Figura 5.1 a: Acimut de una dirección de mira

Transcripción

1 Tema N 5 Determinación del Acimut de una dirección 5.1- Acimut de una dirección El acimut de una línea cualquiera es el ángulo que forma el meridiano del lugar con el plano vertical que contiene dicha línea, [Figura 5.1a]. Si consideramos las proyecciones de los planos verticales sobre el horizonte astronómico del observador, definimos al acimut de una línea o dirección como el ángulo horizontal que forma el plano del meridiano (o la línea meridiana Norte Sur) y el plano vertical que contiene a la línea de una dirección considerada. La dirección considerada puede materializarse mediante una mira. Figura 5.1 a: Acimut de una dirección de mira El objeto elegido como mira debe ser fijo, lejano y muy puntual. Por lo general se toma el foco o la punta de alguna antena que sea visible a la noche. Si estamos en el campo y no se cuenta con nada, deberemos materializar la mira nosotros mismos.

2 Sea el punto O la posición de un observador con coordenadas latitud y longitud conocidas, [Figura 5.1b], se definen sobre el plano horizontal los siguientes elementos: Figura 5.1b: Acimut de la Mira AM Mira dirección hacia un objeto fijo alejado. S dirección de un astro cualquiera. Lo origen de las lecturas horizontales del instrumento (valor de cero grados en el círculo graduado). AM acimut de la mira. Dirección que deseamos conocer. A acimut calculado a través de las observaciones del astro S. Ls ángulo horizontal medido del astro S. LM ángulo horizontal medido a la mira. De la [Figura 5.1b] puede deducirse la siguiente expresión: AM A LM Ls AM A + (LM Ls) (1) Analizando la ecuación (1) notamos que el problema consiste en hallar el acimut de cálculo A del astro observado. Para obtener A, trabajamos sobre el triángulo de posición, [Figura 5.1c]:

3 Aplicando el teorema del coseno: cos (90 - δ) cos (90 - ϕ) cos Z + + sen (90 - ϕ) sen Z cos (π - A) sen δ sen ϕ cos Z + cos ϕ sen Z (-cos A) Figura 5.1c: Triángulo de posición sen δ sen ϕ cos Z cos ϕ sen Z cos A Finalmente: cos A sen ϕ cos Z - sen δ (2) cos ϕ sen Z En la expresión (2) tenemos que ϕ es la latitud del lugar de observación (se supone conocida al menos aproximadamente), δ es la declinación del astro extraída de un catálogo o efemérides, interpolada para la fecha y hora de observación y, Z es la distancia cenital medida con el instrumento (corregida por refracción y paralaje). Como vemos, podemos conocer A midiendo solamente distancias cenitales. Con el valor calculado de A lo introducimos en la ecuación (1) para obtener el acimut de la mira AM buscado. Resumiendo, a través de la observación de un astro podemos calcular el acimut de una dirección cualquiera (AM). Este valor nos servirá para materializar la dirección de la línea meridiana en el punto de estacionamiento y, por lo tanto, conocer la posición del punto Sur, origen del sistema de coordenadas Horizontal Acimut de una dirección por medio de observaciones del Sol. No siendo el Sol un elemento puntual (ocupa aproximadamente medio grado), se deberá observar en forma doble tangenteando sus bordes con los hilos vertical y horizontal de la cruz de retículo instrumental, [Figura 5.2a].

4 Figura 5.2 a: Bisección del Sol en dos cuadrantes simétricos Es evidente que con una sola observación podríamos hacer el cálculo, corrigiendo las lecturas vertical y horizontal por el semi-diámetro del Sol (extraído de las efemérides). Pero logramos mejor precisión y nos aseguramos bisectar el centro del Sol realizando un par de mediciones en cuadrantes simétricos. Tomando los promedios hallaremos las lecturas reducidas al centro del astro y como si éste hubiese sido medido en el instante intermedio entre las dos posiciones. Las observaciones en los cuadrantes deben realizarse en el menor tiempo posible a fin de minimizar errores. En la práctica se efectúan lecturas de varios pares de observaciones en las dos posiciones del instrumento (círculo izquierdo I y círculo derecho II) Operaciones Prácticas La sucesión de operaciones para llevar a cabo las prácticas de las observaciones solares, utilizando un teodolito topográfico o astronómico provisto de un filtro solar es la siguiente: (1) Materialización del topocentro con una estaca. Estacionamiento y nivelación del instrumento. (2) Determinación del error de índice (ε) instrumental. Para ello se bisecta un punto alejado cercano al horizonte en las dos posiciones del teodolito. La suma de ambas lecturas verticales debería dar 360º pero, como el aparato no está libre de este error,

5 la diferencia en más o en menos corresponderá al doble del error. El error de índice deberá sumarse con su signo a cada lectura vertical que se realice. (3) Se elige una mira en un punto alejado para evitar errores de paralaje y se realiza la lectura horizontal de la misma en primera posición (o círculo izquierdo). (4) Bisección del Sol tangenteando los hilos. Se toma la hora al minuto para interpolar la declinación. Se hacen las lecturas vertical y horizontal completando al menos tres parejas. (5) Se finaliza la serie bisectando nuevamente la mira para leer su ángulo vertical. (6) Se gira el instrumento en posición II (vuelta de campana) y se repite la sucesión anterior. (7) Se completa la planilla de observación promediando las lecturas horizontales y verticales de cada pareja y se promedian las lecturas horizontales de mira para cada posición. (8) Se toma la presión y la temperatura Planilla de Observación La siguiente tabla es un ejemplo de una planilla con las observaciones realizadas en campaña.

6 La declinación del Sol debe emplearse en la fórmula (2) interpolada para el día y la hora promedio de la observación Cálculo de la Distancia Cenital La distancia cenital leída, que denotaremos con Z, es la lectura vertical leída (Lv) compensada por el error de índice (ε): Z Lv ± ε. A partir de esta medida leída, podemos calcular la distancia cenital verdadera (Z), afectándola de las siguientes correcciones: Z Z + Ro - p (3) donde: Z es la distancia cenital leída. Ro es la refracción. Se calcula como Ro Rn (1+A) (1+B), donde a su vez Rn es la refracción normal (Rn 60.4 tg Z ), A es un coeficiente en función de la temperatura y B es un coeficiente en función de la presión atmosférica en mm de Hg. p es la paralaje anual del Sol. Se calcula como p po sen Z, donde po es la paralaje normal y vale 8.8 Los valores de A y B tabulados son los siguientes : t C A Presión B La planilla de cálculo a continuación nos permite organizar la reducción de las observaciones.

7 Promedios Promedio 1 (Pareja 1 + Pareja 6) / 2 Promedio 2 (Pareja 2 + Pareja 5) / 2 Promedio 3 (Pareja 3 + Pareja 4) / 2 Promedio final (Promedio 1 + Promedio 2 + Promedio 3) / 3

8 Residuos V 1 Promedio final Promedio 1 V 2 Promedio final Promedio 2 V 3 Promedio final Promedio 3 Error Cuadrático Medio dónde: n es el número de parejas. ε cm 2 ΣVi n ( n 1) 5.3- Acimut de una dirección por medio de observaciones de estrellas. Cuando el astro utilizado es una estrella, la observación se simplifica notablemente por ser éstas un punto y facilitar en consecuencia su bisección. Para el cálculo, no se tiene en cuenta la corrección por paralaje anual ya que, a diferencia del Sol, se desprecia por tomar un valor muy pequeño. Pero la observación con estrellas implica la confección previa de un programa de estrellas que contenga los elementos de calaje para poder así ubicarlas en la esfera celeste. Además, las observaciones se complican por el hecho de trabajar en horario nocturno y tener que dar vuelta campana del teodolito con el consiguiente peligro de perder la estrella Condiciones más favorables para la observación Para la determinación del acimut de una dirección mediante observaciones con estrellas, encontraremos la posición en la esfera celeste para la cual los valores de latitud (ϕ) adoptada y la distancia cenital (Z) leída, influyan lo menos posible con sus errores. Vamos a calcular entonces la influencia de dichos errores en la determinación del acimut (A). Del triángulo de posición, [Figura 5.1c], podemos deducir la siguiente expresión: sen δ senϕ cos Z sen Z cos ϕ cos A (4)

9 Diferenciando la ecuación (4) respecto a ϕ, Z y A, y haciendo constar que podemos considerar que δ constante debido a que el valor extraído del catálogo tiene un error muy insignificante a los valores que establecemos para la latitud o la distancia cenital, es decir que dδ 0. 0 (cos ϕ cos Z + sen Z senϕ cos A) dϕ + ( senϕ ( sen Z) cos Z cos ϕ cos A) dz + + ( sen Z cos ϕ sen A) da 0 (cos ϕ cos Z + sen Z senϕ cos A) dϕ ( sen ϕ sen Z cos Z cos ϕ cos A) dz + + ( sen Z cos ϕ sen A) da sen Z cos ϕ sen A da ( sen ϕ sen Z + cos Z cos ϕ cos A) dz (cos ϕ cos Z + sen Z sen ϕ cos A) dϕ (5) + Sea el conocido triángulo de posición, [Figura 5.3a], aplicando el teorema de los cinco elementos al lado 90-δ tenemos: Figura 5.3 a: Triángulo de posición cos δ cos H cos ϕ cos Z + sen Z sen ϕ cos A (6) sen ( 90 δ ) cosq sen Z cos (90 ϕ) sen (90 ϕ) cos Z cos ( π A) cos δ cos Q sen Z senϕ + cos ϕ cos Z cos A (7)

10 Del teorema del seno: sen (90 ϕ) sen Q sen (90 δ ) sen ( π A) sen A cos ϕ cos δ sen Q (8) Reemplazando (6), (7) y (8) en (5) obtenemos: sen Z cos δ sen Q da cos δ cos Q dz cos δ cos H dϕ da cos δ cos Q dz sen Z cos δ sen Q cos δ cos H dϕ sen Z cos δ sen Q da dz cos H dϕ (9) sen Z tg Q sen Z sen Q Para que la influencia de los errores cometidos en ϕ y Z sean mínimos, debemos buscar que el da sea lo más chico que se pueda. Para que esto último suceda, tenemos que hacer pequeñas las fracciones que constituyen el segundo miembro de la ecuación diferencial (9). Entonces, es necesario que sus denominadores sean lo más grande posible. Prescindiendo de las consideraciones que podemos hacer respecto al ángulo horario H y la distancia cenital Z, los dos denominadores serán máximos cuando el ángulo paraláctico Q 90º, en cuyo caso la tg Q y el sen Q 1. Es decir que para la determinación del acimut A es conveniente hacer las observaciones en el momento en que el ángulo paraláctico vale 90º, o sea en máxima elongación. Los elementos de calaje que nos permitirán ubicar las estrellas a observar deberán elegirse de acuerdo a la condición de máxima elongación vista en el Tema correspondiente: tg ϕ sen ϕ cos δ cos H, cos Z, sen A tg δ sen δ cos ϕ

11 En la práctica conviene observar estrellas a uno y otro lado del meridiano del lugar. Vale decir, al este y al oeste del meridiano Selección de estrellas Para conocer la ascensión recta (α) de las estrellas que se encuentren elongando, partimos de la fórmula del tiempo sidéreo θl α + H. Considerando las posiciones al este y al oeste con los signos correspondientes tendremos: θl α + H (para estrellas al oeste), θl α - H (para estrellas al este). A partir de la elección de una hora (HOA) del comienzo de las observaciones, la transformo en tiempo sidéreo (θl). Como cos H tg ϕ/tg δ y la declinación debe ser grande para que la estrella sea circunpolar (δ -60º), considerando además que para nuestra localización geográfica la latitud ϕ -31º 30, entonces: cos H tg -31º/tg -60º 4 h 30 m. Por lo tanto, será muy conveniente tomar valores para el ángulo horario H entre 4 h y 4 h 30 m. Finalmente, para estrellas al oeste del meridiano será α w θl 4 h y para estrellas al este del meridiano será α E θl + 4 h. Para calcular los elementos de calaje basta trabajar con los ángulos al minuto. Una vez estacionado el teodolito, nivelado y calculado su error de índice, se reproduce en el círculo vertical el Z de calaje y en el círculo horizontal el A de calaje. Por último, esperamos la hora de pasaje de la estrella. Si los elementos de calaje están bien calculados, las estrellas entrarán en el campo de visión del ocular, no necesariamente por el centro. Con el movimiento fino horizontal deberé llevar el hilo vertical coincidente con la estrella. Para colocar el calaje A, el cero del instrumento debe estar en el sur, es decir que el teodolito debe tener la dirección de la línea meridiana previamente determinada con algunos minutos de arco de error. Esto último debe haberse logrado con un acimut con Sol. El acimut por estrellas es mucho más preciso que el logrado con determinaciones del Sol o cualquier otro método.

12 Planilla de Observación La siguiente tabla es un ejemplo de una planilla con las observaciones realizadas en campaña. La planilla de cálculo es la misma que para el acimut con Sol, pero en este caso sin considerar la paralaje (Z Z + Ro). Una vez obtenidos los seis valores de acimutes de la mira, se promedian y se determina el error cuadrático medio de la misma manera que con las observaciones con Sol.