисел (взглядов) дает разность высот нивеллируемых точек. Последовательным приложением этого приема нивеллируются какие угодно длинные линии. Нивеллирование производится также при помощи тахеометрического теодолита или кипрегеля, при чем определяются: при помощи дальномера длина линии от инструмента до какой-либо точки местности и измеряется угол наклонения этой линии, отсюда легко вычислить разность уровней. В последнее время начинают входить в употребление такие инструменты, в которых отсчет угла наклонения линии заменяется прямо отсчетом разности уровней; для этого к инструменту приспосабливается соответственная система счетных линеек (В′, СС′). Такие теодолиты, в которых измерения углов наклонения заменяются определением разности уровней, дают возможность, следовательно, вести весьма быстро подробную съемку, как горизонтальную, так и вертикальную, с определением углов между линиями, длин линий и превышений одних точек местности над другими. Эти инструменты называются автоматическими тахеометрами. Вид одного из них, тахеометра Вагнер-Феннеля, изображен на рис. 14.
Третий способ нивеллирования основан на том обстоятельстве, что давление воздуха изменяется при поднятии над поверхностью земли; вследствие этого о разности уровней точек земной поверхности можно судить по разности отсчетов барометра при одном и том же состоянии атмосферы. Таким образом барометр является геодезическим инструментом, и в частности пружинные барометры, или анероиды, благодаря своим малым размерам и удобству переноски, являются весьма простыми и удобными нивеллирными инструментами; некоторые анероиды устраиваются таким образом, что на их шкалах отсчитывают не давления воздуха в дюймах или миллиметрах, а прямо высоты точек над уровнем моря в саженях или метрах.
Построение планов производится при помощи разных чертежных инструментов, из которых следует упомянуть: линейку, треугольник, циркуль, транспортир для построения углов с масштабом. Весьма разнообразный класс инструментов составляют планиметры, которые служат для определения площадей по планам. Из них особенно распространен полярный планиметр Амслера, усовершенствованный Коради (рис. 15). Для перерисовки планов с изменением их масштаба, именно для уменьшения планов, пользуются пантографами.
Производство геодезических инструментов — отрасль промышленности для нашего отечества еще новая, но у наших соседей за границей насчитывается немало фабрик, переживших в своей деятельности столетие, и там эта отрасль точного механического дела достигла высокой степени совершенства. В особенности в Германии повсюду рассеяны большие и малые мастерские, из которых иные имеют всемирную известность. Из современных русских фабрик геодезических иструментов следует отметить: в Петербурге — механическую мастерскую военнотопографического отдела главного штаба, в Варшаве — Г. Герлях, в Москве — Швабе, Таубер, Цветков и Ко, Трындина и Громова.