Làm sao chúng ta biết mình đang ở đâu nếu không có hệ thống định vị?

Nếu bạn bị lạc ở đâu đó trên Trái đất thì sao? Dựa vào hệ thống định vị toàn cầu (GPS) ư? Được thôi, nhưng nếu không có tín hiệu và không có thiết bị thì sao? Bản đồ? Ý tưởng tuyệt vời, nhưng nếu bạn đang lênh đênh trên biển khơi và không thể nhìn thấy các địa danh thì sao? Trải qua hàng nghìn năm, nhiều người đã phát hiện ra vấn đề này. Những thủy thủ dũng cảm sau đó đã chuyển sang sử dụng mặt trời và các vì sao để định hướng. Để làm được điều này, họ cần một kiến ​​thức nhất định về hình học, đặc biệt là lượng giác.

Giả sử bạn đang ở giữa đại dương và muốn tính toán vị trí vĩ độ.Mặt trời và hầu hết các ngôi sao thay đổi vị trí trên bầu trời theo thời gian, nhưng một số ngôi sao dường như luôn ở cùng một vị trí. Ví dụ, sao Bắc Đẩu (còn được gọi là sao Polaris) dường như luôn nằm ngay phía trên Cực Bắc. Hóa ra là...Vĩ độ của bạn tương ứng với góc mà sao Bắc Cực nằm trên đường chân trời..

Để hiểu rõ lý do, chúng ta hãy cùng xem xét.hình ảnh hai chiều.

Hãy xem xét một mặt phẳng bao gồm Bắc Cực, điểm X của bạn và tâm Trái Đất O. Nói một cách chính xác, sao Bắc Cực không nằm thẳng đứng phía trên X như trong hình, nhưng nó cách Trái Đất rất xa đến nỗi đường ngắm từ X đến sao Bắc Cực gần như thẳng đứng, vì vậy ta có thể giả định rằng nó nằm ở vị trí đó.

"Sao Bắc Cực trên đường chân trời“Góc θ là góc được chỉ ra trong sơ đồ. Đây là góc tạo bởi đường ngắm của chúng ta đến sao Bắc Cực (ký hiệu là l) và đường tiếp tuyến t với điểm X trên Trái Đất (là đường ngắm của chúng ta hướng về đường chân trời).”

Khi kéo dài t và l, ta lại thấy góc θ ở phía bên kia điểm giao nhau X:

Vĩ độ tại điểm X được xác định là đường thẳng r từ O đếnGóc Φ được tạo bởi mặt phẳng chứa đường xích đạo.Trong hình ảnh hai chiều của chúng ta, mặt phẳng xích đạo chỉ đơn giản là một đường thẳng nằm ngang e đi qua điểm O.Nó cắt đường thẳng đứng l tại điểm L và đường tiếp tuyến t tại điểm T.

Vì r là bán kính của đường tròn và t là tiếp tuyến của đường tròn, nên ta biết rằng r và t tạo thành một góc vuông tại điểm X, và vì t và l tạo thành một góc θ, nên ta biết rằng góc giữa l và r là 90°-θ.

Bây giờ hãy xét tam giác có các đỉnh là O, X và L. Như ta thấy, góc tại điểm X là 90°-θ. Vì l và e vuông góc với nhau, nên góc tại điểm L là 90°. Ta cũng biết rằng tổng các góc trong của một tam giác là 180°, vì vậy góc Φ, là vĩ độ của vị trí chúng ta đang xét, là:

Như vậy, vĩ độ của bạn được xác định bởi góc θ so với đường chân trời nơi sao Bắc Cực nằm.Nhà thiên văn học Hy Lạp Hipparchus đã định nghĩa vĩ độ như vậy cách đây 2,000 năm. Vào thời điểm đó, ông thậm chí còn không biết Trái đất hình tròn, nhưng những hình minh họa mà chúng ta có ở đây có thể giải thích tại sao định nghĩa của Hipparchus lại phù hợp với các định nghĩa hiện đại.

Bán cầu Nam không có Sao Bắc Cực theo nghĩa thông thường, nhưng nếu bạn đang ở bán cầu Nam, bạn có thể xác định vĩ độ của mình bằng cách sử dụng chòm sao Thập Tự Phương Nam (được nhận diện trên quốc kỳ Úc) và hai ngôi sao gọi là Sao Chỉ Phương Nam.

Trong hàng nghìn năm, các nhà hàng hải đã sử dụng nhiều thiết bị khác nhau để đo góc mà các ngôi sao xuất hiện trên đường chân trời. Chúng bao gồm những chiếc kính thiên văn và kính lục phân tuyệt đẹp, mà bạn thường có thể thấy trong các cửa hàng đồ cổ và bảo tàng.

Điều này giải quyết được vấn đề về vĩ độ, nhưng việc tính toán kinh độ lại là một câu chuyện khác.

Chúng ta đã thấy việc áp dụng một số kiến ​​thức về hình học đã giúp các thủy thủ ưa mạo hiểm xác định vĩ độ như thế nào.Con người đã sử dụng các vì sao để làm điều này hàng nghìn năm nay. Nhưng kinh độ lại là một câu chuyện khác.Mãi đến thế kỷ 18, người ta mới tìm ra phương pháp đo kinh độ đáng tin cậy - và trước đó, vô số người đã thiệt mạng trên biển, và giải pháp cho vấn đề này cuối cùng lại đến từ những chiếc đồng hồ.

Lý do chúng ta có thể sử dụng vị trí của sao Bắc Cực trên đường chân trời để đo vĩ độ là vì vị trí đó thay đổi khi bạn di chuyển về phía bắc hoặc phía nam (tức là vĩ độ cũng thay đổi). Điều tương tự không thể nói đối với kinh độ: vị trí của sao Bắc Cực không thay đổi kinh độ khi bạn di chuyển về phía đông hoặc phía tây.Bạn có thể thấy điều này trong hình ảnh 2D bên dưới. Các điểm P và Q nằm trên các kinh tuyến khác nhau, nhưng các góc tạo bởi vị trí của sao Bắc Cực là như nhau.

Điều thay đổi khi bạn di chuyển về phía đông hoặc phía tây là thời gian trong ngày. Cứ mỗi 15° về phía đông, giờ địa phương sẽ tiến lên một giờ, và cứ mỗi 15° về phía tây, giờ địa phương sẽ lùi lại một giờ. Vì vậy, nếu bạn biết giờ địa phương và giờ GMT, bạn có thể sử dụng...máy bay phản lựcĐể tính toán kinh độ. Ngay cả khi không có đồng hồ, việc tìm giờ địa phương cũng rất dễ dàng: bạn chỉ cần quan sát vị trí của mặt trời. Nhưng cách duy nhất để biết giờ Greenwich là...Hãy mang theo một chiếc đồng hồ (đã được hiệu chỉnh).

John Harrison (1693-1776)

Ngày nay điều này có vẻ dễ dàng, nhưng cho đến gần đây, đây vẫn là một vấn đề lớn.Các đồng hồ hiện có quá nhạy cảm để mang lên tàu: việc lắc lư và chao đảo sẽ làm chúng hoạt động không chính xác.Việc các thủy thủ không thể xác định kinh độ đã dẫn đến những hậu quả thảm khốc. Một ví dụ là vụ đắm tàu ​​Scilly năm 1707, trong đó bốn tàu của Anh bị chìm gần quần đảo Scilly, rất gần cảng nhà Portsmouth. Do các thủy thủ không thể xác định vị trí chính xác của mình và trong điều kiện thời tiết xấu, các tàu đã đâm vào đá, khiến tới 2,000 người thiệt mạng và trở thành một trong những thảm họa hàng hải tồi tệ nhất trong lịch sử nước Anh.

Một số quốc gia, bao gồm Hà Lan và Tây Ban Nha, đã treo thưởng rất lớn cho bất cứ ai có thể giải quyết được vấn đề xác định kinh độ. Anh cũng làm theo vào năm 1714, treo thưởng lên tới 20,000 bảng Anh, và nhiều giải pháp khác nhau đã được đề xuất. Một người đàn ông có một con chó bị thương trên tàu, ông ta nói rằng nó sủa vào buổi trưa mỗi ngày theo giờ Greenwich nhờ một phương pháp chữa trị bí ẩn bằng thuật giả kim. Những người khác thì có cách tiếp cận khoa học hơn. Ví dụ, bằng cách so sánh vị trí của mặt trăng với vị trí của các ngôi sao khác và sau đó tham khảo một danh mục sao chi tiết, giờ địa phương có thể được xác định khá chính xác. Tuy nhiên, phương pháp này tốn thời gian và dễ xảy ra sai sót.

Cuối cùng, người chiến thắng giải thưởng lớn là một người đàn ông thuộc tầng lớp lao động đến từ Lincolnshire - một thợ mộc.John Harrison đã làm việc chế tạo đồng hồ hàng hải từ năm 1730, và hai chiếc đồng hồ mới nhất của ông đủ chính xác để đoạt giải thưởng. Tuy nhiên, vì Ủy ban Kinh độ từ chối trả toàn bộ giải thưởng, việc khiếu nại về giải thưởng trở thành một quá trình kéo dài. Ông đã kháng cáo lên Vua George III và sau đó lên Quốc hội để giải quyết vấn đề. "Nhân danh Chúa, Harrison, ta sẽ đảm bảo rằng ngươi được đối xử công bằng!" Vua George được cho là đã nói như vậy. Cuối cùng, Harrison đã nhận được số tiền còn lại vào năm 1773 cùng với những danh hiệu mà ông xứng đáng được nhận. Ông qua đời ba năm sau đó ở tuổi 83.

Ngoài ra, câu chuyện về vấn đề kinh độ còn được tìm thấy trong tác phẩm " của Dava Sobel"kinh độ"Cuốn sách cũng có phần miêu tả rất hay. Nếu bạn quan tâm, bạn có thể đọc nó."

Bài viết này được in lại từ "Viện Vật lý Marianne, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc", nơi ủng hộ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn và tác giả khi in lại. Nếu phát hiện vi phạm bản quyền, vui lòng liên hệ với chúng tôi để gỡ bỏ.