Небесный Свод
Часть 3.
Астролябии и как ими астроляпить пользоваться.
Астролябия - самое красивое и загадочное устройство, которое иногда называют первым компьютером на земле.
Астролябия - произошло от греческих слов: άστρον - светило, звезда и λαμβάνω - беру.
Как понятно из названия, прибор связан с изучением небесных тел.
Астролябия - это инструмент, позволяющий рассчитать, на какой высоте относительно поверхности нашей планеты находятся звезды и Солнце. На основе полученных данных можно было определить местоположение того или иного земного объекта. В длительных путешествиях по суше и по морю астролябия помогала определять координаты и время.
Глядя на эти прекрасные вещицы, невольно задаешься вопросом - что это?
Украшения из золота и серебра, порой инкрустированные драгоценными камнями или приспособления для наблюдений, исследований, устройства для вычислений?
Немного истории официальной.
История развития астрономии, как и многих других наук, неразрывно связана с Древней Грецией. Здесь примерно за два столетия до начала нашей эры появился прообраз астролябии. Создателем его стал Гиппарх. Уже во втором веке после Рождества Христова описание схожего с астролябией угломерного прибора сделал Клавдий Птолемей. Он же соорудил инструмент, способный определять расположение звезд на небе.
Первые приборы несколько отличались от астролябий, какими их себе представляет современный человек и какие выставлены во многих музеях мира. Первым инструментом привычного строения считается изобретение греческого математика Теона Александрийского (якобы IV в. н. э.). В комментарии к «Альмагесту» именно он предложил объяснение предварения равноденствий.
Арабы усовершенствовали прибор, стали применять его не только для определения местоположения звезд и ориентации на местности, но и как измеритель времени, инструмент для некоторых математических вычислений, источник астрологических предсказаний. Известно немало сочинений средневековых исламских авторов о различных конструкциях и применении астролябии: книги аз-Заркали, ас-Сиджизи, ас-Суфи, ал-Бируни, Насир ад-Дина ат-Туси и др.
И вот результатом слияния воедино мудрости Востока и Запада, стал прибор астролябия, объединивший в себе европейское наследие с арабской мыслью.
Однако, астролябии становятся известны в Западной Европе официально только с XII века, где вначале использовали арабские инструменты, а позднее стали изготовлять свои по арабским образцам. И это после тысячелетия «тишины».
Краткий экскурс в историю астрономии в свете Новой Хронологии можно почитать ЗДЕСЬ.
Пика своей популярности в Европе астролябия достигла в эпоху Возрождения, в XV-XVI столетиях, она наряду с армиллярной сферой была одним из основных инструментальных средств астрономического образования.
Знание астрономии считалось основой образования, а умение пользоваться астролябией было делом престижа и знаком соответствующей образованности.
Европейские мастера, подобно своим предшественникам арабам, уделяли большое внимание художественному оформлению, так что астролябии стали предметом моды и коллекционирования при королевских дворах.
В данной работе не ставится цель рассмотреть огромное количество этих ярчайших, шикарных устройств.
Есть интерес донести до читателя устройство и общий принцип работы подобных механизмов, используемых в астрономических исследованиях.
Стереографическая проекция.
Рис.1. Карта поверхности Земли в полярной стереографической проекции
Считается, что Клавдий Птолемей во II веке н. э. в сочинении «Планисферий» описал Стереографическую проекцию.
Стереографическая проекция используется для отображения сферических панорам. Это приводит к интересным результатам: области, удалённые от центра проекции, сильно растягиваются, производя так называемые «эффекты маленькой планеты» (см Рис.1).
Стереографическая проекция - центральная проекция, отображающая двумерную сферу (с одной выколотой точкой) на плоскость. То есть это изображение трехмерного объекта (сферы) на двухмерной проекционной плоскости.
Разберемся.
Рис.2. Стереографической проекция
N (северный полюс сферы) является точкой на максимальном расстоянии от плоскости П . Через каждую точку х не равную N сферы проходит единственная прямая D, соединяющая х и N. Прямая D пересекает плоскость в единственной точке X, которая, таким образом, является образом точки х при стереографической проекции.
В результате получается взаимно однозначное отображение сферы с выколотой точкой N на плоскость П.
Для того, чтобы получить взаимно однозначное отображение целой сферы, нужно дополнить плоскость элементом, являющимся образом выколотой точки N. Этот элемент - так называемая бесконечно удалённая точка. Плоскость, дополненная элементом «бесконечность», называется расширенной плоскостью. Стереографическая проекция целой сферы на расширенную плоскость является гомеоморфным отображением, при стремлении прообраза х à N его образ Хà«бесконечность».
Метод проекции изображения базируется на зрительном восприятии. Если все точки предмета связать прямыми лучами с константной точкой центра проекции, в которой якобы расположен глаз наблюдающего, то в месте пересечения этих прямых с определенной плоскостью образуется проекция всех точек объекта. При объединении этих точек прямыми в порядке соединения их в предмете, можно получить на двухмерной плоскости изображение данного объекта или центральную его проекцию.
Вернемся к истории создания инструментов.
Нам говорят, что Астролябия впервые появилась в Древней Греции. А принцип стереографической проекции, переводящей окружности на сфере в окружности на плоскости открыл Витрувий в своём сочинении «Десять книг об архитектуре» еще в I веке до н. э., где описывается астрономический инструмент, называемый «пауком».
Одной из составных частей этого инструмента служил барабан, на котором, по словам Витрувия, «нарисовано небо с зодиакальным кругом». Окончательный вид астролябии был разработан Теоном Александрийским, который называл это устройство «малый астролабон».
В комментариях к Части 4. Датировки Звездных каталогов
описана работа первоначального Астролабона, который в последствии стал основой для создания Астролябий и Армиллярной сферы.
«Астролабоном» Птолемей как раз и называл армиллярную сферу. Ее строение и принцип работы разберем позже.
Современным потомком астролябии является планисфера - подвижная карта звёздного неба, используемая в учебных целях.
Планисферная астролябия - мощный астрономический калькулятор. Он состоит из нескольких фиксированных или мобильных дисков, линейки и имеет мелкие чешуйки, выгравированные с обеих сторон.
Планисфера (от лат. planum - плоскость и др.-греч. σφαῖρα - шар) - изображение небесной сферы на плоскости в полярной стереографической проекции (Рис.1)либо в азимутальной проекции (Рис.3).
Рис.3. Карта поверхности Земли в азимутальной проекции
Планисферы употреблялись вплоть до XVII века для определения моментов восхода и захода небесных светил. Обычно представляли собой координатную сетку, нанесённую на металлический диск, около центра которого вращалась облегчавшая отсчёты алидада. С введением специальных таблиц и номограмм планисферы вышли из употребления в качестве научного инструмента, однако сохранили функцию учебной подвижной карты звёздного неба.
Как устроена Астролябия - планисфера?
Рис.4. Астролябия.
Основой классической астролябии служит «тарелка» - круглая деталь с высоким бортом и подвесным кольцом для точной нивелировки прибора относительно горизонта. Внешний лимб тарелки имеет шкалу, оцифрованную в градусах и в часах.
В эту тарелку вложен «тимпан» - круглый плоский диск, на поверхности которого нанесены в стереографической проекции точки и линии небесной сферы, сохраняющиеся при её суточном вращении:
- находящийся в центре тимпана полюс мира и концентрические с ним окружности небесного экватора, северного тропика и южного тропика (который обычно служил границей тимпана);
- прямая вертикальная линия небесного меридиана;
- горизонт, его параллели «альмукантараты» (араб. «круг равных высот»), точка зенита и проходящие через неё азимутальные круги. Альмукантараты образуют на тимпане гиперболический пучок окружностей, азимутальные линии - сопряжённый с ним эллиптический пучок окружностей. Положение горизонта и зенита будет разным для разных широт места наблюдения.
Поэтому для наблюдений, производимых в разных широтах, должны быть изготовлены разные тимпаны.
На тимпан накладывается «паук» - круглая фигурная решётка, на которой в этой же стереографической проекции с помощью изогнутых стрелок указано расположение самых ярких звёзд, расположенных севернее южного тропика.
На пауке обозначен также зодиакальный круг со шкалой, показывающей годовое движения Солнца по эклиптике. Шкала некоторых астролябий отражает даже неравномерность этого годового движения.
Всё скрепляется осью, проходящей через центральные отверстия перечисленных деталей. На этой же оси с тыльной стороны тарелки крепится алидада - визирная линейка с диоптрами.
Алидада (от араб. عضادة - сторона, боковая часть, подстенок, опора) - приспособление для измерения углов (вращающаяся часть) в астрономических, геодезических и физических угломерных инструментах - таких, как астролябия, секстант и теодолит.
В простейшем случае, в астролябии, алидада - вращаемая ручка, на концах которой прикреплено визирное устройство. У теодолита вся вращаемая средняя часть называется алидадой.
На тыльной стороне нанесена круговая градусная шкала, по которой производятся визирные отсчёты. Здесь также могут находиться разнообразные номографические шкалы, такие как шкала тангенсов («прямая тень», umbra recta) и котангенсов («обратная тень», umbra versa), шкала для пересчёта равных часов, возникающих при делении суток на 24 части, в так называемые «неравные часы», шкала для определения киблы и т. д.
Сборка Астролябии.
Угломерный астрономический инструмент, как правило обладал тремя дисками - тимпанами, каждый из них подходил для определенной широты. Порядок, в котором вкладывались тимпаны, зависел от местности: верхний диск должен был содержать проекцию неба, соответствующего данному участку Земли.
Поверх тимпанов располагалась специальная решетка «паук», снабженная большим количеством стрелок, указывающих на ярчайшие звезды, обозначенные на проекции. Сквозь отверстия в центре тимпанов, решетки и основы проходила ось, скреплявшая детали. К ней была присоединена алидада - специальная линейка для вычислений.
Изготовление астролябии.
Click to viewКак изображалось звездное небо на тимпане?
Рис.5. Звездное небо в Проекции на Землю.
1 - «трон» позволяет легко удерживать астролябию вертикально, указывая алидадой на звезду или Солнце. Трон на старых астролябиях обычно красиво оформлен и оснащен кольцом или шнуром.
2 - «тарелка» - масштабируется в часах и в градусах по квадранту. Конкретное значение указывается с помощью линейки.
3 - «тимпан» - пластина выгравирована системой координат, подходящей для данной широты. Обычно для астролябии были предусмотрены 2 или 3 пластины, выгравированные с обеих сторон для разных широт. На пластине показаны круги для тропиков и экватора, круги высот над горизонтом и круги азимута.
4 - «паук» - фигурная решётка может вращаться вокруг оси и имеет указатели на главные звезды. Эклиптический круг масштабируется в эклиптической долготе и обычно обозначается знаками Зодиака.
5 - «алидада» - линейка указывает значение на шкале или положение на пластине.
Проведем исследование небосвода. Каковы особенности звездного неба на тимпане (Рис.5)?
Центр небесной сферы, где скрепляются все детали Астролябии есть Земная ось, указывающая на Северный Полюс. Для человека опытного, наблюдательного не составит труда определить, что ось находится в районе хвоста Малой Медведицы. На пластине голубым цветом нанесен круг Экватора.
Выше показан Центр Эклиптики в созвездии Дракона, от которого расходится эклептическая координатная сетка. Меридианы, расходящиеся от центра, соответствуют неравномерным делениям долготы на эклиптическом круге паука со знаками Зодиака.
Полный круг астролябии это границы Южного тропика в стереографической проекции.
Внизу, на Севере Астролябии четко видно созвездие Ориона (зеленый круг). На звезды Сириус(1) и Ригель(2) указывают стрелки-указатели паука.
В центре - созвездие Большой Медведицы (зеленый круг) со звездой Дубхе(4).
Тимпан - пластина имеет вид звездного неба предположительно в день зимнего солнцестояния 21.12 в полночь 0.00 (либо ЛС 22.06 в солнечный полдень 12.00).
Для сравнения и наглядности представлен вид небосвода в полночь дня ЗС - 21.12.2000 г. (год берем произвольно).
Карта исполнена в азимутальной проекции.
Скрин 1. Отмечены созвездия и звезды для сравнения с Астролябией.
Созвездие Ориона расположено в Южной части небосвода. Созвездие Лебедя ближе к Северу. Созвездие Большой Медведицы рядом с северным Полюсом.
Различия в этих двух видах карт небосвода заключается в зеркальном их отображении.
Если к карте, указанной на Скрин 1 применить «эффект перевернутого листа», то мы получим похожую искомую карту звездного неба Астролябии.
Выводы.
В очередной раз надо сказать, что Звездная карта неба (в азимутальной проекции) Астрокалькулятора исполнена для Наблюдателя с Земли, стоящего лицом к югу (Скрин 1). Подняв взгляд на небо, мы увидим такой же рисунок небосвода с созвездиями, расположенными таким же образом, как указано на карте.
Именно для наблюдателя с Земли исполнены исследованные в предыдущих работах Карты из Celestial Atlas Джеймисона 1822 г., Зеркала Урании 1824 г. и Звездного Атласа Джона Флемстида позднего французского издания 1776 г.
Небосвод на пластине Астралябии (Рис.5) исполнен видом НАД Землей или как Проекция на Землю, т.е. в зеркальном отражении с вышеперечисленными Картами.
Именно в Проекции на Землю выполнены Карты Звездного Атласа Джона Флемстида 1729 и 1753 гг. издания.
Значит до конца 18 века Звездные Карты рисовались Проекцией на Землю и имели вид стереографической проекции.
Именно по данному критерию можно определить рубеж датировки той или иной Астролябии или Звездной карты.
Применение астролябии будет далее...