Kwadrant i Słońce widziane z Fromborka

Obserwatorium Mikołaja Kopernika

 

Mikołaj Kopernik najpewniej czuł się opisując świat językiem matematyki, więc żeby przejść od opisu jakościowego do opisu ilościowego, opartego na liczbach, potrzebne mu były wyniki pomiarów. Stąd interesowały go zjawiska, które miały mierzalne cechy, takie którym można przypisać wielkości fizyczne. Z kolei wielkość fizyczna to liczba i jednostka miary. Kopernik najczęściej używał w swojej pracy jednostek miary kąta, czyli stopni, minut i sekund. Kąty służyły mu do określenia odległości między obiektami na sferze nieba.

Dlaczego podawał odległości za pomocą kątów? Planety i gwiazdy są dla nas tak bardzo odległe, że stojąc pod rozgwieźdzonym niebiem, wszystkie zdają się być przytwierdzone do powierzchni wyimaginowanej sfery. Jest to wynik niedoskonałości naszej percepcji - widzimy sferę, ale promień tej sfery jest niemierzalny. Obserwator znajduje się w środku sfery nieba i wodząc po niej wzrokiem, zakreśla w przestrzeni kąt, którego wierzchołkiem jest on sam. Wielkość kąta zależy tylko od wzajemnej odległości obiektów na sferze, między którymi został rozpostarty. Stąd używanie kątów jest naturalnym i praktycznym sposobem opisu wielu zjawisk zachodzących na niebie.  Dzisiaj potrafimy tworzyć trójwymiarowe modele bliskiego i odległego kosmosu, ale pojęcie sfery niebieskiej ciągle jest wykorzystywane, bo ułatwia orientację na niebie z punktu widzenia obserwatora na Ziemi. 

woszczyk

Przedstawienie kwadrantu z ,,Instrumenty Kopernika, a narzędzia współczesnej astronomii'' A. Woszczyka, 1973 

Szczególne miejsce w obserwacjach Kopernika zajmowało Słońce i to tylko badaniom położenia Słońca na sferze nieba dedykowany był jeden z jego instrumentów, czyli kwadrant. Sercem instrumentu był gnomon, lub jak to określił sam Mikołaj Kopernik - wskazówka walcowa. Wskazówka była trwale przymocowana do płaskiej, drewnianej tablicy ustawionej prostopadle do płaszczyzny horyzontu. Na tablicy Kopernik zakreślił fragment okręgu, w taki sposób, aby jego środek pokrywał się z miejscem mocowania wskazówki, a na okręgu umieścił skalę kątową.

plin

Kwadrant ścienny w Parku Nauki w Grenadzie, Hiszpania 

 

Pomiar kwadrantem polegał na określeniu położenia środka słonecznego cienia rzucanego przez wskazówkę na podziałkę skali. Kwadrant służył Kopernikowi do wyznaczania wysokości Słońca nad horyzontem. Początek skali (czyli zero) musiał być zatem tam, gdzie cień padałby przy wysokości Słońca równej dokładnie zero stopni. W praktyce wystarczy założenie, że wskazówka walcowa i początek skali muszą znajdować się w płaszczyźnie horyzontu.

pavimentum

Rekonstrukcja pavimentum z pracy Janusza Pagaczewskiego, 1964. Środkiem płyty przebiega metalowy pręt, wyznaczający kierunek południa. Z tym prętem kwadrant tworzył kompletną konstrukcję, gotową do obserwacji.

 

Aby temu zadośćuczynić starannie wykonany, bardzo stabilny instrument był stawiany na idealnie wypoziomowanej płycie, czyli kopernikowym pavimentum. Fundamentalne obserwacje Kopernik wykonywał kwadrantem wielokrotnie w latach 1515 i 1516, a rozpoczął je nie wczesniej jak w 1512 roku. Przerwał je wyjazd do Olsztyna związany z objęciem późną jesienia 1516 roku, obowiązków administratora dóbr kapituły warmińskiej. Kopernikański oryginał kwadrantu został zapewne spalony przez Krzyżaków podczas napadu na Frombork w 1520 roku. Kopernik nie zabrał go ze sobą do Olsztyna, bo prawdopodobnie był on organiczną częścią jego fromborskiego obserwatorium i tylko tu nadawał się do obserwacji.

t

Tycho Brahe razem ze swoimi pomocnikami obserwuje Słońce za pomocą kwadrantu ,,Astronomiae instaurata mechanica'', 1598 

 

Wysokość Słońca nad horyzontem to jeszcze za mało, aby Kopernik mógł dojść do konkretnych wniosków. Aby oddzielić pozorny ruch dzienny Słońca od ruchu rocznego i zająć się opisem tylko ruchu rocznego, skupił się na pomiarach wysokości Słońca, gdy ta była największa w ciągu dnia, czyli gdy Słońce przechodziło przez południk.

Ruch roczny Słońca jest podstawą dla opracowania kalendarza, co szczególnie absorbowało Kopernika w tamtych latach. Ze zwykłego doświadczenia wiadomo, że Słońce w momencie górowania osiąga inną wysokość nad horyzontem w zależności od pory roku. Używając kwadrantu możemy te zmiany bardzo dokładnie prześledzić i opisać. W szczególności pozwala on zmierzyć dwie skrajne wartości, czyli wysokości Słońca w południku podczas przesilenia letniego i zimowego, które dla Fromborka wynoszą odpowiednio h_min=12deg i h_max=59deg. Połowa różnicy tych dwóch wartości wynosi 23,5 stopnia, czyli dokładnie tyle ile nachylenie osi obrotu Ziemi względem płaszczyzny orbity. Ta wartość była znana już w starożytności, Klaudiusz Ptolemeusz, za pomocą bardzo podobnego instrumentu wyznaczyć bardzo podobną wartość już w II wieku n.e. Jednak przed Kopernikiem nikt nie zdawał sobie sprawy, że Ziemia jest planetą, a wartość ta i zmiany wysokości Słońca w momencie górowania wynikają z nachylenia osi obrotu Ziemi do płaszczyzny orbity, czyli jej drogi wokół Słońca.

 Z kolei połowa sumy tych dwóch skrajnych wartości, czyli 35.5 deg pozwala wyznaczyć szerokość geograficzną Fromborka 90deg - 35.5 deg = 54.5deg. Znajomość szerokości geograficznej była potrzebna Kopernikowi w trakcie nocnych obserwacji, przy użyciu pozostałych instrumentów.

gnomon

Udoskonalona wersja kwadrantu Ptolemeusza. Kalibracja przebiega za pomocą sznurka napiętego przez ciężarek. Gdy cienie rzucane przez dwie wskazówki się zbiegną, można z położenia sznurka na skali wyznaczyć wysokość Słońca 

 

W podrozdziale "O pochyłości ekliptyki, o oddaleniu zwrotników i sposobie ich dochodzenia", Kopernik tak opisuje obserwacje kwadrantem:

 

,,Ponieważ koło ekliptyki miedzy zwrotnikami ukośnie względem równika przechodzi, uważam za rzecz potrzebną, wynaleźć oddałenie od siebie zwrotników, a stąd i wielkość kąta pochyłości równika do ekliptyki wyznaczyć.

 Musimy dochodzić tego zmysłami i za pomocą narzędzi przede wszystkim wypada przygotować kwadrat z drzewa lub z innego twardego materiału, z kamienia lub metalu, ażeby przypadkiem przez odmiane powietrza niestateczne drzewo nie przyprawiło o pomyłkę spostrzegacza. Jedna ściana kwadratu ma być jak najdokładniej wygładzona i szerokość mieć dostateczną do nakreślenia podziałki, jak na przykład trzy lub cztery łokcie. Wierzchołek jednego z kątów wziąwszy za środek, zakreśla się stosownie do jego obszerności czwartą część okregu koła, i tę dzieli się na 90 równych stopni, te znowu na 60 minut lub ile ich zmieścić można. Potem to w środku utwierdza się wskazówka walcowa, jak najdokładniej wytoczona, aby prostopadle do owej powierzchni nieco  na długość palca lub mniej wystawała.

[...] Następnie w dniach letniego i zimowego stanowiska słońca uważajmy cień w południe od owej wskazówki, czyli walca rzucony, używszy do tego jakiej rzeczy przy łuku ćwiartki koła, ażeby pewniej uchwycić miejsce cienia, i naznaczmy jak najdokładnie środek cienia w stopniach i minutach. Gdy to wykonamy, łuk koła objęty między dwoma cieniami naznaczonymi w stanowisku słońca letnim, i zimowym, wskaże nam odległość zwrotników, a razem podwójną pochyłość ekliptyki, które wziąwszy połowę, otrzymamy oddalenie samych zwrotników od równika i poznamy wielkość kąta nachylenia równika do koła idącego środkiem znaków zwierzyńcowych''

 

Mikołaj Kopernik "O obrotach" księga II, rozdział 2   

 

W pewnym stopniu instrument ten przypomina bliższe naszym czasom instrumenty przejściowe, jak instrument Bamberga stojący w recepcji w Parku Astronomicznym we Fromborku. Pozwalał bowiem na pomiar wysokości Słońca w momencie jego górowania w dowolnym dniu. Gdyby był dodatkowo wyposażony w urządzenie przeziernikowe, mógłby służyć do wyznaczania wysokości gwiazd w momencie ich przechodzenia przez południk.

 

mural

Kwadrant Jamesa Bradley'a z 1750 roku, Narodowe Muzeum Morskie, Greenwich, Londyn (więcej o tej postaci można przeczytać przy instrumencie przejściowym w recepcji Parku Astronomicznego we Fromborku) 

 

 

Chciałbyś otrzymywać powiadomienia o nowościach na stronie? Zostaw maila niżej.
©{2019} Tata Astronom. Wszelkie prawa zastrzeżone. Strona stworzona w oparciu o JoomShaper.

Search


Warning: "continue 2" targeting switch is equivalent to "break 2". Did you mean to use "continue 3"? in /plugins/system/helix3/core/classes/Minifier.php on line 227