В Средние века сложные измерительные приборы делали штучно. В то время они были редкостью и стоили баснословно дорого. Далеко не каждый учёный мог позволить себе приобрести нужное оборудование, и часто талантливому теоретику необходимо было стать одновременно и талантливым механиком. Однако придворные учёные, которым покровительствовали владыки, могли по имеющимся чертежам заказать мастеру всё нужное. Они не скупились на издержки, поэтому мастер не жалел времени и материала на богатую отделку.
Поэтому приборы Средневековья и последовавшего за ним Нового времени чаще всего представляют собой произведения механического искусства. Красота линий, совершенная отделка и аура исследований, изменивших наш мир, не даёт приборам давно минувших дней стать исключительно музейными экспонатами. Существуют богатые частные коллекции, где собраны всевозможные оптические и механические приборы. И среди них в большинстве случаев окажется старинный теодолит.
История появления теодолита
Теодолит собрал в себе несколько измерительных приборов, известных с древнейших времён. Например, одним из них можно считать гномон, позволявший по длине его полуденной тени определить угловую высоту Солнца. Это свойство применили при конструировании солнечных часов. Одни исследователи приписывают его изобретение Анаксимандру Милетскому из Древней Греции, проявившему себя как в философии, так и в астрономии. Другие считают, что этот прибор впервые появился в Вавилоне. Астролябия, название которой взято от древнегреческого слова «ἁστρολάβον» («берущий звёзды»), использует принцип стереографической проекции, когда окружности на сфере переводят в окружности на плоскости. Этот старинный инструмент чаще всего использовали для построения карт звёздного неба. Моряки в плавании для навигации применяли квадрант, быстро переродившийся в секстант. Впрочем, последний тоже был пригоден для небесных вычислений. Им пользовался Ян Гевелий, и он же увековечил этот прибор в качестве созвездия.
Предшественники теодолита могли с достаточно высокой точностью определять либо горизонтальные, либо вертикальные углы. Оставалось чьей-то светлой голове собрать эти возможности воедино. Считается, что первый такой прибор описан ещё в приложении к несанкционированному страсбургскому изданию 1512 года книги «Margarita Philosophica». Примерно в это же время подобный инструмент собрал Мартин Вальдземюллер, занимавшийся топографией и рисовкой карт (статью о его карте мира мы уже публиковали). Однако этому прибору, который был назван изобретателем «polimetrum», было ещё далеко до конструкции современного теодолита. Это пока всё та же астролябия, обладавшая вертикальным кругом и способная измерять углы и по горизонтали, и по вертикали. В 1576 году немецкий часовщик Эразм Габермель (Erasmus Habermehl), работавший в Праге, создал схожее устройство, названное им «универсальный инструмент», в состав которого входили тренога и компас.
Термин «theodelitus» впервые встречается в учебнике по геодезии «Геометрическая практика под названием Пантометрия», написанном Леонардом Диггесом и изданном в 1671 году его сыном Томасом. Точную этимологию слова проследить сложно. Считается, что первая часть латинизированной формы «theo-delitus» происходит от греческого «θεᾶσθαι» («созерцать» или «внимательно рассматривать»). Относительно второй части есть несколько версий, сводящихся к искажённым греческим словам «ясно» или «длинный» (в значении «далекосмотрящий»). Со временем латинское «theodelitus» превратилось в англизированное «theodolit».
Прибор, использующий принцип работы современного теодолита, появился в 1725 году, когда Джонатан Сиссон заменил простую алидаду грубой наводки (вращающаяся часть для измерения углов) зрительной трубой. Но первый аналог теодолита, ставший стандартом на многие десятилетия и даже века, сконструировал в середине 1780-х гг. Джесси Рамсден. Британское геодезическое общество решило начать высокоточную геодезическую съемку и заказало Рамсдену инструменты для неё. Так появился комплект из пяти теодолитов, получивших прозвище «great theodolites», где слово «великие» относилось и к размеру приборов, и к точности их измерений (три успел собрать сам Рамсден, а оставшуюся пару доделали по чертежам после его смерти).
Считается, что прообраз теодолита в Россию впервые привезли из Франции при Петре Великом. Голландец Франц Тиммерман втолковывал шестнадцатилетнему царю, как производить измерения теодолитом и астролябией. Уяснив полезность прибора, Пётр I пожелал, чтобы такие инструменты могли делать и россияне. В XVIII веке к решению этой проблемы привлекали множество учёных и мастеров, включая Ломоносова и Кулибина. Тем не менее, основная масса теодолитов всё равно доставлялась из-за рубежа. Свои теодолиты пробовали делать в мастерских Пулковской обсерватории, когда ей заведовал Василий Яковлевич Струве.
Наиболее масштабное геодезическое измерение, проведённое под руководством Василия Яковлевича, получило имя в его честь – дуга Струве. Это цепь из 265 триангуляционных пунктов, протянувшаяся чуть ли не на три тысячи километров от Норвегии до черноморского побережья. В честь Струве и его дуги разные страны мира чеканят коллекционные монеты. И если на серебряных российских 2 рублях внимание больше отдано астрономическим заслугам Василия Яковлевича, то на аверсе украинских пяти гривен нашлось место и теодолиту.
Расцвет конструирования и совершенствования теодолитов пришёлся на вторую половину XIX века и весь ХХ век. Производство отечественных теодолитов в промышленных масштабах началось в 1920-х гг. при советской власти на базе фабрики «Геодезия» (ранее фирма «М. Таубер, К. Цветков и К°»). Несмотря на то, что главным направлением применения теодолитов оставалась геодезия, прибор стали использовать и для решения других задач. Поэтому по назначению теодолиты группируют на промышленные, военные, учебные, астрономические, маркшейдерские и гиротеодолиты.
Развитие электроники позволило теодолиту эволюционировать в тахеометр, обладающий электронным дальномером и бортовым компьютером для фиксации собранных данных вкупе с автоматизированным выполнением триангуляционных расчетов. Сейчас на вооружении геодезистов появились электронные сканеры, которые ведут вычисления в соотношении с координатами, полученными от систем GPS и ГЛОНАСС. Теперь из прозвища «great theodolites» наверняка исчезло бы соотнесение с размером, но осталось бы с точностью, к которой добавилась бы производительность. Геодезический лазерный сканер способен работать с ошеломляющей производительностью, достигающей сотен тысяч и даже миллионов сканируемых точек в секунду.
Устройство теодолита
Наш обзор посвящён коллекционированию старинных теодолитов, поэтому сначала взглянем на конструкцию прибора, которым пользовались учёные прошлых веков.
Так как мы успели кратко познакомиться с эволюцией этого устройства, посмотрим, чем отличается от старинного теодолита его аналог, который до сих пор на практике применяют студенты-геодезисты.
Убедитесь, что центр визирной линии попадает на нужный объект, когда зрительная труба направлена на исследуемую область. Теперь при помощи шкалы, градуированной в угловых секундах, приступайте к измерению угла горизонтальной и вертикальной осей. Спроектируйте стороны измеряемого угла на плоскость лимба подвижной вертикальной плоскостью, затем произведите отсчёт по горизонтальному кругу.
При этом должны выполняться следующие геометрические условия:
- ось цилиндрического уровня при алидаде горизонтального круга перпендикулярна к оси вращения алидады;
- ось вращения алидады установлена отвесно (строго вертикально);
- визирная ось и ось вращения трубы перпендикулярны друг к другу;
- ось вращения алидады перпендикулярна оси вращения трубы;
- одна из нитей сетки расположена в коллимационной (вертикальной) плоскости.
Коллекционирование старинных теодолитов
Чтобы понять очарование теодолитов позапрошлого и начала прошлого веков, а также познакомиться с определёнными их типами, обратимся к музею ООО «ГСИ-Екатеринбург», в собрании которого находится более полутысячи этих проборов, включая редкие и ценные экземпляры.
Для того, чтобы увидеть эволюцию теодолита воочию, первым делом рассмотрим теодолиты с металлическими лимбами. В ранних конструкциях прибора вертикальный лимб отсутствовал. Посмотрим на первый французский повторительный теодолит. У теодолитов такого типа горизонтальный лимб может вращаться относительно основания. Показанный выше образец обладает редкой системой зажима и малого вращения горизонтального лимба. Его прилегающий круг сопряжён с горизонтальным кругом меньшего диаметра (его мы видим непосредственно у треноги). Нижнему кругу и треноге придана целая система зажимов в виде винтов.
Перейдём к простым теодолитам, у которых горизонтальный лимб жёстко скреплен со стойкой. Показанный выше образец имеет вертикальный измерительный сектор. Судя по головкам винта из красного бакелита, это экземпляр из последних партий, ведь изобретатель бакелита Лео Бакеланд сообщил о создании этого материала лишь в 1909 году (либо эти винты когда-то были позаимствованы от более позднего прибора).
С теодолита на иллюстрации выше и началось музейное собрании рассматриваемой в этом обзоре коллекции. Фирма-изготовитель работала при Константиновском межевом институте (г. Москва) с 1908 года. Это экземпляр с металлическими лимбами и буссолью. Он тоже принадлежит к типу повторительных. Такие теодолиты, появившись в начале 19-го столетия, сумели к его концу вытеснить теодолиты простого типа. Верньеры появились на приборах примерно в середине века, а к его окончанию присутствовали уже на обоих лимбах.
После революции на базе национализированной фирмы «М. Таубер, К. Цветков и К°» создали фабрику «Геодезия», которой заведовал Геокартпром. При этом один из основателей фирмы Константин Алексеевич Цветков остался в советской России, сохранив должность в учебном заведении, впоследствии реорганизованном в Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии. Показанная выше конструкция считается каноничной для теодолитов того периода: оба лимба закрыты защитными кожухами, имеется буссоль, уровень при вертикальном лимбе, точность горизонтального лимба – 30 секунд, вертикального – 1 минута.
А это пример горного теодолита с накладной буссолью. Это устройство унаследовало принцип работы от буссолей с угломером и трубой. Конструкцию такого прибора опубликовал в 1846 году П.А. Олышев, и оптические предприятия Европы сразу начали её реализовывать.
Иным путём отправились создатели оптических теодолитов, чей лимб прозрачен. Здесь измерения осуществляют на основе считывания в проходящем свете тончайших рисок, нанесенных на стекло. Теодолиты с металлическим лимбом работали с отражённым светом, и отказ от этого принципа значительно улучшил точность наблюдений. Приведённую выше версию характеризуют шкаловый микроскоп сбоку и пара поворотных зеркал снизу. Собственно, закат Третьего рейха уже трудно причислить к старинной эпохе, поэтому ограничимся единственным представителем оптического типа.
И напоследок вернёмся к классическим теодолитам. Но показанный выше образец язык не поворачивается отнести к теодолитам с металлическими лимбами. Перед нами демонстрационная модель, представляющая теодолит на деревянной основе. Тем не менее, все основные части этого измерительного устройства сразу опознаются.
Уже по нескольким экземплярам музейного собрания ясно, почему теодолиты столь притягательны для коллекционирования. Владелец коллекции теодолитов – это не просто коллекционер. Это ещё учёный. И свой человек в мире стимпанка, построенного в декорациях раннего капитализма и наполненного достижениями оптики и механики.
