Teodolito - Theodolite

Um teodolito de leitura direta, fabricado na União Soviética em 1958 e usado para levantamentos topográficos
Um aluno usando um teodolito em campo

Um teodolito / θ i ɒ d ə l t / é um instrumento óptico de precisão para a medição de ângulos entre os pontos visíveis designados nas horizontais e verticais aviões. O uso tradicional tem sido para levantamento topográfico , mas eles também são usados ​​extensivamente para construção de edifícios e infraestrutura , e algumas aplicações especializadas, como meteorologia e lançamento de foguetes .

Ele consiste em um telescópio móvel montado de forma que possa girar em torno de eixos horizontais e verticais e fornecer leituras angulares. Eles indicam a orientação do telescópio e são usados ​​para relacionar o primeiro ponto avistado através do telescópio aos avistamentos subsequentes de outros pontos da mesma posição do teodolito. Esses ângulos podem ser medidos com precisões de até microrradianos ou segundos de arco . A partir dessas leituras, um plano pode ser desenhado ou objetos podem ser posicionados de acordo com um plano existente. O teodolito moderno evoluiu para o que é conhecido como uma estação total, onde ângulos e distâncias são medidos eletronicamente e lidos diretamente na memória do computador.

Em um teodolito de trânsito , o telescópio é curto o suficiente para girar em torno do eixo do munhão , girando o telescópio através do plano vertical através do zênite ; para instrumentos que não sejam de trânsito, a rotação vertical é restrita a um arco limitado.

O nível óptico às vezes é confundido com um teodolito, mas não mede ângulos verticais e é usado apenas para nivelamento em um plano horizontal (embora muitas vezes combinado com medições de direção e alcance horizontal de precisão média).

Princípios de operação

Os eixos e círculos de um teodolito
Diagrama de um teodolito de leitura óptica

Preparação para fazer avistamentos

Ajustes temporários são um conjunto de operações necessárias para tornar um teodolito pronto para fazer observações em uma estação. Isso inclui sua configuração, centralização, nivelamento e eliminação de paralaxe, e são alcançados em quatro etapas:

  • Montagem: fixação do teodolito em um tripé com nivelamento aproximado e centralização sobre a marca da estação.
  • Centralização: trazer o eixo vertical do teodolito imediatamente sobre a marca da estação usando uma placa de centralização também conhecida como base nivelante .
  • Nivelamento: nivelamento da base do instrumento para tornar o eixo vertical vertical, geralmente com um nível de bolha embutido.
  • Focagem: removendo o erro de paralaxe através da focalização adequada da objetiva e da ocular. A ocular requer ajuste apenas uma vez na estação. O objetivo será redirecionado para cada avistamento subsequente desta estação devido às diferentes distâncias ao alvo.

Avistamentos

As observações são tomadas pelo agrimensor, que ajusta a orientação angular vertical e horizontal do telescópio de modo que as linhas cruzadas alinhar com o ponto de visionamento desejado. Ambos os ângulos são lidos em escalas expostas ou internas e registrados. O próximo objeto é então avistado e registrado sem mover a posição do instrumento e do tripé.

As primeiras leituras angulares eram de escalas abertas de nônio diretamente visíveis a olho nu. Gradualmente, essas escalas foram fechadas para proteção física e, finalmente, tornaram-se uma leitura óptica indireta, com caminhos de luz complicados para levá-los a um local conveniente no instrumento para visualização. Os teodolitos digitais modernos possuem displays eletrônicos.

Erros na medição

Erro de índice
Os ângulos no eixo vertical devem ler 90 ° (100 grad ) quando o eixo de visão é horizontal, ou 270 ° (300 grad) quando o instrumento é transitado. Metade da diferença entre as duas posições é chamada de erro de índice. Isso só pode ser verificado em instrumentos de trânsito.
Erro de eixo horizontal
Os eixos horizontal e vertical de um teodolito devem ser perpendiculares; caso contrário, existe um erro de eixo horizontal. Isso pode ser testado alinhando a bolha de espírito tubular paralela a uma linha entre dois parafusos de pé e definindo a bolha central. Um erro de eixo horizontal está presente se a bolha sair do centro quando a bolha de espírito tubular for invertida (girada em 180 °). Para ajustar, o operador remove metade da quantidade de bolha vazada usando o parafuso de ajuste e, em seguida, nivela, testa e refina o ajuste.
Erro de colimação
O eixo óptico do telescópio também deve ser perpendicular ao eixo horizontal. Caso contrário, existe um erro de colimação.

O erro de índice, o erro do eixo horizontal (erro do eixo do munhão ) e o erro de colimação são determinados regularmente pela calibração e são removidos por ajuste mecânico. A sua existência é tida em consideração na escolha do procedimento de medição, a fim de eliminar o seu efeito nos resultados da medição do teodolito.

História

Contexto histórico

Grande teodolito de Jesse Ramsden de 1787
Um teodolito de 1851, mostrando a construção aberta e as escalas de altitude e azimute que são lidas diretamente
Um teodolito do tipo de trânsito com círculos de seis polegadas, fabricado na Grã-Bretanha ca. 1910 por Troughton & Simms
Teodolito Wild T2 originalmente projetado por Heinrich Wild em 1919

Antes do teodolito, instrumentos como o groma , o quadrado geométrico e o dioptra , e vários outros círculos graduados (ver circunferentor ) e semicírculos (ver grafômetro ) eram usados ​​para obter medidas de ângulo vertical ou horizontal. Com o tempo, suas funções foram combinadas em um único instrumento que podia medir os dois ângulos simultaneamente.

Teodolito selvagem seccionado mostrando os caminhos de luz complexos para leitura óptica e a construção fechada

A primeira ocorrência da palavra "teodolito" é encontrada no livro de pesquisa Uma prática geométrica chamada Pantometria (1571) de Leonard Digges . A origem da palavra é desconhecida. A primeira parte do novo latim theo-delitus pode derivar do grego θεᾶσθαι , "ver ou olhar atentamente para" A segunda parte é frequentemente atribuída a uma variação não acadêmica da palavra grega: δῆλος , que significa "evidente" ou "claro" , Outras derivações neolatinas ou gregas foram sugeridas, bem como uma origem inglesa de "a alidade "

Os primeiros precursores do teodolito às vezes eram instrumentos de azimute para medir ângulos horizontais, enquanto outros tinham uma montagem altazimute para medir ângulos horizontais e verticais. Gregorius Reisch ilustrou um instrumento altazimute no apêndice de seu livro de 1512 Margarita Philosophica . Martin Waldseemüller , topógrafo e cartógrafo, fez o dispositivo naquele ano chamando-o de polimetrum . No livro de Digges de 1571, o termo "teodolito" foi aplicado a um instrumento para medir apenas ângulos horizontais, mas ele também descreveu um instrumento que mede a altitude e o azimute, que ele chamou de instrumento topográfico [ sic ]. Possivelmente, o primeiro instrumento que se aproxima de um verdadeiro teodolito foi o construído por Joshua Habemel em 1576, completo com bússola e tripé. 1728 Cyclopaedia compara " grafômetro " para "half-teodolito". Ainda no século 19, o instrumento para medir ângulos horizontais era chamado apenas de teodolito simples e o instrumento altazimute, de teodolito simples .

O primeiro instrumento a combinar as características essenciais do teodolito moderno foi construído em 1725 por Jonathan Sisson . Este instrumento tinha uma montagem altazimute com um telescópio de mira. A placa de base tinha níveis de bolha, bússola e parafusos de ajuste. Os círculos foram lidos em escala vernier .

Desenvolvimento do teodolito

O teodolito se tornou um instrumento moderno e preciso em 1787, com a introdução do famoso grande teodolito de Jesse Ramsden , que ele criou usando um mecanismo de divisão muito preciso de seu próprio projeto. Os instrumentos de Ramsden foram usados ​​para a principal triangulação da Grã-Bretanha . Nessa época, os instrumentos da mais alta precisão eram feitos na Inglaterra por fabricantes como Edward Troughton . Mais tarde, os primeiros teodolitos alemães práticos foram feitos por Breithaupt junto com Utzschneider , Reichenbach e Fraunhofer .

Com o avanço da tecnologia, o círculo parcial vertical foi substituído por um círculo completo, e os círculos verticais e horizontais foram graduados com precisão. Este foi o teodolito de trânsito . Este tipo de teodolito foi desenvolvido a partir de instrumentos astronômicos de trânsito do século 18 usados ​​para medir a posição precisa das estrelas. A tecnologia foi transferida para os teodolitos no início do século 19 por fabricantes de instrumentos como Edward Troughton e William Simms e se tornou o design de teodolito padrão. O desenvolvimento do teodolito foi estimulado por necessidades específicas. Na década de 1820, o progresso dos projetos nacionais de pesquisa, como o Ordnance Survey na Grã-Bretanha, produziu uma exigência de teodolitos capazes de fornecer precisão suficiente para a triangulação e o mapeamento em grande escala. A Survey of India neste momento produziu um requisito para instrumentos mais robustos e estáveis, como o Everest padrão teodolito com o seu centro de gravidade mais baixo.

Engenheiros ferroviários que trabalharam na década de 1830 na Grã-Bretanha comumente se referiam a um teodolito como "Trânsito". A década de 1840 foi o início de um período de rápida construção ferroviária em muitas partes do mundo, o que resultou em uma alta demanda por teodolitos onde quer que as ferrovias estivessem sendo construídas. Também era popular entre os engenheiros ferroviários americanos que se dirigiam para o oeste e substituiu a bússola da ferrovia , sextante e octante . Os teodolitos foram posteriormente adaptados a uma ampla variedade de montagens e usos. Na década de 1870, uma interessante versão do teodolito à base de água (usando um dispositivo de pêndulo para neutralizar o movimento das ondas) foi inventada por Edward Samuel Ritchie . Foi usado pela Marinha dos Estados Unidos para fazer os primeiros levantamentos de precisão de portos americanos nas costas do Atlântico e do Golfo.

No início dos anos 1920, uma mudança radical no projeto do teodolito ocorreu com a introdução do Wild T2 feito por Wild Heerbrugg . Heinrich Wild projetou um teodolito com círculos de vidro divididos com leituras de ambos os lados apresentadas em uma única ocular perto do telescópio para que o observador não precisasse se mover para lê-las. Os instrumentos Wild não eram apenas menores, mais fáceis de usar e mais precisos do que os rivais contemporâneos, mas também protegidos da chuva e da poeira. Os topógrafos canadenses relataram que, embora o Wild T2 com círculos de 3,75 polegadas não fosse capaz de fornecer a precisão para a triangulação primária, era igual em precisão a um design tradicional de 12 polegadas. Os instrumentos Wild T2, T3 e A1 foram feitos por muitos anos.

Em 1926, uma conferência foi realizada em Tavistock em Devon , Reino Unido, onde os teodolitos selvagens foram comparados aos britânicos. O produto Wild ultrapassou os teodolitos britânicos, então fabricantes como Cooke, Troughton & Simms e Hilger & Watts começaram a melhorar a precisão de seus produtos para corresponder à concorrência. Cooke, Troughton e Simms desenvolveram o teodolito padrão Tavistock e mais tarde o Vickers V. 22.

Wild continuou a desenvolver o DK1, DKM1, DM2, DKM2 e DKM3 para a empresa Kern Aarau. Com refinamentos contínuos, os instrumentos evoluíram continuamente para o teodolito moderno usado pelos agrimensores hoje. Em 1977, Wild, Kern e Hewlett-Packard estavam oferecendo "Estações totais" que combinavam medições angulares, medição de distância eletrônica e funções de microchip em uma única unidade.

Pesquisando teodolito

Operação em levantamento

Técnicos do US National Geodetic Survey observando com um teodolito Wild T3 de resolução de 0,2 segundo de arco (≈ 0,001 mrad ou 1 µrad) montado em um posto de observação. A foto foi tirada durante uma festa no campo do Ártico (c. 1950).

A triangulação , inventada por Gemma Frisius por volta de 1533, consiste em fazer tais plotagens de direção da paisagem circundante a partir de dois pontos de vista separados. Os dois papéis gráficos são sobrepostos, fornecendo um modelo em escala da paisagem, ou melhor, os alvos nela. A escala verdadeira pode ser obtida medindo uma distância tanto no terreno real quanto na representação gráfica.

A triangulação moderna, por exemplo, praticada por Snellius , é o mesmo procedimento executado por meios numéricos. O ajuste de bloco fotogramétrico de pares estéreo de fotografias aéreas é uma variante tridimensional moderna.

No final da década de 1780, Jesse Ramsden , um Yorkshireman de Halifax , Inglaterra que desenvolveu o mecanismo de divisão para dividir escalas angulares com precisão dentro de um segundo de arco (≈ 0,0048 mrad ou 4,8 µrad), foi contratado para construir um novo instrumento para os britânicos Levantamento de artilharia . O teodolito Ramsden foi usado nos anos seguintes para mapear todo o sul da Grã-Bretanha por triangulação.

Na medição de rede, o uso de centralização forçada acelera as operações, mantendo a mais alta precisão. O teodolito ou o alvo podem ser rapidamente removidos ou encaixados na placa de centralização forçada com precisão abaixo de um milímetro. Hoje em dia, as antenas GPS usadas para posicionamento geodésico usam um sistema de montagem semelhante. A altura do ponto de referência do teodolito - ou do alvo - acima da referência do solo deve ser medida com precisão.

Teodolito de trânsito

O termo teodolito de trânsito , ou trânsito, para abreviar, refere-se a um tipo de teodolito em que o telescópio é curto o suficiente para girar em um círculo completo em seu eixo horizontal, bem como em torno de seu eixo vertical. Ele apresenta um círculo vertical graduado em 360 graus e um telescópio que pode "virar" ("passar pelo escopo"). Ao inverter o telescópio e ao mesmo tempo girar o instrumento em 180 graus em torno do eixo vertical, o instrumento pode ser usado nos modos 'placa esquerda' ou 'placa direita' ('placa' refere-se ao círculo transferidor vertical). Medindo os mesmos ângulos horizontais e verticais nesses dois modos e, em seguida, calculando a média dos resultados, os erros de centralização e colimação no instrumento podem ser eliminados. Alguns instrumentos de trânsito são capazes de ler ângulos diretamente de trinta segundos de arco (≈ 0,15 mrad ). Os teodolitos modernos geralmente têm o design do teodolito de trânsito, mas as placas gravadas foram substituídas por placas de vidro projetadas para serem lidas com diodos emissores de luz e circuitos de computador, melhorando muito a precisão até níveis de segundo de arco (≈ 0,005 mrad ).

Use com balões meteorológicos

Há uma longa história de uso de teodolito na medição de ventos em altitude, usando teodolitos especialmente fabricados para rastrear os ângulos horizontais e verticais de balões meteorológicos especiais chamados balões de teto ou balões piloto ( pibal ). As primeiras tentativas disso foram feitas nos primeiros anos do século XIX, mas os instrumentos e procedimentos não foram totalmente desenvolvidos até cem anos depois. Este método foi amplamente utilizado na Segunda Guerra Mundial e posteriormente, e foi gradualmente substituído por sistemas de medição por rádio e GPS a partir da década de 1980 em diante.

O teodolito pibal usa um prisma para dobrar o caminho óptico em 90 graus para que a posição do olho do operador não mude conforme a elevação é alterada em 180 graus completos. O teodolito é normalmente montado em um suporte de aço robusto, configurado de forma que fique nivelado e apontado para o norte, com as escalas de altitude e azimute marcando zero grau. Um balão é lançado na frente do teodolito e sua posição é rastreada com precisão, geralmente uma vez por minuto. Os balões são cuidadosamente construídos e cheios, de modo que sua taxa de subida possa ser conhecida com bastante precisão com antecedência. Cálculos matemáticos sobre o tempo, taxa de subida, azimute e altitude angular podem produzir boas estimativas da velocidade e direção do vento em várias altitudes.

Teodolitos eletrônicos modernos

Um teodolito eletrônico moderno típico: Nikon DTM-520

Em teodolitos eletrônicos modernos, a leitura dos círculos horizontais e verticais geralmente é feita com um codificador rotativo . Eles produzem sinais que indicam a altitude e o azimute do telescópio que são enviados a um microprocessador. Sensores CCD foram adicionados ao plano focal do telescópio, permitindo tanto a segmentação automática quanto a medição automatizada do deslocamento do alvo residual. Tudo isso é implementado no software embutido do processador.

Muitos teodolitos modernos são equipados com dispositivos de medição de distância eletro-ópticos integrados, geralmente baseados em infravermelho , permitindo a medição em uma etapa de vetores tridimensionais completos - embora em coordenadas polares definidas por instrumento , que podem então ser transformadas em uma coordenada pré-existente sistema na área por meio de um número suficiente de pontos de controle. Esta técnica é chamada de solução de ressecção ou levantamento da posição da estação livre e é amplamente utilizada no levantamento de mapas.

Tais instrumentos são teodolitos "inteligentes" chamados taqueômetros de autorregistro ou coloquialmente " estações totais ", e realizam todos os cálculos angulares e de distância necessários, e os resultados ou dados brutos podem ser baixados para processadores externos, como laptops robustos , PDAs ou programáveis calculadoras

Giroteodolitos

Um giroteodolito é usado quando o rumo de referência norte-sul do meridiano é necessário na ausência de visões de estrelas astronômicas. Isso ocorre principalmente na indústria de mineração subterrânea e na engenharia de túneis. Por exemplo, onde um conduíte deve passar sob um rio, um poço vertical em cada lado do rio pode ser conectado por um túnel horizontal. Um giroteodolito pode ser operado na superfície e novamente na base dos eixos para identificar as direções necessárias para o túnel entre a base dos dois eixos. Ao contrário de um horizonte artificial ou sistema de navegação inercial, um giroteodolito não pode ser realocado enquanto está operando. Deve ser reiniciado novamente em cada site.

O giroteodolito compreende um teodolito normal com um anexo que contém uma bússola giratória , um dispositivo que detecta a rotação da Terra para encontrar o norte verdadeiro e, portanto, em conjunto com a direção da gravidade, o plano do meridiano. O meridiano é o plano que contém o eixo de rotação da Terra e o observador. A intersecção do plano meridiano com a horizontal define a verdadeira direção norte-sul encontrada desta forma. Ao contrário das bússolas magnéticas , as bússolas giratórias são capazes de encontrar o norte verdadeiro , a direção da superfície em direção ao pólo norte.

Um giroteodolito funcionará no equador e nos hemisférios norte e sul. O meridiano é indefinido nos pólos geográficos. Um giroteodolito não pode ser usado nos pólos onde o eixo da Terra é precisamente perpendicular ao eixo horizontal do spinner, na verdade, não é normalmente usado dentro de cerca de 15 graus do pólo onde o ângulo entre a rotação da Terra e a direção da gravidade é muito pequeno para funcionar de forma confiável. Quando disponíveis, as vistas astronômicas de estrelas são capazes de dar ao meridiano uma direção cem vezes maior que a do giroteodolito. Onde essa precisão extra não é necessária, o giroteodolito é capaz de produzir um resultado rapidamente, sem a necessidade de observações noturnas.

Veja também

Fabricantes

Referências

links externos

  • Mídia relacionada a teodolitos no Wikimedia Commons