DE240889C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- ΛΙ 240889 — KLASSE 42c. GRUPPE

WILLARD FRENCH in WASHINGTON

Instrument zum Auflösen sphärischer Dreiecke.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 26. Mai 1910 ab.

Für diese Anmeldung ist bei der Prüfung gemäß dem Unionsvertrage vom

20. März 1883

die Priorität

14. Dezember 1900 auf Grund der Anmeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika vom 1. Juli 1909 anerkannt.

Die Erfindung hat zum Gegenstand eine Vorrichtung zum unmittelbaren und gleichzeitigen Lösen von zwei oder zeitweise drei sphärischen Dreiecken zum Auffinden einer Schiffslage beispielsweise mit Hilfe zweier Stern- oder Sonnenbeobachtungen, oder auch zum Lösen anderer Aufgaben, bei denen sphärische Dreiecke vorkommen. Von bekannten Vorrichtungen unterscheidet sich der Gegenstand der Erfindung insbesondere durch die Kombination eines geteilten Höhenkreises mit einem Azimutkreise, dessen Achse senkrecht zur Achse des Höhenkreises steht, einem Deklinationskreis, dessen Achse zu derjenigen des Azimutkreises senkrecht liegt und einem Rektaszensionskreis. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal bildet der ebenfalls geteilte Deklinationskreis, dessen Hälften je einen Nonius über den Äquator führen. Die vorteilhafte Anwendung des Gegenstandes der Erfindung wird am besten an Hand der nachfolgenden Beschreibung erklärt.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. ι eine schaubildliche Darstellung des gesamten Instrumentes,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Himmelsglobus zur Erklärung der Handhabung des Instrumentes. .

Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Instrumentes. Fig. 4 zeigt in Einzeldarstellung den Nonius.

an dem Rektaszensionskreise.

Fig. 5 ist eine Seitenansicht von Fig. 4,
Fig. 6 ein Teilschnitt nach der Linie 6-6 der

Fig· 3· Fig. 7 zeigt in Einzeldarstellung in Seitenansicht den oberen Nonius, in Fig. 3,

Fig. 8 eine Draufsicht auf den Horizont- und Höhenkreis.

Fig. 9 ist ein Schnitt in Seitenansicht der Kreise der Fig. 8.

Fig. 10 zeigt diese Kreise teilweise im Schnitt,' wobei der Höhenkreis indessen in Seitenansicht dargestellt ist.

Fig. 11 zeigt in Einzeldarstellung einen Nonius am Höhenkreis.

Fig. 12 ist ein Schnitt nach der Linie 12-12 der Fig. 11.

Fig. 13 und 14 sind Ansicht und Draufsicht eines Hilfsmeßgerätes zum Messen von Bögen.

Fig. 15 zeigt einen Schnitt nach Linie 15-15 der Fig. 14,

Fig. 16 in Draufsicht einen Teil des Deklinationskreises.

Fig. 17 und 18 veranschaulichen Einzelheiten eines Markierungsnonius am Deklinationskreis.

Fig. ig und 20 veranschaulichen die Anordnung eines Nonius zum Ablesen auf dem Höhen- und Deklinationskreis.

Zur Erklärung der grundlegenden Prinzipien dieser Vorrichtung dient Fig. 2, in welcher EQ den Himmeisäquator darstellt. HR ist der

Horizont, P der Nordpol, Z der Zenit. T ist die Erde im Mittelpunkt des Himmelsglobus, und M ist ein Himmelsgestirn, beispielsweise die Sonne. Wie den Astronomen und Seeleuten bekannt, ist die Deklination d eines Himmelsgestirns M gleich dem Abstande von dem Himmelsäquator EQ auf einem Meridian oder dem Deklinationskreis PMO gemessen und seine Höhe h gleich dem Abstande von dem Horizont HR

ίο auf einem senkrechten oder Höhenkreis ZMA. Ebenso ist es bekannt, daß der Abstand PH auf dem Kreise ZPH gemessen, der durch den Pol und den Zenit geht und der die Höhe L des Himmelspoles darstellt, gleich der Breite des Ortes ist, an welchem die Beobachtung gemacht wird.

Da die Bogen PO, ZA und ZH jeder gleich 90° ist, ist es klar, daß der Bogen PM = 90 ° — d ist, und daß der Bogen ZM = 90 ° — h und PZ = 90 ° — L ist. Mit anderen Worten, da die Höhe h gleich dem Winkel MTA durch Beobachtung gewonnen werden kann und da die Deklination d aus einem nautischen Kalender zu ersehen ist, wenn die Breite des Ortes bekannt ist, so sind die drei Seiten 90 ° — d, 90 ° — h und 90 ° — L in dem sphärischen Dreieck ZPM ebenfalls bekannt, und deshalb kann man die anderen Teile des Dreiecks durch Berechnung feststellen. Wird der Winkel MZP

z. B. so berechnet und ist das Gestirn M die Sonne, so erhält man die Ortszeit und von dieser die Länge des Beobachtungsortes, wenn man diese Zeit mit der von Greenwich vergleicht, wie dies bei den Seeleuten üblich und daher bekannt ist.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird nun ein Instrument benutzt mit verschiedenen Kreisen, die dem Himmelsäquator, dem Horizont, dem Meridian oder Deklinationskreis und dem senkrechten Höhenkreis des Himmelsgewölbes, entsprechen. Auf diesen Kreisen sind Zeiger vorgesehen, die die verschiedenen Größen anzeigen oder markieren, welche die Koordinaten eines Körpers bilden, also Höhe, Deklination, Breite usw., und die dann in Rechnung gesetzt werden. Diese Kreise des Instrumentes sind mit Bezug zueinander so drehbar gelagert, daß die markierte Stellung eines Gestirns oder zwei schneidende Kreise in Übereinstimmung gebracht werden können und daß daher die entsprechenden Zirkel genau das Himmelsdreieck, das man berechnen will, nachbilden. Wenn genannte Dreiecke auf diese Weise genau wiedergegeben sind, ist es klar, daß ihre verschiedenen Teile ohne irgendwelche Berech-. nung, wie weiter unten beschrieben wird, abgelesen werden können.

In Fig. ι entspricht der in Grade eingeteilte Kreis 1 dem Horizont oder Äzimutkreis HR.

Der Meridian- oder Deklinationskreis 2 entspricht dem Meridian PMO; das Ende 4 der zu dem Kreise 1 senkrechten Achse 3 entspricht dem Zenit Z. Kreis 5 steht senkrecht auf dem Kreise 2 und entspricht deshalb dem Äquator- oder Rektaszensionskreis EQ. Zur Vereinfachung der Konstruktion wird der Kreis 5, anstatt innerhalb des Azimut- und des Deklinationskreises wie der Äquator in ■ Fig. 2 außerhalb an der Seite dieses Kreises angeordnet (Fig.. 1). Denkt man sich diesen Kreis 5 seitwärts nach rechts in die Figur hineingeschoben, bis sein Zentrum mit demjenigen der Kreise 1 und 2 zusammenfällt, aber immer dabei in senkrechter Ebene zu diesem Kreise 2 liegend, so würde die relative Lage aller Kreise derjenigen in Fig. 2 entsprechen. Der Azimutkreis ι wird durch eine Achse 6 getragen, die in Lagern 7 ■ ruht, die ihrerseits durch einen Bügel 8 getragen werdender auf dem festen, sich von der Gestellplatte 10 erhebenden Fuß 9 angebracht ist. Diese Achse entspricht der Linie B-C in Fig. 2 und gestattet dem Horizont- oder Azimutkreis, in großen Bögen zu schwingen. In gleicher Weise ist der Meridian oder Deklinationskreis 2 bei 11 und 12 auf einer zur Achse 6 senkrechten Achse gelagert, die der Geraden PD in Fig. 2 entspricht. Die erwähnten zwei Achsen sind so in dem Instrument angeordnet, daß sie sich in dem gemeinsamen Mittelpunkt dieser Kreise schneiden, der der Lage der Erde oder des Punktes T in Fig. 2 entspricht. Die Überlegung ergibt, daß der Punkt 12 des Instrumentes dem Nordpol, der Punkt 11 dem Südpol und die Lagerzapfen 7 dem Ost- und Westpunkte im Horizont entsprechen. Diese vier Punkte sind mit Bezug auf die Grundfläche 10 festgelegt. Drehbar auf der Achse 3 und um dieselbe beweglich sind zwei Quadranten 15 und 16 als Halbkreise angeordnet und entsprechen dem senkrechten oder Höhenkreis ZMA in Fig. 2. Die Achse 3 entspricht also der Linie ZT und geht ebenfalls durch den gemeinsamen Mittelpunkt der Kreise und steht rechtwinklig zur Achse 6. Der Deklinationskreis 2 ist mit geeigneten Zeigern 17 und 18 nach Art eines Nonius versehen. Der senkrechte Kreis 15, 16 hat ähnliche Zeiger 19, und der Äquator 5 besitzt bewegliche Norden 20 und 21, die an dem Deklinationszirkel 2 festsitzen.

An Hand der Fig. 2 ist ersichtlich, daß, wenn der Deklinationskreis PMO um die Achse PD und der Höhenkreis ZMA um die Achse ZT geschwungen werden kann, während der Azimutkreis um die Achse BC schwingbar ist, jedes Dreieck irgendeinem gegebenen Bestimmungsstücke entsprechend gebildet werden kann, d. h. mit der eben angegebenen Beweglichkeit können die drei einzelnen Kreise so verstellt werden, daß der Schnittpunkt des Höhen- und Deklinationskreises an irgendeinen Punkt des

Himmelsgewölbes verlegt werden kann, und wenn dieser Schnittpunkt so eingestellt wird, ergeben die Kreise alle anderen Teile des sphärischen Dreiecks. Weiterhin zeigt Fig. 2, daß die Neigung des Deklinationskreises PMO zu dem ' Erhöhungskreis ZMA durch den Bogen PZ gemessen wird. Deshalb ist es klar, daß, wenn beispielsweise die Sonne beobachtet wird und die Höhe h gleich 30 ° 24' 31" ist, die richtige Deklination aus dem nautischen Kalender zu ersehen ist, die dann durch den zugehörigen Nonius 17 oder 18 auf dem Deklinationskreis eingestellt wird. Ebenso wird die Höhe auf dem Höhenkreis 15, 16 markiert, und zwar durch den zugehörigen Nonius 19. Man kann das Ende 4 der Achse 3 so neigen, daß sein Abstand vom Pol auf dem Deklinationskreis gleich dem Unterschied zwischen 90° und der Breite ist.

Endlich kann man ohne Verstellung der letzten Beziehung die Kreise 1 und 2 um ihre Achse drehen, bis jeder Nonius den Schnittpunkt der Kreise angibt, der den gegebenen Koordinaten entspricht.

Nach Ausführung dieser Verschiebungen ist es klar, daß das Dreieck ZPM der Fig. 2 auf dem Instrument wiederzugeben ist, und daß die Winkelzeit ZPM auf dem Äquator 5 abgelesen werden kann, da sie durch den Bogen OQ gemessen ist. Auf diese Weise erhält man zugleich die Ortszeit und die Länge des Platzes in bekannter Weise durch Vergleichen mit der Uhr und ohne die gebräuchlichen Berechnungen. Zur Ausführung der oben angegebenen Ver-Schiebungen und zur größeren Genauigkeit ist es wesentlich, daß das Instrument mit gewissen Feineinstellvorrichtungen versehen ist. Auch wenn zwei Sterne in Sicht oder Sonnenbilder gleichzeitig zu lösen sind, ist es nötig, den Deklinations- und ebenso den Höhenkreis zu teilen, die, wie· weiter unten beschrieben wird, in zwei Teilen aneinander gelenkt sind.

Vor allen Dingen ist es wünschenswert, daß der Kreis 15, 16 eine langsame Bewegung ausführen kann und mit einer Klammer oder Stellschraube versehen ist, um ihn in jeder gewünschten Lage festzustellen. Zu diesem Zweck sind die Schrauben 25 und 26 (Fig. 1 und 9) vorgesehen, die an ihren Enden mit Gewinde und Abschrägungen versehen sind, die gegen das Sektorstück 27, das mit der Achse 6 fest verbunden ist, anliegen. Wenn diese Schrauben lose sind, so kann der Höhenkreis frei von Hand in die annähernde Stellung gebracht werden, worauf er durch eine oder beide Schrauben eine genaue mikrometrische Einstellung erhalten kann, die gleichzeitig diesen Kreis feststellen. Weiterhin dienen die Stellschrauben 28 und die Halteschrauben 29 für eine langsame Bewegung und zum genauen Einstellen des Kreises 5 in irgendeiner gewünschten Stellung. Dieser Kreis ist mit einem Nonius versehen, und ist vorteilhaft auf einer Seite in Äquatorstunden und auf der anderen Seite in Längengrade geteilt.

Der Kreis 2 ist mit festen Armen 35 versehen (Fig. 3), die die Nonien 20 und 21 tragen, die über dem Kreis 5 laufen. Diese Nonien sind mit Stellschrauben 31 und 32 versehen (Fig. 3, 4 und 5), die an geeigneten Federn 33 und 34 angreifen. Halteschrauben 36 sind ebenfalls für diese Nonien vorgesehen.

Der Höhenkreis 15, 16 hat nicht nur einen gleitenden Nonius 19, sondern auch einen Nonius 19' (Fig. 8), welcher über den Azimutkreis 1 streicht. Stellschrauben besitzt der Nonius 19' ebenfalls, deren obere Enden bei 38 sichtbar sind (Fig. 8).

Zum Gewichtsausgleich für den Kreis 2 sind Gewichte 40 (Fig. 16) angeordnet, und als Gegengewicht am Kreise 1 besitzt der Sektor 27 ein Gewicht 41 (Fig. 10). Die Vorderfläche des Kreises 15¹ und 16 schneidet genau das Mittel seiner Gelenke, und die Fläche des Kreises 1 geht durch die Achse seiner Zapfen 6.

In Fig. 11 ist eine größere Anzeigevorrichtung 50 angegeben, die an dem Quadranten befestigt werden kann und über ihn hinausgeht, um an dem Höhenkreis negative Höhen oder Höhen unter dem Horizont zu messen. Diese Vorrichtung dient auch dazu, die Quadranten 15 und 16 zusammenzuhalten, wenn eine große Kreisbahn beschrieben wird. Er ist mit geeigneten Schrauben 51 zum Anklemmen versehen.

In Fig. 13 ist ein an die Kreise anzulegendes Hilfsgerät zum Messen von Bögen dargestellt, welches aus einem Schenkelpaar 52 und 53 besteht. Der Schenkel 53 ist mit einem Ring 54 versehen, über welchen ein Ringzapfen 55 des, Schenkels 52 anliegt, und in welchem die Falle 56 gelagert ist, die mit ihrem spitz zulaufenden Ende 57 in den Schlitz 58 des Ringes 54 einfällt. Es ist klar, daß, wenn die Falle angehoben ist, der Schenkel 52 um seinen Spurring gedreht werden kann, wenn aber die Falle eingreift, so sind die Teile gegen Drehung festgestellt.

Um den Kreis i und seine Markierungszeiger in dem Kreise 2 frei bewegen zu können, ist ein beträchtlicher Zwischenraum 60 (Fig. 8) zwisehen beiden Kreisen freigelassen, und um die Schnittpunkte des Deklinations- und Höhenkreises genau ablesen zu können, ist ein Glasnonius 65 (Fig. 19 und 20) angebracht, der flach gegen den Höhenkreis anliegt und über der Skala des Deklinationskreises liegt oder umgekehrt. Eine Klammer 66 hält die einzelnen Teile zusammen.

Während der Verschiebung sind die Klammern frei und die folgenden Bewegungen zwi-

sehen den einzelnen Teilen sind möglich. Der Höhenkreis kann in dem Azimutkreis schwingen. Seine senkrechte Achse 3 kann frei nach Norden und Süden in dem Meridian schwingen, und der Deklinationskreis kann frei nach Osten und Westen sich bewegen. Es ist deshalb klar, daß, nachdem die Koordinaten eines Himmelsgestirns festgelegt worden sind, wie oben beschrieben, auf den zugehörigen Kreisen die in Betracht, kommenden Nonien zusammen an den Schnittpunkt der zugehörigen Kreise gebracht werden und so das gewünschte sphärische Dreieck wiedergegeben wird. Aber da zwei Zeiger nicht denselben Platz zu gleicher Zeit ' einnehmen können, so kann man den tatsächlichen gesehenen Punkt nicht durch direktes Ablesen erhalten. Deshalb ist die Skala jedes Zeigers so angeordnet, daß, wenn zwei Zeiger sich berühren, entweder der gewünschte Schnittpunkt angezeigt ist oder aber dieser Punkt durch eine bekannte Korrektur zu erlangen ist. Um die Handhabung zu erleichtern, sind die Zeiger mit Eingriffsnuten 75 und Stiften 76 (Fig. 8 und 16) versehen, aber auch jede andere geeignete Vorrichtung mag benutzt werden.

Da die sphärischen Probleme, die durch dieses Instrument gelöst werden können, endlos sind, kann man sie nicht im einzelnen beschreiben. Aber es muß betont werden, daß eine Schiffslage mit seiner Hilfe schnell durch zwei Sternsichten in folgender Weise erlangt werden kann. Die Höhen h und hf der Sterne M und M' (Fig. 2) werden in gewöhnlicher Weise festgestellt, während ihre Deklination d und df und ihre Rektaszensionen aus einem nautischen Kalender ersehen werden. Diese Rektaszensionen ergeben in bekannter Weise auch die Längen der Sterne für die Beobachtungszeiten. Die Höhen h und hf werden an den beiden Quadranten 15 und 16 des Höhenkreises durch die Zeiger 19 eingestellt. Die Deklinationen werden an dem Deklinationskreise durch die Zeiger 17 und 18 eingestellt. Die Längen der Sterne werden auf dem Kreise 5 durch Nonius 20 und 21 erhalten. Die Koordinaten der beiden Gestirne werden natürlich nicht dieselben sein, und deshalb ist es nötig, wenn der Höhen- und Deklinationskreis zur Darstellung der zwei sphärischen Dreiecke in Fig. 2 benötigt werden, daß die Bogen ZM, ZM', PO und PO' (Fig. 2) verschiedene Ebenen einnehmen können. Um dies zu erreichen, ist der Deklinationskreis 2 des Instrumentes bei 11 und 12 aus zwei gelenkigen Teilen gebildet, wobei nur das Gelenk 11 dargestellt ist. Dies gestattet dem Nonius 21, unabhängig von dem Nonius 20 auf dem Kreise 5 zu laufen und deshalb die Rektaszensionen und die Längen unabhängig von dem Nonius 20 anzugeben. In gleicher Weise können die Quadranten 15 und 16 frei um die Achse 3 kreisen und unabhängige Höhen messen. Dank dieser Konstruktion ist es klar, daß das Instrument in oben beschriebener Weise leicht gleichzeitig die beiden Dreiecke PZM und PZM' in Fig. 2 darstellen kann. Wenn diese Dreiecke dargestellt sind, so erscheint die Länge der Schiffs- ' lage auf dem Nonius 30, der den Meridian angibt, und die Breite wird durch den Punkt 4 der Stange 3 dargestellt.

Soweit bekannt ist, ist bis jetzt ein ähnliches Instrument, welches gleichzeitig zwei sphärische Dreiecke löst und damit die Lage eines Schiffes mit Hilfe zweier Sterne auffindet, während die Breite unbekannt ist, noch nicht vorgeschlagen worden. Ebenso ist dieses Instrument geeignet, um mittels zweier Sonnenbeobachtungen eine Schiffslage zu finden, gleichzeitig die Lösung dreier Dreiecke umfassend, wobei die Breite nicht bekannt ist und das Schiff während der beiden Beobachtungen eine Strecke zurückgelegt hat.

Um dies zu erreichen, geht man wie oben beschrieben vor und erhält die Deklinationen und die Höhen- der Sonne für die Beobachtungszeiten aus dem nautischen Kalender, stellt diese auf dem Instrument ein, wie in dem Falle der Sternsichten. Ebenso setzt man die erwähnte Höhe h wie oben ein, aber im Falle der erst gemessenen Höhe hf wird das zum Bogenmessen dienende Meßgerät 52, 53 (Fig. 13) benützt, wobei seine Schenkel so eingestellt werden, daß sie einen Bogen 90 — h' einschließen. Weiterhin stellt man einen der Flügel 15 auf die zurückgelegte Strecke des Schiffes und stellt die Marke 19 auf denselben Flügel in einem Abstande vom Punkt 4 ein, der etwa dem zwischen den einzelnen Beobachtungen zurückgelegten, durch das Log angezeigten Weg entspricht. Dieser Zeiger gibt dann die Stellung des ersten Zenits Z' mit Bezug auf den zweiten Zenit Z an. .Nun kommt ein Schenkel des Meßgerätes in Eingriff mit der Marke, welche den ersten Zenit Z' darstellt, während man die andere Schenkelspitze mit der Marke zusammenbringt, welche die erste Stellung M' der Sonne angibt. Man bewegt dann den Flügel 16, der die Marke für die erstgemessene Höhe trägt, bis er mit der Marke der letzten Sonnenstellung M zusammenkommt. Hat man dieses getan, so erhält man die Länge des Schiffes für die Zeit der letzten Beobachtung unter dem Nonius 30, und die Breite wird durch die Neigung der Achse 3 dargestellt.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Instrument zum Auflösen sphärischer Dreiecke, gekennzeichnet durch die Kombination eines geteilten Höhenkreises (15,16), dessen zwei Hälften in an sich bekannter

   Weise um ihre Achse (3) schwingbar aneinandergelenkt sind, mit einem Azimutkreis (1), dessen Achse senkrecht zur Achse des Höhenkreises steht, einem Deklinationskreis (2), dessen Achse zu derjenigen des Azimutkreises senkrecht liegt, und einem Rektaszensionskreis (5).
2. 2. Instrument nach Anspruch 1, bei dem der Deklinationskreis (2) aus zwei Teilen besteht, die unabhängig voneinander um eine gemeinsame Achse schwingbar sind und mit Nonien (20, 21) versehen sind, die gleichzeitig über den Rektaszensionskreis (5) streichen.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.