Эволюция и геодезия: краткая история землемерных инструментов

6911
0

Приблизительно с тех самых пор как охота и собирательство вышли из моды, а человечество начало вести сельское хозяйство, стало прокладывать дороги и возводить города, перед людьми встала проблема распределения земли. Возможно, геодезия, название которой так и переводится, «разделение земли», появилась именно в эпоху неолитической революции.

Локти и жезлы

Чтобы распределить землю справедливо (или не очень), надо как-то ее измерить, определив точные расстояния, направления и углы между ними, а для измерений требуются мерные инструменты. Первым из них стало наше собственное тело: шаг и локоть, аршин (длина целой руки) и сажень (размах обеих рук), фут (размер стопы) и пядь (расстояние между кончиками разведенных большого и указательного пальцев) – все это меры длины, сколь древние, столь и неточные. Чей локоть мы возьмем за эталон и как быть, если с хозяином локтя что-то случится?

Выход был найден простой: изготовить палку – шест, посох – нужной длины. Упоминания о металлических мерных жезлах можно найти даже в Библии: «в руке того мужа трость измерения в шесть локтей, считая каждый локоть в локоть с ладонью», – сказано в Книге пророка Иезекииля.

Палки долговечнее людей, но для измерений земельных наделов недостаточно удобны и точны. Чтобы отмерить десятину (2400 кв. саженей), палку придется многажды перекладывать с места на место, отмеряя 120 саженей сперва в одну сторону, а затем, взяв прямой угол, – еще столько же в другую. Легко представить, какие ошибки при этом накопятся.

От шнуров к цепям

Другой древнейший геодезический инструмент можно увидеть на памятниках Египта эпохи фараонов: наместники здесь нередко изображаются с мерным шнуром – средством распределения земельных наделов, которое быстро стало одним из символов их власти. При точно зафиксированных узлах, разделяющих шнур в пропорции 5:4:3, он позволяет быстро построить и прямой угол, сложив треугольник с гипотенузой длиной 5 и катетами.

Но и мерный шнур – вещь не слишком надежная. Он подвержен износу, а при намокании и высыхании заметно меняет длину. Конечно, к изготовлению их подходили с особенной тщательностью: в «Истории развития геодезии» Георгия Тетерина упоминается описание этого технологического процесса, данное Героном Александрийским. Мерные шнуры закреплялись между двумя вбитыми в землю колами и длительное время выдерживались в растянутом виде, смачивались и высушивались.

По словам Герона, по точности такие шнуры практически не отличались от более надежных – но и более тяжелых и дорогих – мерных цепей. Использование таких инструментов продолжалось тысячелетиями: в коллекции Политехнического музея хранится землемерная цепь, изготовленная в России в XVIII – первой половине XIX века. А мерные шнуры, пусть и в измененном виде, дошли до нас до сих пор – как обычные строительные рулетки.

В погоне за углом

Мало-помалу геодезические инструменты совершенствовались, расширялись их возможности, повышалась точность и удобство. Появились угломеры и пантометры, кипрегели и астролябии – но все они в основе представляли собой усовершенствованные жезлы и шнуры. Возьмите мерный жезл и сделайте на нем отметки для измерения небольших расстояний, и вы получите линейку. Согните ее дугой – и у вас готов транспортир для измерения произвольных углов.

Замкните транспортир в окружность – и вы получите лимб, позволяющий измерять углы между двумя направлениями. Закрепите на нем пару небольших «жезлов»-стрелок – и приступайте к межеванию: вы получили еще один угломерный инструмент, использовавшийся не одно столетие, «римский крест», или эккер.

Для максимально точного наведения по концам креста размещались диоптры – прорези с тонкими нитями посередине. Сделайте одну линейку эккера подвижной, добавьте сюда транспортир для измерения ее поворота и магнитную стрелку компаса для ориентирования в пространстве – и готова астролябия.

Кстати, можно обойтись и без выступающих в стороны диоптров, превратив всю окружность в пару вставленных друг в друга цилиндров с прорезями. Глядя сквозь них, можно навести инструмент с не меньшей точностью – только называться он будет уже не астролябией, а гониометром.

В XIX веке применяли и «усеченные» версии этих инструментов, например, градуированную буссоль (или компас) с широко разнесенными диоптрами. Разнесенные диоптры увеличивали точность наведения на ориентиры, что повышало точность измерения горизонтальных углов и определения азимутов.

Явление трубы

Следующий «эволюционный скачок» совершился с появлением линз и оптической зрительной трубы. Направив ее в ночное небо, Галилей обнаружил четыре спутника Юпитера. Установив ее на стол и заглянув в каплю воды, Левенгук открыл целый микромир, прежде скрытый от глаз людей. Совместив со зрительной трубой гониометр, геодезисты получили пантометр – инструмент, который использовался вплоть до первой половины ХХ века.

Дополняли трубой и астролябию: такой прибор, оснащенный парой лимбов для измерения горизонтальных и вертикальных углов, прямой аналог всем известных теодолитов, которые до недавнего времени можно было увидеть на любой улице, где ведутся строительные работы.

Но, пожалуй, вершиной эволюции геодезических инструментов стали приборы, которые так и назывались – «универсалами». Они имели оптические трубы для точного наведения и компасы для ориентации на местности, точные вертикальный и горизонтальный лимбы, и могли измерять практически все. Казалось, добавить к ним уже нечего.

По счастью, человеческую изобретательность усмирить невозможно, и вскоре появились совершенно новые, опосредованные способы измерения углов и расстояний – по регистрации времени прохождения радиосигнала, светового, звукового или лазерного луча. Распространение компьютеров привело к окончательному вытеснению теодолитов и универсалов, несмотря на все совершенство их конструкции.

Современная геодезическая станция или электронный геодезический сканер – это уже скорее специализированные компьютеры с измерительными приборами и программным интерфейсом, с датчиками систем GPS и ГЛОНАСС. И если в каталогах прошлых лет наиболее важной технической характеристикой прибора являлась точность измерений, то сейчас класс сканеров определяет лишь его производительность – количество сканируемых точек за единицу времени, которое может достигать сотен тысяч точек в секунду. Ну а пантометры и теодолиты, цепи и астролябии навсегда обосновались в музейных коллекциях.