Галичский А.В. Первые навигационные инструменты для измерения курса, скорости судна и глубины его местоположения

Лучший навигационный инструмент на судне — голова штурмана

Первые навигационные инструменты для измерения курса, скорости судна и глубины места, в котором он находился, начали использоваться в VI веке до н.э. Для этого применялись магнитный компас, лаг и лот. Они являлись навигационными устройствами, обеспечивающими безопасность мореплавания.

Магнитный компас является древнейшим средством навигации, реагирующим на магнетизм Земли и указывающее направление на север. Используемая в нём движущаяся магнитная стрелка всегда поворачивается на север – на магнитный полюс Земли. Он использовался для определения направления движения судна и ориентирования на открытой воде. С его помощью назначался и удерживался курс судна, измерялись пеленги на маяки и другие ориентиры, определялись курсовые углы, направление ветра и течения.

В настоящее время неизвестно, в какой из древних стран был создан магнитный компас. Предполагается, что ими могли быть три государства – Китай, Индия и Греция. Первое описание магнитного компаса выполнил в четвертом веке до нашей эры китайский философ Хэнь Фэй Цзы. Устройство представляло собой разливательную ложку из магнетита с узкой ручкой. «Ложка» устанавливалась на медную пластину с разметкой двенадцати знаков зодиака, а ручка находилась на весу и крутилась. Ложку нужно было привести в движение и, остановившись, она указывала на направление оси юг-север. По форме компас больше напоминал шар.

Магнитный компас, разработанный в Китае, стал самым значимым изобретением в истории мореплавания и неотъемлемым спутником мореплавателей. Первые компасы были изготовлены из магнита — естественно намагниченного железного камня (магнетита) в период династии Хань (206 год до н.э. — 220 год н.э.). Древнекитайские исследователи изготовили первый компас из небольшого ковша. Его основание опиралось на плоскую поверхность, а короткая «ручка» под воздействием магнита всегда качалась, указывая направление юг-север. Эта ранняя рудиментарная форма компаса была названа в Древнем Китае «южным губернатором» или «рыбой, указывающей на юг». Для навигации этот компас не использовался. В VII столетии компас дополнили линейкой и визиром.

В IX веке устройство изменилось: магнитную стрелку в форме рыбки помещали в сосуд с водой или маслом. Рыбка свободно плавала по направлению север-юг. Сосуд прикрывали от ветра стеклянной пластиной. В таком виде магнитный компас стал незаменим в морских путешествиях. Окружность сосуда делилась на 365 делений по числу дней в году. Предположительно, что аналогичный магнитный компас был создан в IX веке и в Индии.

Описание магнитного компаса для определения сторон света впервые изложено в китайском манускрипте «Уцзин Цзунъяо» 1044 года. В нём указывалось, что компас работал на принципе остаточной намагниченности из нагретых стальных или железных болванок, которые отливались в форме рыбки. Последние помещали в чашу с водой, и в результате индукции и остаточной намагниченности появлялись слабые магнитные силы. В манускрипте упомянуто, что данный прибор использовали как указатель курса в паре с механической «колесницей, которая указывает на юг». Поскольку вода снижала трение, рыбка вращалась почти свободно.

В XI веке китайцы усовершенствовали компас. Учёный-изобретатель Шэнь Гуа (1030 – 1094) доказал, что минерал магнетит намагничивает железо, и создал несколько разновидностей компаса. Он установил, что стрелка компаса указывает направление с небольшим отклонением из-за угла между магнитным и географическим меридианами — то, что позднее назвали магнитным склонением. Учёный объяснил причину этого явления тем, что магнитный и географический меридианы не совпадают, а образуют угол. Он предложил намагнитить о природный магнит обычную швейную иглу, затем прикрепить её с помощью воска в центре корпуса к свободно висящей шёлковой нити. Этот компас указывал направление более точно, чем плавающий, так как испытывал меньшее сопротивление при своём повороте. Несколько позднее учёные научились вычислять магнитное склонение для разных географических областей Китая. В дальнейшем Шэнь Гуа предложил варианты усовершенствованного магнитного компаса:

– водяной компас с намагниченной стрелкой-рыбкой, плавающей в миске с водой. Поскольку вода снижала трение, стрелка вращалась почти свободно, а голова «рыбки» указывала на юг. Для защиты от ветра сосуд прикрывали стеклянной пластиной;

– компас с намагниченной обычной швейной иглой, прикреплённой к свободно висящей шёлковой нити. Этот компас указывал направление более точно, чем плавающий, так как испытывал меньшее сопротивление при своём повороте.

В XI веке магнитные компасы были установлены на судах китайского и индийского флотов. Располагали их, как правило, на носу судна таким образом, чтобы капитан мог в любой удобный для него момент видеть показания прибора.

В XII–XIII веках технология изготовления магнитных компасов постепенно распространилась за пределы Китая: сначала её освоили арабы, а затем итальянские, испанские, португальские и французские моряки. В Европу компас попал через арабских торговцев, плававших в Китай. Однако изобретение компаса в Европе относят к XII – XIII векам. Первые упоминания о нем появились в морских книгах и навигационных руководствах, что свидетельствует о его быстром внедрении в мореплавательную практику. Он стал неотъемлемой частью морской навигации. Его устройство оставалось простым – магнитная стрелка, укреплённая на пробке и опущенная в сосуд с водой. В качестве магнитной стрелки сначала стали использовать намагниченную швейную иголку. Но вскоре европейцы начали делать сухие компасы, где стрелка свободно вращалась, опираясь на вертикальный стержень. Как утверждается, в начале XIV века итальянец Флавио Джойя значительно усовершенствовал компас. Магнитную стрелку он надел на вертикальную шпильку, а к стрелке прикрепил лёгкий круг – картушку, разбитую по окружности на 16 румбов.

Значительное влияние на использование магнитного компаса на судах оказывала качка. Поэтому возникла необходимость в устройстве, которое обеспечивало нахождение котелка компаса (картушки) в горизонтальном положении. Оно было предложено итальянским математиком, инженером, астрологом Джероламо Кардано в 1550 году. Котелок компаса, несколько утяжеленный снизу, подвешивался на двух горизонтальных полуосях, опирающихся на кольцо. Это кольцо, в свою очередь, крепилось на двух горизонтальных полуосях, перпендикулярных первым, и подвешивалось внутри второго кольца, неподвижно скрепленного с судном. Таким образом, как бы круто и часто не наклонялось судно, причем в любую сторону, картушка оставалась всегда горизонтальной. В честь изобретателя этот подвес был назван кардановым. Следует отметить, что в высоких широтах от 70° северной и южной широт до полюсов магнитный компас использовать нельзя. В этих широтах очень большие аномалии магнитного склонения, так как сказывается близость магнитных полюсов, не совпадающих с географическими. Магнитная стрелка стремится занять здесь вертикальное положение.

XV веке появились первые морские карты с обозначением магнитных северных стрелок. Они использовались вместе с компасами для более точной навигации. Картографы начали отображать компасные розы на картах, чтобы мореплаватели могли определить свое местоположение и направление движения. В XVI веке португальцы предложили делить картушку компаса на 32 румба. В XVII веке компас снабдили пеленгатором – вращающейся диаметральной линейкой с визирами на концах, укреплённой своим центром на крышке коробки над стрелкой.

Обеспечение безопасности мореплавания во многом зависит от точности измерения величины скорости судна и пройденного за определённый период времени расстояния. Измерение скорости судна и пройденного им расстояния было необходимо:

– для расчётов его местоположения;

– определения времени подхода к заданной точке (порту, месту добычи полезных ископаемых, району боевых действий и т.п.);

– контроля движения во время манёвров в гавани.

В XVI веке после долгого перерыва в Европе появились приборы для измерения скорости судна и пройденного им расстояния. Своё название первые морские лаги получили от голландского слова log (бревно), на английском – «lag».

Первые способы замера скорости были очень примитивными. С носа судна бросали за борт кусочек дерева, коры, птичье перо или другой плавающий предмет и одновременно замечали время. Идя вдоль борта с носа на корму судна, не выпускали из глаз плывущий предмет и, когда он проходил срез кормы, вновь замечали время. Зная длину судна и время, за которое предмет проходил ее, рассчитывали скорость хода. А зная общее время в пути, составляли приблизительное представление и о пройденном расстоянии.

С конца XVI века в качестве измерителя скорости стал использоваться «ручной» («секторный») лаг — доска треугольной формы (сектор), на которой укрепляли свинцовый груз в виде полосы. К доске крепили тонкий прочный трос (лаглинь). На лине на одинаковом расстоянии 15,43 м друг от друга завязывались узлы. Измерение скорости производились с подветренной стороны, чтобы вывести лаг в кильватер, так как при плавании под парусами (кроме плавания при попутном ветре), лаг всегда отклонялся к наветренной стороне. Для определения скорости судна требовалось участие нескольких матросов:

— первый контролировал разматывание линя;

— второй сбрасывал доску лага за корму судна и считал количество узлов, прошедших через его руку;

— третий засекал время.

Затем пересчитывалось количество узлов, сброшенных за борт за определённое время (обычно — 15 секунд, 0,5 минуты или 1 минуту). 1 узел был равен 1 морской миле в час. Отсюда пошло название «измерение скорости судна в узлах». Ручной лаг использовался до появления в конце XVII века механических вертушечных лагов.

В конце XVI — начале XVII века было установлено, что ручной лаг из-за больших погрешностей не позволяет успешно использовать более точные карты в меркаторской проекции. Однако несмотря на свои недостатки (низкая точность, неудобства в использовании, периодичность измерений и т. п.) и появление в последующие годы более совершенных инструментов и приборов измерения скорости ручной (секторный) лаг применялся на судах несколько столетий. В русском флоте он использовался вплоть до XIX века., а на парусных и малотоннажных судах его можно встретить и сейчас.

На рубеже XVIII XIX веков появились верхушечные лаги – навигационные устройства, с помощью которых определяют скорость судна и пройденное им расстояние в зависимости от частоты вращения специальной вертушки (винта) в воде. Вертушка буксировалась на лаглине (тонком корабельном тросе), или выстреливалась под днище судна. Лопасти вертушки при движении судна испытывали давление воды встречных струй. Она вращалась и в зависимости от шага лопастей делала определённое число оборотов за единицу пройденного расстояния. Количество оборотов вертушки фиксировалось механическим или электромеханическим счётчиком. По этой частоте определялось пройденное судном расстояние, которое затем пересчитывалось в скорость.

Для измерения пройденного в море расстояния древние римляне использовали морской одометр. Он представлял собой лопастное колесо, которое вращаясь в воде под действием движения судна. Контактируя с водой, колесо передавало его через систему шестерёнок механизму, который через каждые несколько оборотов колеса бросал в контейнер камешек или металлический шарик. Каждые несколько оборотов колеса соответствовали величине установленного пройденного расстояния. В конце пути, подсчитав количество камешков, рассчитывалась величина этого расстояния. А по нему и времени в пути – средняя скорость.

Согласно трудам римского архитектора и инженера 1 века до н.э. Витрувия первые упоминания об одометре связываются с древнегреческим учёным, инженером, математиком и изобретателем Архимедом, но иные исследователи указывают на работы древнегреческого математика и механика Герона Александрийского как первоисточник информации.

Измерение глубины счислимого места на судне необходимо для обеспечения безопасности плавания и контроля за движением судна. Знание глубин позволяет:

— уточнить счислимое место, если глубины в районе плавания меняются равномерно;

— оградить судно от опасного сближения с навигационными опасностями, используя показанную на карте ограждающую изобату, которая проходит в безопасном расстоянии от опасностей;

— проконтролировать полученные обсервации путём сопоставления выполненных обсерваций с глубиной, указанной на карте.

Для измерения глубины места судна использовался ручной лот. Впервые о нем упоминал в V веке нашей эры древнегреческий историк и географ Геродот Галикарнасский. Сначала (во времена парусного флота) для измерения глубины моря использовали простейший лот – гирю с тонкой верёвкой (лотлинем). Это обычно была свинцовая или чугунная гиря продолговатой, пирамидальной или конусообразной формы. Лотлинь разбивался на отрезки определённой длины, которые отделялись друг от друга кожаными или парусиновыми отметками-марками. Лот опускался с носовых русленей судна – узких площадок, расположенные на высоте верхней палубы снаружи борта судна. Иногда на нижней части гири формировалось углубление, в которое вкладывалось сало или смесь сала и толчёного мела, чтобы к нему прилипали частицы грунта для определения характера дна. Наблюдатель (лотовый) становился на нос судна и забрасывал груз вперёд по ходу судна. Когда лотлинь принимал вертикальное положение, он по отметке определял глубину под килем. До начала XVIII века лоты применялись, как правило, в прибрежной зоне и имели лотлини длиной не более 100 – 200 метров. Ручным лотом измеряли глубину до 40 метров при движении судна со скоростью не более 3 узлов. На стоянке судна лот опускают за борт и вытравливают лотлинь до тех пор, пока гиря достигнет дна. Обычные лоты становились бесполезны на скоростях судна больше пяти узлов, так как матросу-лотовому не удавалось засечь момент, когда лотлинь принимал вертикальное положение. Они не могли использоваться для измерения больших глубин из-за ограниченной длины лотлиня. Кроме этого, из-за повышения давления с увеличение глубины и частого наличия подводных течений не удавалось отметить момент, когда гиря касалась дна.

Для измерения глубин в 100-120 метров использовался усовершенствованный лот – диплот. Устроен он был также, как и ручной лот. Только масса его груза достигала 16 килограммов, а длина – до 155 метров. Термин «диплот» (глубинный лот) упоминается в морских документах с 1720 года.

Кроме ручных лотов, в древности для измерения глубины использовали обычный шест из дерева или бамбука длиной около пяти метров. Если опущенный вертикально в воду шест не доставал дна, то проход считался безопасным. Также применялся метод зондирования — использовали взвешенную линию с отметками глубины через определённые промежутки. Считается, что первые измерения глубины провели египтяне около 1800 года до нашей эры, используя зонд на шесте.

Обеспечение навигационной безопасности мореплавания на русских судах XI–XVII веков включало использование навигационных приборов, соблюдение правил и применение навигационных знаков. Эти меры были направлены на предотвращение навигационных происшествий и аварий, особенно в экстремальных условиях плавания (например, в морях Северного Ледовитого океана). Главная цель – безопасно провести судно (коч) из одной точки в другую, учитывая особенности прибрежных районов, течения, приливы и отливы.

Коч — русское морское парусно-гребное судно поморов и сибирских промышленников, деревянное, однопалубное, промысловое. На этих уникальных судах поморы достигали таких арктических широт, которые были недоступны никаким другим судам с металлическим корпусом и механическими двигателями.

Основными инструментами обеспечения навигационной безопасности мореплавания были:

– поморский компас — круглая деревянная коробочка с бумажной картушкой, на которой обозначены поморские названия сторон света и ветров. На шпильке в центре картушки помещалась намагниченная игла;

– ветромёт, служивший одновременно солнечными часами и компасом;

– рукописные морские карты и лоции, в которых подробно объяснялось, на какие береговые знаки обращать внимание и в каком направлении идти судну с учётом местных течений.

Первые упоминания о том, что русские мореплаватели пользовались магнитным компасом, датируются 1599-м годом. Согласно летописям, голландская экспедиция Баренца встретила в море русский корабль. Голландские моряки попросили помощи в определении направления на Канин Нос. Русские моряки принесли свой компас, показания которого оказались идентичными голландскому. В приходно-расходных книгах Соловецкого монастыря за 1649-й год есть запись о покупке «шести маток для ладей». Предположительно эти компасы изготавливались недалеко от Соловецкого монастыря в Холмогорах. Также известно, что компасами оснащались суда русского землепроходца и морехода Ивана Родионовича Ерастова, который в 1630-х годах совершил поход на Индигирку. Компас был и на судне русского путешественника, землепроходца, исследователя Северной и Восточной Сибири и Северной Америки Семёна Ивановича Дежнёва. На этом судне он обогнул Чукотский полуостров и в 1648 году открыл Берингов пролив между Чукоткой и Аляской.

Об уровне развития морской культуры поморов свидетельствует изобретение ими деревянного компаса задолго до широкого использования магнитного. Такой компас называли ветромётом. Он был древним навигационным инструментом, применявшимся поморами. Его название произошло от поморского выражения «метать ветер», то есть давать определённое направление, или определять направление. Ветромёт представлял собой деревянный сферический сегмент диаметром 60 – 70 см и толщиной около 5 см. Деревянный диск разбивался на 32 деления – румба. В каждом румбе просверливались отверстия, в которые вставлялись деревянные стержни разной высоты. Восемь основных стержней были самыми высокими; они назывались «ветры». Восемь стержней пониже имели название «межники», а остальные шестнадцать были короткими и назывались «малые палки» или «стрики». В центре круга вставлялась длинная палочка; по ней определяли по Солнцу, в полдень направление север – юг.

Основные румбы назывались: «сивер» – север, «полунощник» – северо-восток, «всток» – восток, «зимняк», или «обеденник», – юго-восток, «полуденник» – юг, «шелонник» – юго-запад (от названия реки Шелонь, текущей с юго-запада и впадающей в озеро Ильмень), «западник» – запад, «побережник» – северо-запад (когда ветер дул вдоль Мурманского берега, береговая линия которого имеет направление с северо-запада на юго-восток).

C помощью ветромёта определялось направление по Солнцу, а ночью брался пеленг на Полярную звезду. Так как Солнце в северном полушарии в полдень находится на юге, то тень всегда падает на север. Посмотрев на тень от шеста в полдень поморы с точностью определяли где север. 8 самых длинных палочек соответствовали основным румбам и назывались, как и местные ветра:

На видных с моря местах – мысах, приметных вершинах, особенно у входа в бухты и проливы поморы ставили гурии (каменные столбы-пирамиды) и приметные кресты. Их поперечина всегда и везде строго ориентировалась по частям света. Компас ориентировали по поморским крестам, установленным на островах, мысах и приметных вершинах. Эти опознавательные знаки были всегда вполне определенно установлены по отношению к частям света. Чтобы определить курс судна с точностью до одного румба, достаточно было сориентировать компас через центральный стержень (в створе с другим) на крест, когда он обращен к наблюдателю боком (линией север – юг). Иногда кресты служили створными знаками для входа в пролив или бухту.

Хотя ветромёт был примитивным прибором, тем не менее поморские мореходы ему обязаны точностью старинных карт – морских чертежей и лоций, так называемых «расписаний мореходства». И даже когда появились магнитные компасы, поморы ещё долго продолжали пользоваться ветромётами, в особенности в каботажном плавании. Ветромёты, совершенствуясь, использовались до XIX века.

Для измерения скорости судов русские поморы использовали «ручной» (секторный) лаг. Скорость хода коча при попутном ветре составляла 6–7 узлов. При отсутствии серьёзных ледяных преград коч мог проходить за сутки до 200 километров, то есть его средняя скорость составляла порядка 4,5 узлов (8,3 км/ч).

Для составления карт поморы использовали засечки компасного румба и глазомерное определение расстояния до приметных объектов. Карты рисовали без строгого соблюдения масштаба и направлений, ориентируясь на общее положение берегов. Их изготавливали на подручных материалах: бересте (обработанной коре берёзы), коже морских животных (например, тюленьей), тонких деревянных дощечках. Рисовали карты углём, охрой или сажей. На поморских картах изображали:

– схематично береговую линию, но с выделением ключевых навигационных черт. Особое внимание уделялось «носам» (выдающимся в море мысам) и «губам» (заливам и бухтам), которые служили укрытиями от штормов.

– навигационные ориентиры для определения места судна: приметные скалы или холмы, поклонные кресты, часовни, церкви, промысловые избы, особые деревья или рощи на безлесном побережье;

– навигационные опасности (их обозначали специальными знаками: «корги» и «камни»), подводные и надводные скалы, мели, отмели, где судно могло сесть на дно, «сувои» (места с сильными водоворотами или непредсказуемыми течениями).

Поморские лоции включали подробные географические сведения, по крупицам собранные поморскими путешественниками, мореходами и купцами с XIV по XVIII века во время промышленного освоения приполярных регионов России. Обычно хранящаяся в них информация охватывала бассейны Белого, Баренцева и Норвежского морей. Помимо общегеографических данных лоции содержали указания навигационных направлений, оптимальных маршрутов и расстояний между примечательными точками на картах. Ряд документов дополнен руководствами для мореплавателей, описаниями курсов и глубин, наземных ориентиров, точек захода в речные устья, районов рыбной ловли и пунктов возможной стоянки.