APARATE OPTICE DE OBSERVARE, URMĂRIRE sI TRASARE
Daca în capitolul II am prezentat microscopia optica, cu ajutorul careia oamenii de stiinta au descifrat tainele microuniversului, in acest capitol voi prezenta aparatele optice proiectate si construite în scopul patrunderii în tainele macrouniversului. Astfel, lumea materiala, de la micro la macro, nu a mai reprezentat o enigma pentru oameni, ci a început sa se dezvaluie cu pasi lenti în toata maretia si imensitatea ei.
Lunetele si telescoapele. Istoric
În cele ce urmeaza vom descinde în istorie pentru a arata preocuparile omenirii de a cunoaste, a cerceta si studia obiectele aflate la distante foarte mari de ei.
Conform arhivelor de la Haga, prima cercetare de brevet pentru, luneta este datat& 20220m1220u #259; la 2 octombrie 1608 si a fost înaintata de constructorul de lentile si ochrlari Hans Lippershey(1587-1619), fiind imediat contestata de colegii sai de breasla Iacob Adriaans Zoon si Zacharias Jansen. Dreptul de brevet solicitat de Lippershey a fost refuzat. Cu toate acestea lunetele olandeze au fost vândute la Paris, Londra, Milano si Padova.
Galileo Galilei (1564-1642), astronom, matematician si fizician italian, profesor la Universitatile din Pisa si Padova este considerat fondatorul stiintelor exacte si al metodelor stiintifice moderne.
Galileo Galilei s-a impus contemporanilor sai prin realizarea primelor lunete de interes practic(1609) si prin descoperirile uluitoare facute cu acestea, începând cu 7-15 ianuarie 1610, când omenirea a putut observa, în fine ,bolta cereasca în dimensiunile ei.
El a auzit de lunetele olandeze abia în mai 1609, pe când era profesor de matematica la Padova si înca nu se ocupase de cercetari în optica. Lunetele olandeze erau rudimentare si nu depaseau o marire de trei ori, având un obiectiv convergent si un ocular divergent. Galilei a construit prima luneta executând doua lentile, una concava si alt convexa, pe care le-a montat într-un tub de orga, obtinând o marire de patru ori, de douazeci de ori si în final de treizeci de ori.
În august 1609 el a prezentat Senatului din Venetia luneta, cu ajutorul careia s-au putut observa: cei doi sateliti principali ai lui Jupiter(trei în noapte de 7 ianuarie, iar al treilea în noaptea de 13 ianuarie), un veritabil sistem copernican în miniatura(orbitele acestor sateliti se afla în planul ecuatorial al lui Jupiter, având semiaxele de câteva diametre ale acestei planete si perioadele de revolutie în jurul ei de ordinul zilelor), muntii, vaile si craterele lunare, inelul lui Saturn, fazele planetei Venus, petele si rotatia Soarelui si structura stelara a Caii Lactee.
Fig. 3.1
3.1.2Telescoape de vizare
Telescoapele de vizare sunt utilizate pentru determinarea unghiurilor azimutal si meridional ale unui obiect si pot fi montate si la alte aparate.
Principiul de functionare al unui aparat de vizare este prezentat în urmatoarea figura:
Fig. 3.11
Marirea telescopului este data de relatia:
(4), unde a -
distanta de la planul focal al obiectivului la planul lentilei redresoare;
b - distanta de la planul focal al ocularului la planul lentilei redresoare.
Marire "m" a telescopului depinde de pozitia lentilei redresoare. Daca a=b, atunci relatia (4) devine relatia (1).
Urmarind mersul razei principale de lumina în telescop, constatam ca aceasta intersecteaza axa optica, dupa ce a fost refractata de lentila redresoare, într-un punct aflat la distanta x de focarul obiect al lentilei ocular si, a doua oara, într-un punct aflat la distanta x de focarul imagine al lentilei ocular.
Relatia dintre x, x si f2(distanta focala a ocularului)este: x x = f2.
De regula telescopul se proiecteaza în asa fel încât x si x sa fie egale. În aceasta situatie, imaginii pupilei de intrare, îi corespunde o marire egala cu unitatea.
Pe lânga telescoapele de vizare directa, exista si telescoape de vizare, cu vizare reflexa, al caror principiu este redat în figura urmatoare:
Fig. 3.12
Divizorul de fascicul are rolul de a devia fasciculul colimat catre ochiul observatorului, imaginea reticulului suprapunându-se peste imaginea obiectivului.
3.1.3 Telescoape panoramice
Telescoapele panoramice au proprietatea de a pastra o imagine dreapta, indiferebt daca linia de vedere este directionata catre fata sau spatele observatorului.
Partea superioara a telescopului poate fi rotita continuu, observatorul ramânând în pozitie fixa.
În figura de mai jos este prezentat principiul de funtionare al unui telescop panoramic mai vechi:
Fig. 3.13
Sistemul lui optic are în componenta: o fereastra de intrare, o prisma de reflexie cu marginile rotunjite, o prisma Dove rotitoare, o lentila obiectiv, o prisma Amici, un reticul si un ocular.
Prisma de reflexie poate fi rotita în plan orizontal de la 0o la 360o astfel încât, pentru a pastra imaginea fixa, prisma Dove trebuie rotita cu o viteza de doua ori mai mare.
Ulterior telescoapele panoramice au fost modificate din cauza erorilor care apareau.
Fig. 3.14
Marirea unui telescop poate fi modificata în trepte sau continuu, prin diferite metode: prin înlocuirea ocularului cu un altul având distanta focala diferita sau prin asezarea în fata unui telescop de putere mare a unui telescop Galilei.
3.1.4Telescoape astronomice
Telescoapele astronomice sunt constituite dintr-o oglinda principala si dintr-un subsistem optic secundar, care ajuta la focalizarea luminii conform scopului dorit.
Subsistemul optic secundar poate fi o singura oglinda sau mai multe oglinzi si mai multe componente de transmisie a luminii.
La proiectarea unui telescop astronomic trebuie sa se tina cont de obtinerea a cel putin o pozitie focala cu rezolutia foarte buna, cu un câmp de vedere rezonabil si fara componente de transmisie a luminii în calea parcursului optic.
Exista mai multe modele optice de telescoape asttronomice. Primele dintre ele aveau dimensiuni mici si au fost prezentate în prima parte a acestui capitol (Gregory, Newton, Cassegrain, Schmidt, Maksutov).
Ulterior au fost construite si telescoape de dimensiuni mari(Hadlez, Herschel), numai ca proiectarea si constructia lor implicau mari dificultati, legate atât de obtinerea unor componente optice de dimensiuni mari si de foarte buna calitate, cât si de asamblarea componentelor optice si mecanice. Unele limite au fost impuse chiar de atmosfera terestra. Radiatia obiectelor astronomice cu lungimea de unda mai mica decât cca 300nm, este absorbita de ozonul si oxigenul molecular din atmosfera. Atenuarea intensitatii radiatiei are loc si pentru lungimi de unda mai mari de 300nm. Evitarea restrictiilor impuse de atmosfera terestra este posibila în prezent datorita satelitilor artificiali si navelor cosmice care pot transporta telescoape în afara atmosferei terestre.
Oglinzile din componenta telescoapelor nu prezinta aberatia cromatica, iar imaginile care se formeaza prin ele nu depind de frecventa radiatiei optice, de aceea ele reprezinta componentele optice cu puterea cea mai mare. Ele pot fi construite din materiale opace, metalice sau din fibra optica.
Componentele optice, ale telescopului, care transmit lumina sunt construite din materiale transparente(stical optica, cristale optice, etc.). Nu este recomandata folosirea componentelor de transmisie la un telescop astronomic, deoarece sticla optica de calitate foarte buna poate fi obtinuta numai sub forma unor corpuri de dimensiuni mai mici de 1m, iar absorbtia din UV si aberatia cromatica limiteaza performantele telscopului.
Materialele optice transparente folosite sunt: sticla optica pyrex, care permite obtinerea unor oglinzi cu diametrul de cca 2m si sticla ceramica.
Cele mai potrivite materiale metalice opace pentru construirea componentelor optice sunt: invorul, beriliul si aluminiul.
Invorul este un aliaj de fier si nichel, având coeficient de dilatare mic, apropiat de cel al sticlei de cuart topit. Fiind mai usor de prelucrat este preferat sticlei de cuart topit pentru constructia oglinzilor, dar prezinta si dezavantajul ca, având o densitate foarte mare(8600kg/m3), oglinzile de dimensiuni mari au greutati mari.
Beriliul are o densitate mica(1900kg/m3), dar prezinta dezavantajul ca are un coeficient de dilatare mare, mai mare decât al celorlalte materiale optice prezentate.
Aluminiul este folosit cu succes pentru confectionarea oglinzilor telescopice, atât datorita pretului de cost redus, cât si datorita proprietatilor sale.
Telescoapele pot fi montate în mai multe moduri, alegerea unui tip de montaj depinzând de functiile pe care trebuie sa le îndeplineasca telescopul, de latitudinea observatorului, de metodele de acces ale observatorului la diferite pozitii focale, etc.
Tipul de montaj folosit, în mod traditional, a fost cel ecuatorial, care asigura miscarea întregului aparat în functie de doua axe, una paralele cu axa de rotatie a Pamântului, numita axa polara, iar cealalta perpendiculara pe cea polara, numita axa de declinatie. Îm raport cu axa polara, montajul ecuatorial poate fi simetric sau asimetric.
Aparatele optice folosite pentru studierea si observarea coroanei solare se numesc coronografe.
Limita de observatie cu coronografe este impusa de lumina împrastiata, ceea ce determina plasarea aparatelor la altitudini mari, departe de sursele poluante.
În timpul eclipselor solare luminozitatea cerului este de aproximativ 109 ori mai mica decât cea a Soarelui, putându-se face observatii asupra coroanei exterioare.
Coronografele prezinta dezavantajul aparitiei luminii împrastiate an interiorul lor. Exista cinci cauze care determina aparitia luminii împrastiate:
3.3 Aparate optice pentru masuratori liniare si unghiulare
Constructia telescoapelor si gradul de perfectionare al acestora au dat posibilitatea construirii unor aparate optice utilizate pentru calcularea distantelor dintre anumite repere fixe sau mobile, pentru a determina pozitia unui obiect fata de un punct, pentru a determina traiectoria unui mobil sau pentru a calcula unghiurile dintre directiile de observare.
Aparate optice pentru masuratori liniare
Masuratorile optice liniare pot fi atât masuratori pe orizontala, cât si pe verticala.
Metodele de masurare pe orizontala sunt:
3.3.2 Aparate optice utilizate pentru masuratori unghiulare
Pentru masurarea unghiurilor orizontale sau verticale, cel mai des, se foloseste nivelmetrul. Sistemul optic al aparatului este constituit dintr-un telescop care poate fi rotit, prin intermediul unor articulatii mecanice mobile atât în plan orizontal, cât si în plan vertical, unghiurile de rotatie citindu-se pe niste cercuri gradate.
În Europa nivelmetrul este cunoscut sub numele de teodolit si poate masura unghiuri de câteva secunde de arc.
Deosebirea dintre nivelmetru si teodolit este aceea ca la nivelmetru citirile se fac cu ajutorul unui vernier, iar la teodolit citirile se fac optic.
Pentru masurarea unghiurilor verticale se folosesc sextantul si astrolabul.
Sextantul este un aparat utilizat în navigatie pentru a masura unghiul pe care Soarele sau un alt corp ceresc îl face cu orizontala (se tine de regula în mâna), valoarea unghiului permitând determinarea pozitiei navei pe suprafata Pamântului.
Astrolabul este utilizat pentru stabilirea exacta a momentului de timp la care corpul ceresc folosit pentru orientarea vaporului se afla la exact 600 deasupra orizontului. El are în componenta un telescop mic, în fata caruia se afla o prisma.
Pentru a observa si urmarii obiectele aflate în miscare rapida în spatiu, rachetele, avioanele cu reactie, etc, în trecut se foloseau aparatele echipate cu sisteme optice de tipul celor folosite în cazul teodolitului, iar în prezent se folosesc sisteme foarte complexe în care informatiile optice sunt prelucrate electronic.
|
