Ο ναυτικός εξάντας ή παλέστρα

Ο ναυτικός εξάντας ή παλέστρα αποτελεί είδος γωνιομετρικού οργάνου, με το οποίο μετρούμε στη θάλασσα τα ύψη των ουρανίων σωμάτων, καθώς και τις κατακόρυφες και οριζόντιες γωνίες των γήινων αντικειμένων.

Η αρχή λειτουργίας του εξάντα βασίζεται στο φαινόμενο της ανακλάσεως. Είναι γνωστό από την οπτική ότι η γωνία προσπτώσεως που σχηματίζεται από την οπτική ακτίνα σε επίπεδο, είναι ίση με τη γωνία ανακλάσεως. Στο ναυτικό εξάντα για τη μέτρηση των γωνιακών αποστάσεων εφαρμόζεται η αρχή της διπλής ανακλάσεως.

Έστω ότι έχουμε δύο καθρέφτες Α και Β, από τους οποίους ο Α είναι κινητός και ο Β ακίνητος.

Οι καθρέφτες αυτοί σχηματίζουν την οξεία γωνία Γ. Έστω ακόμα ότι θέλουμε να μετρήσουμε τη γωνιακή απόσταση δύο αντικειμένων Σ και Σ’. Η οπτική ακτίνα ΣΑ του αντικειμένου Σ προσπίπτει διαδοχικά στους καθρέφτες Α και Β και παίρνει την τελική κατεύθυνση ΒΟ όπου στο σημείο Ο είναι το μάτι του παρατηρητή. Οι ΑΚ και ΒΚ είναι οι κάθετες των καθρεφτών Α και Β, που τέμνονται στο Κ. Για να επιτευχθεί η συνθήκη αυτή μετρήσεως της γωνιακής αποστάσεως των δύο αντικειμένων, πρέπει να παρατηρήσουμε το Σ μέσω διπλής ανακλάσεως με τους δύο καθρέφτες και το Σ’ απευθείας μέσω διαφανούς τμήματος γυαλιού του ακίνητου καθρέφτη.

Αν στρέψουμε κατάλληλα τον κινητό καθρέφτη Α, η προσπίπτουσα ακτίνα ΣΑ ανακλάται πρώτα στον καθρέφτη Α. Στη συνέχεια ανακλάται για δεύτερη φορά στον ακίνητο καθρέφτη και τελικά καταλήγει στο μάτι του παρατηρητή Ο. Ώστε, τη στιγμή αυτή θα συμπέσουν η τελική ανακλώμενη ΒΟ και η ακτίνα Σ’Ο, του αντικειμένου που βλέπουμε απευθείας. Έτσι θα συμπέσουν και τα αντικείμενα Σ και Σ’. Κατά τη στιγμή αυτή της συμπτώσεως του ειδώλου του Σ με το αντικείμενο Σ’, που βλέπουμε απευθείας, οι δύο καθρέφτες θα σχηματίζουν γωνία Γ, η οποία, όπως αποδείχθηκε, είναι το μισό της γωνίας Ο των αντικειμένων. Αν το αντικείμενο Σ είναι αστέρι και επιθυμούμε να μετρήσουμε το ύψος του, τότε, αντί για το αντικείμενο Σ’, θα παρατηρήσουμε απευθείας τον ορατό ορίζοντα, στον οποίο θα φροντίσουμε να φέρουμε το είδωλο της διπλής ανακλάσεως του Σ, με κατάλληλη στροφή του κινητού καθρέφτη. Για τη μέτρηση όμως της γωνιακής αποστάσεως δύο αντικειμένων, πρέπει να διπλασιάζουμε κάθε φορά τη μετρούμενη γωνία των καθρεφτών. Επειδή όμως αυτό αποτελεί μια πρόσθετη διαδικασία, οι υποδιαιρέσεις στο τόξο αναγνώσεως των γωνιών παριστάνουν γωνίες διπλάσιες από τις αντίστοιχες των καθρεπτών.

Ο ναυτικός εξάντας είναι όργανο ακριβείας και ήταν βασικό όργανο μέτρησης από τον 18ο αιώνα μέχρι τις αρχές του 20ου, σήμερα έχει περιπέσει σε αχρηστία γιατί έχουν κατασκευασθεί άλλα όργανα. Χρησιμοποιείται από το ναυτιλλόμενο κυρίως για τη μέτρηση υψών ουρανίων σωμάτων αλλά και για τη μέτρηση οριζοντίων και κατακόρυφων γωνιών γήινων αντικειμένων. Κατά την παρατήρηση του ύψους, ο εξάντας κρατείται κατακόρυφος και το είδωλο ουράνιου σώματος έρχεται σε επαφή με τον ορίζοντα με την κατάλληλη μετακίνηση του κανόνα, στον οποίο είναι προσαρμοσμένος ο μεγάλος, κινητός καθρέφτης. Η ανάγνωση του εξάντα αντιστοιχεί στη χρονική στιγμή παρατηρήσεως. Το ύψος ενός ουρανίου σώματος στον εξάντα είναι το τόξο του κάθετου κύκλου από τον ορατό ορίζοντα μέχρι το ουράνιο σώμα.

(ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΟΡΓΑΝΟΥ

Στον συνηθέστερα ορειχάλκινο ή αλουμινένιο σκελετό του εξάντα, (frame), σχήματος κυκλικού τομέα, φέρονται τα ακόλουθα μέρη και εξαρτήματα τα οποία μπορείτε να δείτε στην εικόνα που ακολουθεί:

1. Η ίτυς (της ίτυος, arc) που είναι το κάτω μέρος του σκελετού που φέρει βαθμολογημένο τόξο από 0° μέχρι 140°, (αριστερά του 0), και από 0° μέχρι 5°, (δεξιά του μηδενός). Η κάτω πλευρά της ίτυος είναι οδοντωτή, όπου κάθε δόντι αντιστοιχεί σε γωνία 1° μοίρας. Το σημείο του τόξου όπου έχει χαραχθεί το 0 ως αρχή μέτρησης των γωνιών ονομάζεται σημείο συρρινισμού του εξάντα. Σημειώνεται ότι η θέση αυτή αντιστοιχεί στην παραλληλία των φερομένων κατόπτρων.

2. Ο κανόνας (index bar), που φέρεται έκκεντρος στη κορυφή του οργάνου και που ολισθαίνει επί του τομέα της ίτυος με ειδικά κομβία (clamps) απελευθέρωσης.

3. Το μικρομετρικό τύμπανο (m. drum), που φέρεται στη μπροστινή κάτω άκρη του κανόνα που είναι υποδιαιρεμένο σε 60΄ (πρώτα της μοίρας).

4. Ο βερνιέρος, μικρομετρικό τύμπανο πίσω από το προηγούμενο που φέρει είτε 10 υποδιαιρέσεις που καθεμιά αντιστοιχεί σε 6΄΄ (60΄:10 = 6΄΄), ή σε 6 υποδιαιρέσεις όπου καθεμιά αντιστοιχεί σε 10΄΄ (60΄:6 = 10΄΄).

5. Το μεγάλο κινητό κάτοπτρο, (index mirror), που χρησιμεύει για την πρώτη ανάκλαση των ακτίνων του αντικειμένου. Αυτό φέρεται στο πάνω μέρος του κανόνα και κάθετα στο επίπεδο του οργάνου. Στρέφεται με την ολίσθηση του κανόνα.

6. Το μικρό ακίνητο κάτοπτρο, (horizon mirror), που χρησιμεύει για τη δεύτερη ανάκλαση των ακτίνων του αντικειμένου, καθώς και για την απ΄ ευθείας σκόπευση. Φέρεται μόνιμα στερεωμένο επί του σκελετού του οργάνου χαμηλότερα και πιο μπροστά του κινητού κατόπτρου

.

7. Τα χρωματιστά γυαλιά, (shade glasses), διάφορης μεταβλητής απόχρωσης που φέρονται μόνιμα στο στέλεχος και όπου παρεμβάλλονται αν χρειαστεί μεταξύ των δύο κατόπτρων για την ελάττωση της έντασης του φωτός σε παρατηρήσεις του Ήλιου και την προστασία του παρατηρητή.

8. Το τηλεσκόπιο, (telescope), που φέρεται μόνιμα ακίνητο επί του σκελετού και παράλληλα προς το επίπεδο του στελέχους. Με κατάλληλη εστίαση παρέχει αρκετή διαύγεια του ορίζοντα. Πολλοί εξάντες φέρουν και δύο τηλεσκόπια.

9. Η λαβή που φέρεται στο δεξιό μέρος του σκελετού, από ξύλο ή πλαστικό από την οποία κρατείται ο εξάντας κάθετα στη παρατήρηση ουρανίων σωμάτων. Πολλοί εξάντες στο εσωτερικό της λαβής φέρουν μπαταρίες που συνδέονται με μικρό λαμπτήρα ανάγνωσης του βερνιέρου.)

Ο ναυτικός εξάντας είναι όργανο ακριβείας και ήταν βασικό όργανο μέτρησης από τον 18ο αιώνα μέχρι τις αρχές του 20ου, σήμερα έχει περιπέσει σε αχρηστία γιατί έχουν κατασκευασθεί άλλα όργανα. Χρησιμοποιείται από το ναυτιλλόμενο κυρίως για τη μέτρηση υψών ουρανίων σωμάτων αλλά και για τη μέτρηση οριζοντίων και κατακόρυφων γωνιών γήινων αντικειμένων. Κατά την παρατήρηση του ύψους, ο εξάντας κρατείται κατακόρυφος και το είδωλο ουράνιου σώματος έρχεται σε επαφή με τον ορίζοντα με την κατάλληλη μετακίνηση του κανόνα, στον οποίο είναι προσαρμοσμένος ο μεγάλος, κινητός καθρέφτης. Η ανάγνωση του εξάντα αντιστοιχεί στη χρονική στιγμή παρατηρήσεως. Το ύψος ενός ουρανίου σώματος στον εξάντα είναι το τόξο του κάθετου κύκλου από τον ορατό ορίζοντα μέχρι το ουράνιο σώμα.

Ιστορία

Οι παλιότεροι θαλασσοπόροι προσδιόριζαν τη θέση του πλοίου τους στην ανοικτή θάλασσα με τη μέτρηση των γωνιών που σχημάτιζαν τα ουράνια σώματα, δηλαδή ο ήλιος, η σελήνη, ή τα άστρα, με τον ορίζοντα. Τα πρώτα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση αυτών των γωνιών ήταν οι αστρολάβοι. Στις περισσότερες περιπτώσεις με τον αστρολάβο, ήταν απαραίτητη η σκόπευση ταυτόχρονα και του αστέρα και του ορίζοντα, από το κατάστρωμα του πλοίου, οδηγώντας έτσι συχνά σε ανακριβείς υπολογισμούς. Η συσκευή που αντικατέστησε τους αστρολάβους ήταν ο εξάντας.

Πρόδρομη συσκευή του εξάντα ήταν ο οκτάντας, που εφευρέθηκε από τον Τζόν Χάντλεϊ το 1731. Διέφερε στο σχεδιασμό από τον εξάντα μόνο στην τοξοειδή κλίμακα που έχουν τα δυο όργανα: ο οκτάντας έχει κλίμακα ενός ογδόου του κύκλου, δηλαδή 45 μοιρών, ενώ ο εξάντας έχει κλίμακα ενός έκτου του κύκλου, δηλαδή 60 μοιρών. Τα δυο όργανα μετρούν τη γωνία της προσπίπτουσας φωτεινής ακτίνας (π.χ. από έναν αστέρα) σε σχέση με τον ορίζοντα, αλλά ο οκτάντας φτάνει να μετρά μέχρι 90 μοίρες γωνία, ενώ ο εξάντας μέχρι 120 μοίρες. Ο εξάντας ανακαλύφθηκε, σαν εξέλιξη του οκτάντα, από τον Άγγλο αξιωματικό του Ναυτικού Τζον Κάμπελ το 1757.

Ο εξερευνητής Τζέιμς Κουκ εκμεταλλεύτηκε πλήρως τις δυνατότητες του εξάντα για τη μέτρηση όχι μόνο κατακόρυφων γωνιών, αλλά γωνιών με οποιαδήποτε κλίση. Μετρώντας τη γωνία μεταξύ της σελήνης και ενός δοσμένου αστέρα, και με τη βοήθεια πινάκων της κίνησης της σελήνης μπορούσε να υπολογίζει ακριβή χρόνο, που του έδινε τη δυνατότητα να βρίσκει το γεωγραφικό μήκος και πλάτος της θέσης του πλοίου του. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιήθηκε για τη χαρτογράφηση της Νέας Ζηλανδίας στη διάρκεια του ταξιδιού του 1768-1771.