Oktant

Ein oktant.

Foto: «Stahlkocher»

Ein oktant (av lat. octans, ‘⅛ av ein sirkel’) eller ein reflekterande kvadrant er eit geometrisk måleinstrument som først og fremst vert bruka i navigasjon. Namnet oktant kjem av at sjølve bogen på måleinstrumentet utgjer ein åttedels sirkel, og namnet reflekterande kvadrant viser til instrumentet brukar spegel for å doble den observerte vinkelen til ein fjerdedels sirkel. Andre namn som har vore bruka i mindre grad inkluderer astroskop og sjøkvadrant. Oktantane kom i bruk som navigasjonsinstrument i 1730-åra og tok etterkvart over den rolla som kvadranten, og i mindre grad òg framleis jakobsstaven, hadde hatt tidlegare. Etter at måling av månevinklar kom i vanleg bruk kring 1760-åra, kom oktanten etterkvart til å tape terreng for sekstanten, ettersom sekstantar kan måle vinklar på opp til 120 °, det vil seie 30 ° meir enn oktantar kan. I og med at oktantane var mykje billigare å framstille, fortsette likevel mange fiskefartøy og handelsfartøy å bruke oktantar til langt inn på 1800-talet.

Opphav

1660: Det første reflekterande instrumentet

I 1660 fann den nederlandske Joost van Breen opp den reflekterande jakobsstaven. Han kalla oppfinninga de spiegelboog, og den reflekterande jakobsstaven hans ser ut til å ha vore i bruk fram til midten av 1700-talet, og da særleg i Zeeland-avdelinga av Det nederlandske Ostindia-kompaniet.

1666: Robert Hooke sin reflekterande kvadrant

Robert Hooke skreiv første gong om reflekterande kvadrantar som teoretisk konsept så tidleg som i 1666, og nokre år seinare, truleg i 1684, viste han fram ein prototype på den reflekterande kvadranten sin for the Royal Society i London. Hook sin kvadrant var eit enkeltreflekterande instrument. Denne reflekterande kvadranten kom, som Isaac Newton sin, ikkje til å spele noka praktisk rolle i navigasjonshistoria.

1699: Isaac Newton sin reflekterande kvadrant

Teikning av Newton sin reflekterande kvadrant. Frå Memoirs of the Life, Writings, and Discoveries of Sir Isaac Newton av David Brewster, 1855.
A-B - teleskopsikte
C-D - indeksarm
G - horisontspegl
H - indeksspegl
P-Q - gradert boge

Isaac Newton sin reflekterande kvadrant vart oppfunnen kring 1699. Ei detaljert skildring av måleinstrumentet vart gjeven åt Edmond Halley, og skildringa vart ikkje utgjeven før etter at Halley døydde i 1742. Det er ikkje kjent kvifor Halley ikkje publiserte informasjonen medan han levde, men i praksis tyder det at Newton ikkje fekk æra for denne oppfinninga – i staden vert Hadley og Godfrey hugsa som oppfinnarane av den reflekterande kvadranten.

Eit eksemplar av Isaac Newton si oppfinning vart bygd av Thomas Heath (1719-1773) og kan ha vorte framvist i Heath sitt butikkvindauge føre det oppfinninga vart gjort kjent av The Royal Society i 1742.

Newton sitt instrument bruka to speglar, men dei var oppsette på ein noko annan måte enn det som er vanleg i nyare oktantar og sekstantar. Diagrammet til høgre viser korleis instrumentet var oppsett.

Den 45° bogen på instrument (P-Q) var gradert med 90 hovudpunkt som kvar var ½ grad. Kvart slikt hovudpunkt var underdelt i 60 delar, og kvar av desse delane att underdelt i seks. Resultatet var at bogen var inndelt i gradar, minutt og ⅙-minutt (10 bogesekund). Dermed kunne instrumentet verte bruka til å interpolere målingar ned til fem bogesekund. Denne presisjonen var berre mogleg på grunn av størrelsen på instrumentet; teleskopsiktet åleine var kring ein meter langt.

Lengda på teleskopsiktet kan sjå overdriven ut når ein samanliknar med dei småe teleskopsikta på moderne instrument. Truleg var dete Newton sin måte å redusere den kromatiske aberrasjonen på. Føre akromatiske linser vart oppfunne, hadde teleskop med kort fokallengd så mykje kromatisk aberrasjon at det kunne gje feilobservasjon av stjerneposisjonar. Lange fokallengder var løysinga, og dette teleskopet hadde truleg lang fokallengd både på objektivlinsa og på augestykket. Dette ville redusere aberrasjonane utan for stor forstørring.

1730-åra: Oktanten

To menn fann opp oktanten uavhengig av kvarandre kring 1730 eller 1731: John Hadley (1682–1744), ein engelsk matematikar og Thomas Godfrey (1704-1749), ein glasmakar frå Philadelphia i Pennsylvania. Sjølv om begge desse i like stor grad kunne hevde å vere oppfinnaren, vert Hadley generelt rekna som hovudoppfinnaren. Dette viser den sterke rolla London og The Royal Society inntok i utviklinga av vitskaplege instrument på 1700-talet. Dei som ikkje høyrte til dei sosiale sirklane kring London og The Royal Society fekk generelt ikkje den historiske oppmerksamheita dei fortente.

To andre personar konstruerte òg oktantar i denne perioden: Caleb Smith, ein engelsk forsikringsmeklar og hobbyastronom, konstruerte det han kalla eit astroskop eller ein sjøkvadrant i 1734 – sjå nedanfor. Konstruksjonen hans inkluderte eit fast prisme som reflekterande element saman med speglar. Konstruksjonen elles hadde ein del svakheiter samanlikna med Hadley sin oktant, og Smith sitt astroskop vart derfor relativt lite bruka.

Jean-Paul Fouchy, ein matematikkprofessor og astronom in Frankrike, fann opp ein oktant i 1732. Utforminga var i det store og heile den same som Hadley si. På grunn av lite kontakt mellom instrumentmakarane i England og Frankrike på den tida, så vel som på grunn av at utgjevingane frå The Royal Society ikkje vart distribuerte i Frankrike, kjente ikkje Fouchy til Hadley si oppfinning. Fouchy sin oktant vart overskygga av den Hadley hadde funne opp.

Godfrey sin reflekterande kvadrant

Teikning av ein Godfrey-oktant. Han er ganske lik Hadley-instrumentet (sjå nedanfor). Ramma består av ein enkelt radialkomponent med ein boge i ein ende.

Thomas Godfrey sin reflekterande kvadrant vert vist på teikninga til høgre. Ho består av ei enkel ramme med ei radialarm (B-C) og ein boge på 45° gradert til 90°. Indeksarmen (A-D) har ein indeksspegel i ein ende (A) og ein enkel visar på den graderte skalaen. Ingen nonieskala vart bruka. Radialarmen held eit teleskopsikte ved bogeenden (C). Den urørlege horisontspegelen (B) dekkjer berre halve synsfeltet på teleskopsiktet, slik at brukaren kan sjå horisonten dierkte. Den andre helvta av synsfeltet ser det reflekterte bildet av den rørlege indeksspegelen.

Bruken av instrumentet var den same som skildra for Hadley sin reflekterande kvadrant.

Dette instrumentet vart overskygga av Hadley-kvadranten og vart ikkje mykje bruka.

Hadley sine versjonar

Hadley laga to ulike utgåver av den reflekterande kvadranten. Berre den andre av dei, som er oktanten vi kjenner i dag, er velkjent.

Hadley sin reflekterande kvadrant. Dette instrumentet samsvarar i hovudtrekk med forma på Isaac Newton sin reflekterande kvadrant frå kring 1699.

Hadley sin reflekterande kvadrant

Den første reflekterande kvadranten Hadley fann opp var eit enkelt instrument med ei ramme som spente over ein 45° boge. På bildet til venstre, som er henta frå Hadley sin artikkel i the Philosophical Transactions of the Royal Society,, ser vi grunnstrukturen: Eit lite teleskopsikte var montert på ramma langs eine sida. Ein stor indeksspegel var montert på rotasjonspunktet av indeksarmen. Ein andre, mindre horisontspegel var montert på ramma i synslina til teleskopet. Horisontspegelen lét brukaren sjå bildet av indeksspegelen i eine helvta av synsfeltet og eit fjernt objekt i den andre helvta. Ein skygge var montert på spissen av instrumentet slik at brukaren kan observere lysterke objekt. Denne skyggen kan dreiast unna når brukaren skal observere lyssvake objekt som stjerner.

Når navigatøren ser gjennom teleskopet, kan ein sjå eit objekt rett fram. Det andre objektet kan sjåast ved refleksjon i horisontspegelen. Lyset i horisontspegelen vert reflektert frå indeksspegelen. Ved å flytte indeksarmen, kan indeksspegelen bringe til syne kva objekt som helst som finst opp til 90 ° frå den direkte synslina. Når begge objekta visest saman, kan navigatøren justere dei til å vere akkurat på line. Ein kan da lesa av vinkelavstanden mellom dei.

Svært få av dei opphavlege reflekterande kvadrant-planene vart nokon gong produserte. Eitt eksemplar, konstruert av Baradelle, finst i samlinga til Musée de la Marine i Paris.

Hadley sin oktant. Dette er den forma som er kjent for dei som har sett seinare oktantar så vel som sekstantar.

Hadley-oktanten

Den andre utgåva av Hadley sin reflekterande kvadrant, Hadley-oktanten, har i alle hovudtrekk den forma oktanten kom til å få opp mot nyare tid. Bildet til høgre, som òg er teke frå Royal Society-publikasjonen hans, viser detaljane.

Han plasserte ein indeksspegel på indeksarmen. Det finst to horisontspeglar; den øvre spegelen, i line frå teleskopsiktet, er lite nok til at ein kan sjå rett fram samtidig som ein kan sjå det reflekterte bildet frå indeksspegelen. Som på det førre instrumentet er speglane oppsette slik at navigatøren kan sjå både eit objekt rett fram og eit reflektert i indeksspegelen til horisontspegelen og deretter inni teleskopsiktet. Ved å røre på indeksarmen kan navigatøren stille inn siktet til kva objekt som helst som finst innanfor 90 ° av det direkte siktefokuset.

Dei avgjerande skilnadene med denne utgåva var at speglane tillét instrumentet å verte halde vertikalt heller enn horisontalt og at det var meir rom for å stille inn kvar spegel utan å skiple nabospeglane.

Den andre horisontspegelen var ei interessant nyvinning. Teleskopsiktet er mogleg å ta av og sette på att så teleskopet viser den andre horisontspegelen frå den motsette sida av ramma. Ved å montere dei to horisontspeglane i rett vinkel til kvarandre og å la teleskopsiktet verte snudd, kan navigatøren måle vinklar frå 0 ° til 90 ° med éin horisontspegel og frå 90 ° til 180 ° med den andre, noko som gjorde denne utgåva av oktanten svært allsidig. Av ukjente grunnar vart ikkje denne funksjonen inkludert på oktantane som vart produserte for allmenn bruk.

Når vi samanliknar Hadley sin prototype med fotografiet av ein typisk oktant øvst i denne artikkelen, ser vi at dei einaste vesentlege skilnadene i utforminga av dei meir moderne oktantane er:

• Plasseringa av horisontspegelen og teleskopsiktet eller holsiktet er lågare.
• Den indre avstivinga av ramma er meir sentralt plassert og robust.
• Posisjonen åt skyggane for indeksspegelen er i banen mellom indeks- og horisontspeglane heller enn på toppen av instrumentet.
• Fleire skyggar er bruka for ulike lysnivå.
• Separate skyggar finst ved horisontspegelen for å peile ein låg solposisjon mot ein lyssterk horisont.
• Den andre horisontspegelen med den tilhøyrande alidaden er ikkje inkludert.

Smith sitt astroskop

Teikning av astroskopet eller sjøkvadranten til Smith.

Den engelske forsikringsagenten og hobbyastronomen Caleb Smith konstruerte ein oktant i 1734. Han kalla han eit astroskop eller ein sjøkvadrant. Han bruka eit urørleg prisme i tillegg til ein indeksspegel for å gje reflektive element. Prisme hadde fordelar framfor speglar på ei tid da polerte speculummetall-speglar gav dårleg spegleffekt og både forsølvinga av speglar og produksjonen av glas med flate, parallelle yter var vanskeleg.

I teikninga til høgre kan horisontelementet (B) vera ein spegel eller eit prisme. På indeksarmen roterte indeksspegelen (A) med armen. Eit teleskopsikte var montert på ramma (C). Indeksen bruka ikkje ein vernier eller noko anna tilsvarande hjelpemiddel på skalaen (D). Smith kalla indeksarmen på instrumentet ein label (merke), på same vis som Elton gjorde på kvadranten sin.

Ymse trekk i utforminga av astroskopet gjorde at det var mindre brukande enn Hadley sin oktant, og han vart derfor òg lite bruka. Eitt av problema med astroskopet var peileretninga. Navigatøren laut sjå ned i instrumentet, noko som gjorde peilinga mykje mindre intuitiv enn ho var når ein kunne sjå rett fram, slik som ved Hadley-oktanten.

Fordelar ved oktanten

Baksida av ein oktant. Denne sida vert sjeldan vist på bilde. Til høgre ser vi tommelskruen som ein justerer horisontspegelen med. Ved toppen ser vi ein av føtene som oktanten kviler på i kassen rett oppunder indeksarm-aksen. Til venstre ser vi notefeltet. Dette litle, rektangulære stykket av elfenbein, som knapt er større enn ein tommelnegl, vert bruka av navigatøren til å notere måleresultata sine på.

Oktanten hadde fleire fordelar samanlikna med dei tidlegare navigasjonsinstrumenta:

• Peilingane var lett å samordne, sidan horisonten og stjerna såg ut som dei rørte seg i lag når skipet slingra (rulla om lengdeaksen) og stampa. Dette førte òg med seg at observasjonsfeilmarginen var mindre avhengig av observatøren, ettersom begge objekta var synlege samtidig.
• Med tilverkingsteknikkane som var tilgjengelege på 1700-talet, gjorde instrumenta det mogleg å få svært presise måleresultat, sjølv om instrumenta hadde vesentleg mindre dimensjonar enn det som hadde vore vanleg til da. Ein oktant kunne vera halvparten så stor som ein daviskvadrant men likevel gje like presise resultat.
• Ved å bruke skyggar over lysbanane, kunne ein observere sola direkte; ved å svinge dei unna kunne ein peile etter svake stjerner. Dette gjorde at same instrumentet var brukande både natt og dag.

Kring 1780 hadde oktanten og den enda nyare sekstanten teke mesta heilt over for alle tidlegare instrumenttypar.

Oktantproduksjon

Tidlege oktantar var i all hovudsak bygde av tre, medan seinare versjonar har fleire delar av elfenbein og messing. Dei første speglane var av polert metall, sidan teknologien for å produsere forsølva glasspeglar med flate, parallelle yter var dårleg utvikla. Etter som glasspoleringsmetodane vart betre, begynte det å verte vanlegare med glasspeglar. Desse speglane bruka refleksjonslag av tinnamalgam med kvikksølv; refleksjonslag av sølv og aluminium fanst ikkje føre 1800-talet. Den dårlege optiske kvaliteten på dei tidlege polerte spekulummetall-speglane medførte at teleskopsikte ikkje var praktisk. Derfor var dei fleste tidlege oktantane utstyrte med eit enkelt holsikte i staden.

Detaljar av ein oktant. Bildet viser den graderte skalaen og enden av indeksarmen med nonieskalaen. Tommelskruen som vart bruka til å låse indeksarmposisjonen visast under indeksarmen, medan tommelskruen som vart bruka for finjustering armen visest til venstre. Til høgre for verdien 50 på hovudskalaen er SBR-logoen gravert. Skalaen er direktegradert i gradar og tredjedelsgradar (20'). Nonieskalaen kan underdele 20'-intervalla til nærmaste bogeminutt.

Tidlege oktantar beheldt nokre trekk frå kvadrantane, slik som transversalar på skalaen. Slik dei er viste på graveringar, ser dei ut til å ha hatt ein presisjon på berre to bogeminutt, medan kvadranten ser ut til å ha hatt ein presisjon på eitt bogeminutt. Bruken av nonieskalaen lét skalaen lesast ned til ein presisjon på eitt bogeminutt, noko som gjorde oktanten lettare å marknadsføre. Dette, så vel som det at det var lettare å produsere nonieskalaer enn transversalskalaer, førte til at nonieskalaer vart vanleg på oktantar produserte seinare på 1700-talet.

Oktantane vart produserte i store mengder. Den låge prisen på oktantar i tre og elfenbein samanlikna med sekstantar i heilmessing gjorde at dei heldt seg svært populære. Forma var standardisert, og mange instrumentmakarar bruka identisk rammestil og identiske delar. Ulike verkstader kunne laga ulike komponentar; snikkarverkstader spesialiserte seg gjerne i rammeproduksjon, og andre verkstader laga messingdelane. Slik laga for eksempel Spencer, Browning and Rust, ein produsent av vitskaplege instrument i England i tida frå 1787 til 1840 (etter 1840 opererte dei under namnet Spencer, Browning and Co.), graderingsskalaer i elfenbein med hjelp av ei Ramsden-delemaskin. Desse graderingsskalaene vart bruka av mange andre instrumentmakarar, og SBR-initialane kan finnast att på oktantar frå mange andre produsentar.

Eit par eksempel på desse svært like oktantane finst på fotografia i denne artikkelen. Bildet heilt øvst viser eit instrument som i det store og heile er identisk med instumentet vist på detaljfotografia lenger ned. Likevel er dei frå to ulike instrumentmakarar; den øvste er merka “Crichton - London, Sold by J Berry Aberdeen”, medan detaljbilda er av eit instrument frå “Spencer, Browning & Co. London”. Den einaste openberre skilnaden er horisontskyggane som finst på Crichton-oktanten men ikkje på den andre.

Utsnitt av oktant som viser det tohola holsiktet. Vi ser òg det litle lokket som kan blokkere det eine eller andre av hola. Horisontspegelen er på motsett side av instrumentet. Venstresida er gjennomsiktig, medan tinnlegeringa på speglsida er fullstendig korrodert og ikkje lenger reflekterer lys. Baksida av indeksspeglhaldaren er på toppen, og dei tre runde glasskyggane i firkanta rammer er mellom dei to speglane.

Desse oktantane fanst med mange valmoglegheiter. Ein enkel oktant med gradering rett på treramma var billigast. Desse hadde ein- eller tohola holsikte heller enn teleskopsikte. Ein elfenbeinskala auka prisen på oktanten; det same gjorde ein messing-indeksarm eller ein nonieskala.

Nedgangstid for oktanten

I 1767 kom første utgåva av Nautical Almanac ut i Storbritannia. Inkludert der var tabellar over måneavstandar som gjorde det mogleg for navigatørar å finne det noverande klokkeslettet frå vinkelen mellom sola og månen. Denne vinkelen er nokre gonger større enn 90 °, og dermed umogleg å måle med ein vanleg oktant. Defor føreslo admiral John Campbell, som utførte praktiske eksperiment om bord på skip med måneavstandsmetoden eit større instrument, og sekstanten vart utvikla. Den første sekstanten vart bygd av astronomen John Bird i 1757.

Frå den tida av var det først og fremst sekstanten som vart vidareutvikla og gjort betre, og sekstanten var òg det føretrekte instrumentet i skipsfarten. Oktanten vart framleis produsert fram til vel innpå 1800-talet som eit mindre presist, men òg billigare, navigasjonsinstrument. Den lågare prisen på oktanten, inkludert versjonar utan teleskopsikte, gjorde han til eit praktisk val for skip i handelsflåten og fiskeflåten.

Ein vanleg praksis blant navigatørar heilt fram til seint på 1800-talet var å bruke både ein sekstant og ein oktant. Sekstanten vart bruka svært forsiktig, og gjerne berre for måneavstandar, medan oktanten vart bruka for rutineobservasjonar av sola for meridionale høgdemålingar (breiddegradsmålingar) kvar dag. Dette avlasta og verna den svært presise og mykje dyrare sekstanten, medan den billigare oktanten vart bruka i daglege samanhengar der han verkar godt.

Bruk og justering

Bruk og justering av oktanten er i alle hovudtrekk identisk med sekstanten – sjå der for meir informasjon.

Anna

Stjernebildet Oktanten kring sørpolen av himmelkvelvinga er oppkalla etter måleinstrumentet oktant.

Kjelder

• Denne artikkelen bygger på «Octant (instrument)» frå Wikipedia på engelsk, og «Reflecting instrument» frå Wikipedia på engelsk den 14. desember 2007.

Bakgrunnsstoff

Commons har multimedium som gjeld: Oktant