Формула для вычисления искривления поверхности земли. Странные факты, подтверждающие, что земля не круглая и не вращается

Дальность видимости горизонта

Наблюдаемая в море линия, по которой море как бы соединяется с небосводом, называется видимым горизонтом наблюдателя.

Если глаз наблюдателя находится на высоте е М над уровнем моря (т. А рис. 2.13), то луч зрения идущий по касательной к земной поверхности, определяет на земной поверхности малый круг аа , радиуса D .

Рис. 2.13. Дальность видимости горизонта

Это было бы верно, если бы Землю не окружала атмосфера.

Если принять Землю за шар и исключить влияние атмосферы то, из прямоугольного треугольника ОАа следует: ОА=R+e

Так как величина чрезвычайно мала (для е = 50м при R = 6371км – 0,000004 ), то окончательно имеем:

Под действием земной рефракции, в результате преломления зрительного луча в атмосфере, наблюдатель видит горизонт дальше (по кругу вв ).

(2.7)

где х – коэффициент земной рефракции (» 0,16).

Если принять дальность видимого горизонта D e в милях, а высоту глаза наблюдателя над уровнем моря (е М ) в метрах и подставить значение радиуса Земли (R =3437,7 мили = 6371 км ), то окончательно получим формулу для расчета дальности видимого горизонта

(2.8)

Например:1) е = 4 м D е = 4,16 мили; 2) е = 9 м D е = 6,24 мили;

3) е = 16 м D е = 8,32 мили; 4) е = 25 м D е = 10,4 мили.

По формуле (2.8) составлена таблица № 22 «МТ-75» (с. 248) и таблица № 2.1 «МТ-2000» (с. 255) по (е М ) от 0,25 м ¸ 5100 м . (см. табл. 2.2)

Дальность видимости ориентиров в море

Если наблюдатель, высота глаза которого находится на высоте е М над уровнем моря (т. А рис. 2.14), наблюдает линию горизонта (т. В ) на расстоянии D е(миль) , то, по аналогии, и с ориентира (т. Б ), высота которого над уровнем моря h M , видимый горизонт (т. В ) наблюдается на расстоянии D h(миль) .

Рис. 2.14. Дальность видимости ориентиров в море

Из рис. 2.14 очевидно, что дальность видимости предмета (ориентира), имеющего высоту над уровнем моря h M , с высоты глаза наблюдателя над уровнем моря е М будет выражаться формулой:

Формула (2.9) решается с помощью таблицы 22 «МТ-75» с. 248 или таблицы 2.3 «МТ-2000» (с. 256).

Например: е = 4 м, h = 30 м, D П = ?

Решение: для е = 4 м ® D е = 4,2 мили;

для h = 30 м® D h = 11,4 мили.

D П = D е + D h = 4,2 + 11,4 = 15,6 мили.

Рис. 2.15. Номограмма 2.4. «МТ-2000»

Формулу (2.9) можно решать и с помощью Приложения 6 к «МТ-75» или номограммы 2.4 «МТ-2000» (с. 257) ® рис. 2.15.

Например: е = 8 м, h = 30 м, D П = ?

Решение: Значения е = 8 м (правая шкала) и h = 30 м (левая шкала) соединяем прямой линией. Точка пересечения этой линии со средней шкалой (D П ) и даст нам искомую величину 17,3 миль. (см. табл. 2.3).

Географическая дальность видимости предметов (из табл. 2.3. «МТ-2000»)

Примечание:

Высота навигационного ориентира над уровнем моря выбирается из навигационного руководства для плавания «Огни и знаки» («Огни»).

2.6.3. Дальность видимости огня ориентира, показанная на карте (рис. 2.16)

Рис. 2.16. Дальности видимости огня маяка, показанные

На навигационных морских картах и в навигационных пособиях дальность видимости огня ориентира дана для высоты глаза наблюдателя над уровнем моря е = 5 м, т.е.:

Если же действительная высота глаза наблюдателя над уровнем моря отличается от 5 м, то для определения дальности видимости огня ориентира необходимо к дальности, показанной на карте (в пособии), прибавить (если е > 5 м), или отнять (если е < 5 м) поправку к дальности видимости огня ориентира (DD К ), показанной на карте за высоту глаза.

(2.11)

(2.12)

Например: D К = 20 миль, е = 9 м.

D О = 20,0+1,54=21,54мили

тогда: D О = D К + ∆ D К = 20,0+1,54 =21,54 мили

Ответ: D О = 21,54 мили.

Задачи на расчет дальностей видимости

А) Видимого горизонта (D e ) и ориентира (D П )

Б) Открытие огня маяка

Выводы

1. Основными для наблюдателя являются:

а) плоскости:

Плоскость истинного горизонта наблюдателя (пл. ИГН);

Плоскость истинного меридиана наблюдателя (пл. ИМН);

Плоскость первого вертикала наблюдателя;

б) линии:

Отвесная линия (нормаль) наблюдателя,

Линия истинного меридиана наблюдателя ® полуденная линия N-S ;

Линия Е-W .

2. Системами счета направлений являются:

Круговая (0°¸360°);

Полукруговая (0°¸180°);

Четвертная (0°¸90°).

3. Любое направление на поверхности Земли может быть измерено углом в плоскости истинного горизонта, принимая за начало отсчета линию истинного меридиана наблюдателя.

4. Истинные направления (ИК, ИП) определяются на судне относительно северной части истинного меридиана наблюдателя, а КУ (курсовой угол) – относительно носовой части продольной оси судна.

5. Дальность видимого горизонта наблюдателя (D e ) рассчитывается по формуле:

.

6. Дальность видимости навигационного ориентира (днем в хорошую видимость) рассчитывается по формуле:

7. Дальность видимости огня навигационного ориентира, по его дальности (D К ), показанной на карте, рассчитывается по формуле:

, где .

ПРЕДМЕТЫ ПАДАЮТ РОВНО ВНИЗ БЕЗ СМЕЩЕНИЯ

Если бы земля под нами действительно вращалась в восточном направлении, как это предполагает гелиоцентрическая модель, то ядра из пушки, выпущенные вертикально, должны падать заметно западнее. На самом же деле, когда бы этот эксперимент ни проводился, пушечные ядра, выпущенные идеально вертикально отвесной линии, освещенные огнепроводным шнуром, в среднем за 14 секунд достигали верха и падали обратно в течение 14 секунд не более чем на 2 фута (0,6м) от пушки, или иногда прямо обратно в дуло! Если бы Земля на самом деле вращалась со скоростью 600-700 миль в час (965-1120 км/ч) в средних широтах Англии и Америки, где проводились эксперименты, пушечные ядра должны падать на целых 8400 фута (2,6 км) или около мили с половиной позади пушки!

САМОЛЕТЫ ЛЕТАЮТ ОДИНАКОВО ВО ВСЕХ НАПРАВЛЕНИЯХ И БЕЗ КОРРЕКЦИИ НА КРИВИЗНУ И ВРАЩЕНИЕ ЗЕМЛИ

Если бы Земля под нашими ногами вращалась со скоростью несколько сотен миль в час, то пилоты вертолетов и воздушных шаров должны просто подниматься прямо вверх, парить и ждать, пока их место назначения достигнет их! Подобное никогда не происходило в истории аэронавтики.

Например, если бы Земля и ее нижняя атмосфера якобы вращались вместе в восточном направлении со скоростью 1038 миль в час (1670 км/ч) на экваторе, то пилоты самолетов должны были бы дополнительно ускориться на 1038 миль в час при полетах на Запад! А пилоты, движущиеся на север и юг по необходимости должны устанавливать диагональные курсы, чтобы компенсировать это! Но так как никаких компенсаций не требуется, за исключением фантазий астрономов, то следует, что Земля неподвижна.

ОБЛАКА И ВЕТЕР ПЕРЕМЕЩАЮТСЯ ВНЕ ЗАВИСИМОСТИ ОТ БОЛЬШОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ

Если Земля и атмосфера постоянно вращаются в восточном направлении со скоростью 1000 миль в час, то, как облака, ветер и погодные явления случайно и непредсказуемо идут в разные стороны, часто направляясь одновременно в противоположных направлениях? Почему мы можем почувствовать незначительный западный бриз, но не невероятное предполагаемое вращение Земли на восток со скоростью 1000 миль в час!? И как эта магическая липучка-гравитация достаточно сильна, чтобы тянуть в одиночку мили земной атмосферы, но в то же время так слаба, что позволяет маленьким жукам, птицам, облакам и самолетам свободно двигаться с прежним темпом в любом направлении?

ВОДА ВЕЗДЕ РОВНАЯ, НЕСМОТРЯ НА КРИВИЗНУ ЗЕМЛИ

Если бы мы жили на вращающейся шарообразной Земле, то каждый пруд, озеро, болото, канал и другие места со стоячей водой имели бы небольшую дугу или полукруг, расширяющуюся от центра книзу.

В Кембридже, Англия, есть канал размером в 20 миль, называемый «Олд Бедфорд», проходящий по прямой линии через Фенландс, известный как Бедфордская равнина. Вода не прерывается затворами и шлюзами и остается стационарной, что делает еѐ идеально подходящей для определения действительности существования кривизны. Во второй половине 19-го века Доктор Самуэль Роуботам, известный «плоскоземлянин» и автор замечательной книги «Земля – это не шар! Экспериментальное исследование истинной формы Земли: доказательство, что она является плоскостью, без осевого или орбитального движения; и только материальный мир во Вселенной!», отправился в Бедфордскую равнину и провел серию экспериментов, чтобы определить, является ли поверхность стоячей воды плоской или выпуклой.
На поверхности длиной в 6 миль (9,6км) не было замечено каких-либо снижений или изгиба вниз от линии видимости. Но если земля – это шар, то поверхность воды длиной в 6 миль должна была быть выше на 6 футов в центре, чем на ее концах. Из этого эксперимента следует, что поверхность стоячей воды не является выпуклой и, следовательно, Земля не является шаром!

ВОДА НЕ ВЫПЛЕСКИВАЕТСЯ ИЗ-ЗА ОГРОМНОГО ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ И ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ
«Ели Земля была бы шаром, вращающимся и лихо летящим в «пространстве» со скоростью «сто миль в 5 секунд», то воды морей и океанов не могли бы ни по каким законам держаться на поверхности. Утверждение, что они могли бы удерживаться в этих обстоятельствах является надругательством над человеческим пониманием и доверием! Но если Земля – которая является обитаемым участком суши– была бы признана за «выступающую из воды и стоящую в воде» из «огромной глубины», которая окружена границей льда, мы можем бросить то заявление обратно в зубы тех, кто сделал его, и помахать перед ними флагом разума и здравого смысла, с подписанным на нем доказательством, что Земля не является шаром», - Уильям Карпентер

САМЫЕ ДЛИННЫЕ РЕКИ МИРА НЕ ИМЕЮТ ПЕРЕПАДОВ УРОВНЯ ВОДЫ ИЗ-ЗА КРИВИЗНЫ ЗЕМЛИ

В одной части своего длинного маршрута великая река Нил протекает тысячу миль при падении лишь на 1фут (30 см). Этот подвиг был бы совершенно невозможен, если бы Земля имела сферический изгиб. Многие другие реки, включая Конго в Западной Африке, Амазонку в Южной Америке и Миссисипи в Северной Америке, все они плывут тысячи миль в направлениях, полностью несовместимых с предполагаемой сферичностью Земли

РЕКИ ТЕКУТ ВО ВСЕХ НАПРАВЛЕНИЯХ, А НЕ СНИЗУ ВВЕРХ

«Есть реки, которые текут на восток, запад, север и юг, то есть реки текут во всех направлениях по поверхности Земли в одно и то же время. Если бы Земля была шаром, то некоторые из них будут течь в гору, а другие вниз, имея в виду то, что на самом деле означает «вверх» и «вниз» в природе, независимо, какую форму они принимают. Но так как реки не текут в гору, а теория сферичности земли требует этого, то это доказывает, что Земля не является шаром

ВСЕГДА РОВНЫЙ ГОРИЗОНТ

Будь то уровень моря, вершина горы Эверест, или полет на высоте в сотни тысяч футов в воздухе, всегда горизонтальная линия горизонта поднимается вверх, находясь на уровне глаз наблюдателя, и остается совершенно прямой. Вы можете проверить самостоятельно на пляже или вершине холма, в большом поле или пустыне, на борту воздушного шара с горячим воздухом или вертолете; вы увидите, панорамный горизонт поднимется вместе с вами и останется везде абсолютно горизонтальным. Если бы Земля на самом деле была большим шаром, горизонт должен был бы опуститься, когда вы поднимаетесь, не подняться до уровня ваших глаз, а отдалиться от каждого конца периферии вашего зрения, не остаться ровным по всей длине.

Если бы Земля на самом деле была большим шаром 25000 миль (40233 км) в окружности, то горизонт был бы заметно изогнут даже на уровне моря, и всѐ, находящееся на или стремящееся к линии горизонта, с нашего ракурса казалось бы немного наклонѐнным. Отдаленные здания вдоль линии горизонта смотрелись бы подобно Пизанской башне, падающей в сторону от наблюдателя. Воздушный шар, поднявшись и затем постепенно удаляющийся от вас, на шарообразной Земле казался бы медленно и постоянно отклоняющимся назад всѐ больше и больше, наряду с его удалением; дно корзины постепенно входит в поле зрения, тогда как верхняя часть воздушного шара исчезает из вида. В действительности, однако, здания, воздушные шары, деревья, люди, - что угодно и всѐ остается под тем же углом относительно поверхности или горизонта независимо от того, на каком расстоянии находится наблюдатель.

«Обширные области демонстрируют абсолютно ровную поверхность, от Карпат до Урала на расстоянии в 1500 (2414км) миль существует лишь легкий подъѐм. К югу от Балтики страна настолько плоская, что преобладающий северный ветер будет гнать воду из Щецинского залива в устье Одры, и даст реке обратный ход на 30 или 40 миль (48-64км). Равнины Венесуэлы и Новой Гранады в Южной Америке, расположенные на левой стороне реки Ориноко, называют Льянос или равнинными полями. Часто на расстоянии 270 квадратных миль (700 кв.км) поверхность не меняется ни на фут. Амазонка спускается на 12 футов (3,5м) только на последних 700 милях (1126км) своего курса; Ла Плата спускается только на одну тридцать третью дюйма на милю (0,08 см/1,6км)», - Рев. Т. Мильнер, «Атлас физической географии»

Высота маяка в порте Николсон, Новая Зеландия, составляет 420 футов (128м) над уровнем моря, и он виден за 35 миль (56км), но это значит, что он должен находиться на расстоянии 220 футов (67м) ниже уровня горизонта. Маяк Ёгеро в Норвегии находится на расстоянии 154 фута (47м) над уровнем моря и виден на расстоянии 28 статутных миль (46км), что значит, что он должен находиться на расстоянии 230 футов ниже горизонта. Маяк в Мадрасе, на Эспланаде, имеет высоту 132 фута (40м) и виден с 28 миль (46км), когда он должен быть 250 футов (76м) ниже линии видимости. Маяк Кордонэн высотой 207 футов (63м) на западном побережье 47 Франции виден с 31 мили (50км), что должно быть 280 футов (85м) ниже линии видимости. Маяк на мысе Бонависта, Ньюфаундленд, составляет 150 футов (46м) над уровнем моря и виден с 35 миль (56км), когда он должен быть на 491 фут (150м) ниже линии горизонта. Высота маяка - шпиля церкви Св.Ботольфа в Бостоне составляет 290 футов (88м), он виден с расстояния более чем 40 миль (64км), когда должен быт скрыт на целых 800 футов (244м) за уровнем горизонта!

КАНАЛЫ, ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ ПРОЕКТИРУЮТ БЕЗ УЧЕТА КРИВИЗНЫ ЗЕМЛИ

Геодезисты, инженеры и архитекторы в своих проектах никогда не учитывают предполагаемую кривизну Земли, что является ещѐ одним доказательством того, что мир представляет собой плоскость, а не планету. Каналы и железные дороги, например, всегда прокладывают горизонтально, часто на сотни миль, без учѐта какой-либо кривизны.
Инженер В. Винклер в "Обзоре Земли" от октября 1893 г. писал по поводу предполагаемой кривизны Земли: "Как инженер с 52 многолетним опытом, я видел, что это абсурдное допущение используется только в школьных учебниках. Ни один инженер даже не помышляет принимать во внимание вещи такого рода. Я спроектировал много миль железных дорог и ещѐ больше каналов, и у меня даже не возникало мысли допускать искривление поверхности, а тем более его учитывать. Учет кривизны означает - 8 дюймов на первой миле канала, далее увеличение в соответствии с показателем, составляющим квадрат расстояния в милях; таким образом, небольшой судоходный канал, скажем 30 миль в длину, будет иметь, по указанному выше правилу, отступ для кривизны в 600 футов (183м) . Подумайте об этом, и, пожалуйста, поверьте, что инженеры не такие уж дураки. Ничего подобного не учитывается. Мы не думаем об учете кривизны в 600 футов, для линии железной дороги или канала 30 миль (965км) в длину, больше, чем тратим своѐ время, пытаясь объять необъятное".

САМОЛЕТЫ ЛЕТАЮТ ТОЛЬКО ПО РОВНЫМ ОДИНАКОВЫМ ВЫСОТАМ, БЕЗ КОРРЕКЦИИ НА КРИВИЗНУ ЗЕМЛИ

Если бы Земля была сферой, то пилотам самолетов приходилось бы постоянно корректировать свою высоту, чтобы не вылететь прямиком в "космическое пространство!" Если бы Земля действительно была сферой 25000 миль (40233км) в окружности с наклоном 8 дюймов на милю в квадрате, то пилоту, желающему поддерживать одинаковую высоту при типичной скорости 500 миль в час (804км/ч), пришлось бы постоянно нырять носом вниз и снижаться на 2777 футов (846м) каждую минуту! В противном случае, при отсутствии корректировки, через час пилот окажется на 166666 футов (51км) выше, чем ожидалось! Самолет, летящий на обычной высоте в 35000 футов (10км), желая поддерживать эту высоту на верхнем краю так называемой "тропосферы", через один час оказался бы более чем на 200000 футов (61км) 57 в "мезосфере", и чем дальше он будет лететь, тем больше будет траектория. Я разговаривал с несколькими пилотами, и никакой компенсации для предполагаемой кривизны Земли не производится. Когда пилоты выходят на необходимую высоту, их искусственный показатель горизонта остается ровным, как и курс; никаких необходимых 2777 футов в минуту (846км/мин) наклона никогда не учитывается.

АНТАРКТИДА И АРТИКА РАЗНЫЕ ПО КЛИМАТУ

Если бы Земля действительно была шаром, то полярные регионы Арктики и Антарктики на соответствующих широтах на севере и юге от экватора имели бы сходные условия и особенности: похожие температуры, сезонные изменения, продолжительность светового дня, особенности растительного и животного мира. В действительности, сопоставимые широты к северу и к югу от экватора арктических и антарктических районов во многом сильно отличаются. "Если земля является шаром, согласно популярному мнению, то одинаковое количество тепла и холода, лета и зимы должно присутствовать на соответствующих широтах на севере и юге от экватора. Одинаковым было бы количество растений и животных, и одинаковыми были бы общие условия. Всѐ обстоит как раз наоборот, что опровергает предположение о шарообразности. Большие контрасты между районами в одинаковых широтах на север и юг от экватора являются сильным аргументом против принятого учения о шарообразности Земли

Форма и размеры земли

Общая форма Земли, как материального тела, определяется действием внутренних и внешних сил на ее частицы. Если бы Земля была неподвижным однородным телом и подвергалась действию только внутренних сил тяготения, она имела бы форму шара. Действие центробежной силы, вызванной вращением Земли вокруг ее оси, определяет сплюснутость Земли у полюсов. Под воздействием внутренних и внешних сил физическая (топографическая) поверхность Земли образует фигуру неправильной, сложной формы. Одновременно на физической поверхности Земли встречаются самые различные неровности: горы, хребты, долины, котловины и т. д. Описать такую фигуру при помощи каких-либо аналитических зависимостей невозможно. В то же время для решения геодезических задач в конечном виде необходимо основываться на определенной математически строгой фигуре – только тогда возможно получение расчетных формул. Исходя из этого задачу по определению формы и размеров Земли принято делить на две части:

1) установление формы и размеров некоторой типичной фигуры, представляющей Землю в общем виде;

2) изучение отступлений физической поверхности Земли от этой типичной фигуры.

Известно, что 71 % земной поверхности покрывают моря и океаны, суши – только 29 %. Поверхность же морей и океанов характерна тем, что она в любой точке перпендикулярна к отвесной линии, т.е. направлению действия силы тяжести (если вода находится в спокойном состоянии). Направление действия силы тяжести можно установить в любой точке и соответственно построить поверхность, перпендикулярную к направлению этой силы. Замкнутая поверхность, которая в любой точке перпендикулярна к направлению действия силы тяжести, т.е. перпендикулярна к отвесной линии, называется уровенной поверхностью.

Уровенная поверхность, совпадающая со средним уровнем воды в морях и океанах в их спокойном состоянии и мысленно продолженная под материками, называется основной (исходной, нулевой) уровенной поверхностью. В геодезии за общую фигуру Земли принимают фигуру, ограниченную основной уровенной поверхностью, и такую фигуру именуют геоидом (рис. 1.1).

Вследствие особой сложности, геометрической неправильности геоида, его заменяют другой фигурой – эллипсоидом, образующимся при вращении эллипса вокруг его малой оси РР 1 (рис. 1.2). Размеры эллипсоида определялись неоднократно учеными ряда стран. В Российской Федерации они были вычислены под руководством профессора Ф.Н. Красовского в 1940 г. и в 1946 г. постановлением Совета Министров СССР были утверждены: большая полуось а = 6 378 245 м, малая полуось b = 6 356 863 м, сжатие

Земной эллипсоид ориентируют в теле Земли так, чтобы его поверхность в наибольшей мере соответствовала поверхности геоида. Эллипсоид с определенными размерами и определенным образом ориентированный в теле Земли называется референц-эллипсоидом (сфероидом).

Наибольшие отклонения геоида от сфероида составляют 100–150 м. В тех случаях, когда при решении практических задач фигуру Земли принимают за шар, радиус шара, равновеликого по объему эллипсоиду Красовского, составляет R = 6 371 110 м = 6371,11 км.

При решении практических задач в качестве типичной фигуры Земли принимают сфероид или шар, а для небольших участков кривизну Земли вообще не учитывают. Такие отступления целесообразны, так как упрощается проведение геодезических работ. Но эти отступления приводят к искажениям при отображении физической поверхности Земли тем методом, который принято именовать в геодезии методом проекций.

Метод проекций при составлении карт и планов заключается в том, что точки физической поверхности Земли А, В и так далее проектируются отвесными линиями на уровенную поверхность (см. рис. 1.3, а ,б ). Точки а, b и так далее называются горизонтальными проекциями соответствующих точек физической поверхности. Затем определяется положение этих точек на уровенной поверхности с помощью различных систем координат, и тогда их можно нанести на лист бумаги, т. е. на лист бумаги будет нанесен отрезок ab, который является горизонтальной проекцией отрезка AВ. Но, чтобы по горизонтальной проекции определить действительное значение отрезка AВ, необходимо знать длины аА и bВ (см. рис. 1.3, б ), т.е. расстояния от точек A и В до уровенной поверхности. Эти расстояния называются абсолютными высотами точек местности.

Таким образом, задача составления карт и планов распадается на две:

определение положения горизонтальных проекций точек;

определение высот точек местности.

При проектировании точек на плоскость, а не на уровенную поверхность, появляются искажения: вместо отрезка ab будет отрезок а"b" вместо высот точек местности аА и bВ будут а"А и b"В (см. рис. 1.3, а ,б ).

Итак, длины горизонтальных проекций отрезков и высоты точек будут различны и при проектировании на уровенную поверхность, т.е. при учете кривизны Земли, и при проектировании на плоскость, когда кривизна Земли не учитывается (рис. 1.4). Эти различия будут наблюдаться в длинах проекций DS = t – S , в высотах точек Dh = b"О – bО = b"О – R.

Рис. 1.3. Метод проекций

Задача в отношении учета кривизны Земли сводится к следующему: принимая Землю за шар с радиусом R ,необходимо определить, для какого наибольшего значения отрезка S можно не учитывать кривизну Земли при условии, что в настоящее время относительная погрешность считается допустимой при самых точных измерениях расстояний ( – 1 см на 10 км). Искажение по длине составит
DS = t – S = R tga – R a = R (tga – a). Но, так как S мало по сравнению с радиусом Земли R, то для малого угла можно принять . Тогда . Ho и тогда . Соответственно и км (с округлением до 1 км).

Рис. 1.4. Схема к решению задачи о влиянии кривизны Земли
на величину искажений в проекциях и высотах

Следовательно, участок сферической поверхности Земли диаметром в 20 км можно принимать за плоскость, т.е. кривизну Земли в пределах такого участка, исходя из погрешности , можно не учитывать.

Искажение в высоте точки Dh = b"О – bО = R seca – R = R (seca – 1). Принимая , получаем
. При разных значениях S получаем:

В инженерно-геодезических работах допускаемая погрешность обычно составляет не более 5 см на 1 км, и поэтому кривизну Земли следует учитывать при сравнительно небольших расстояниях между точками, порядка 0,8 км.

1.2. Общие понятия о картах, планах и профилях

Главное отличие плана от карты заключается в том, что при изображении участков земной поверхности на плане горизонтальные проекции соответствующих отрезков наносят без учета кривизны Земли. При составлении карт кривизну Земли приходится учитывать.

Практические потребности в точности изображения участков земной поверхности различны. При составлении проектов строительных объектов они значительно выше, чем при общем изучении территории района, геологических обследованиях и т.д.

Известно, что с учетомдопустимой погрешности при измерении расстояний DS = 1 см на 10 км участок сферической поверхности Земли диаметром в 20 км можно принимать за плоскость, т.е. кривизну Земли для такого участка можно не учитывать.

Соответственно создание плана схематически можно представить следующим образом. Непосредственно на местности (см. рис. 1.3,а ) измеряют расстояния АВ, ВС … , горизонтальные углы b 1 ; b 2 … и углы наклона линий к горизонту n 1 , n 2 ... . Затем от измеренной длины линии местности, например AB , переходят к длине ее ортогональной проекции а"b" на горизонтальной плоскости, т.е. определяют горизонтальное проложение этой линии по формуле а"b" = AB cosn, и, уменьшая в определенное число раз (масштаб), откладывают отрезок а"b" на бумаге. Вычислив аналогичным путем горизонтальные проложения других линий, получают на бумаге многоугольник (уменьшенный и подобный многоугольнику а"b"c"d"е" ), который является планом контура местности АВСDЕ.

План – уменьшенное и подобное изображение на плоскости горизонтальной проекции небольшого участка земной поверхности без учета кривизны Земли.

Планы принято подразделять по содержанию и масштабу. Если на плане изображены только местные объекты, то такой план называют контурным (ситуационным). Если дополнительно на плане отображен рельеф, то такой план называют топографическим.

Стандартные масштабы планов 1:500; 1:1000; 1:2000; 1:5000.

Карты обычно разрабатывают для обширной части земной поверхности, при этом приходится учитывать кривизну Земли. Изображение участка эллипсоида или шара нельзя перенести на бумагу без разрывов. В то же время соответствующие карты предназначаются для решения конкретных задач, например для определения расстояний, площадей участков и т.д. При разработке карт задача состоит не в полном устранении искажений, что невозможно, а в уменьшении искажений и математическом определении их значений с тем, чтобы по искаженным изображениям можно было вычислить действительные величины. Для этого применяют картографические проекции, дающие возможность изображать на плоскости поверхность сфероида или шара по математическим законам, обеспечивающим измерения по карте.

Различные требования к картам определили наличие многих картографических проекций, которые подразделяют на равноугольные, равновеликие и произвольные. В равноугольных (конформных) проекциях сфероида на плоскость сохраняются углы изображаемых фигур, но масштаб при переходе от точки к точке изменяется, что приводит к искажению фигур конечных размеров. Однако небольшие участки карты, в пределах которых изменения масштаба не имеют существенного значения, можно рассматривать и использовать как план.

В проекциях равновеликих (эквивалентных) сохраняется отношение площадей любых фигур на сфероиде и на карте, т.е. масштабы площадей везде одинаковы (при отличающихся масштабах по различным направлениям).

В произвольных проекциях не соблюдается ни равноугольность, ни равновеликость. Они применяются для мелкомасштабных обзорных карт, а также для специальных карт в тех случаях, когда карты обладают каким-либо специфическим полезным свойством.

Карта – построенное по определенным математическим законам, уменьшенное и обобщенное изображение поверхности Земли на плоскости.

Карты принято подразделять по содержанию, назначению и масштабу.

По содержанию карты бывают общегеографические и тематические, по назначению – универсальные и специальные. Общегеографические карты универсального назначения отображают земную поверхность с показом всех ее основных элементов (населенные пункты, гидрография и т.д.). Математическая основа, содержание и оформление специальных карт подчиняются их целевому назначению (карты морские, авиационные и многие другие сравнительно узкого назначения).

По масштабам карты условно делят на три вида:

крупномасштабные (1:100 000 и крупнее);

среднемасштабные (1:200 000 – 1:1 000 000);

мелкомасштабные (мельче 1:1 000 000).

Карты, подобно планам, бывают контурными и топографическими. В Российской Федерации государственные топографические карты издают в масштабах 1:1 000 000 – 1:10 000.

В тех случаях, когда карты или планы используют для проектирования инженерных сооружений, для получения оптимального решения особое значение приобретает наглядность в отношении физической поверхности Земли по какому-либо направлению. Например, при проектировании линейных сооружений (дорог, каналов и т.д.) необходимы: детальная оценка крутизны скатов на отдельных участках трассы, ясное представление о почвенно-грунтовых и гидрологических условиях местности, по которой проходит трасса. Такую наглядность, позволяющую принимать обоснованные инженерные решения, обеспечивают профили.

Профиль – изображение на плоскости вертикального разреза земной поверхности по заданному направлению. Чтобы неровности земной поверхности были более заметными, вертикальный масштаб следует выбирать крупнее горизонтального (обычно в 10–20 раз). Таким образом, как правило, профиль является не подобным, а искаженным изображением вертикального разреза земной поверхности.

Масштабы

Горизонтальные проекции отрезков (см. рис. 1.3,б отрезки ab или а"b" )при составлении карт и планов изображают на бумаге в уменьшенном виде. Степень такого уменьшения характеризуется масштабом.

Масштаб карты (плана) – отношение длины линии на карте (плане) к длине горизонтального проложения соответствующей линии местности:

.

Масштабы бывают численные и графические. Численный масштаб фиксируют двумя способами.

1. В виде простой дроби – в числителе единица, в знаменателе степень уменьшения m ,например (или М = 1:2000).

2. В виде именованного соотношения, например в 1 см 20 м. Целесообразность такого соотношения определяется тем, что при изучении местности по карте удобно и привычно оценивать длину отрезков на карте в сантиметрах, а длину горизонтальных проложений на местности представлять в метрах или километрах. Для этого численный масштаб преобразовывают в разнотипные единицы измерения: 1 см карты соответствует такому-то количеству метров (километров) местности.

Пример 1 . На плане (в 1 см 50 м) расстояние между точками составляет 1,5 см. Определить горизонтальное проложение между этими же точками на местности.

Решение: 1,5 ´ 5000 = 7500 см = 75 м (или 1,5 ´ 50 = 75 м).

Пример 2. Горизонтальное проложение между двумя точками на местности равно 40 м. Чему будет равно расстояние между этими же точками на плане М = 1:2000 (в 1 см 20 м)?

Решение: см .

Чтобы избежать вычислений и ускорить работу, пользуются графическими масштабами. Таких масштабов два: линейный и поперечный.

Для построения линейного масштаба выбирают исходный отрезок, удобный для данного масштаба (чаще длиной 2 см). Этот исходный отрезок называется основанием масштаба (рис. 1.5). Основание откладывают на прямой линии необходимое число раз, крайнее левое основание делят на части (обычно на 10 частей). Затем линейный масштаб подписывают, исходя из того численного масштаба, для которого он строится (на рис. 1.5,а для М = 1:25 000). Такой линейный масштаб позволяет определенным образом оценить отрезок с точностью в 0,1 доли основания, дополнительную часть этой доли приходится оценивать на глаз.

Для обеспечения необходимой точности измерений угол между плоскостью карты и каждой ножкой циркуля-измерителя (рис. 1.5,б )не должен быть менее 60°, и измерение длины отрезка следует произвести не менее двух раз. Расхождение DS , м между результатами измерений должно быть , где Т – число тысяч в знаменателе численного масштаба. Так, например, при измерении отрезков по карте М и пользовании линейным масштабом, который помещен обычно за южной стороной рамки листа карты, расхождения при двойных измерениях не должны превышать 1,5 ´ 10 = 15 м.

Рис. 1.5. Линейный масштаб

Если отрезок длиннее построенного линейного масштаба, то его измеряют по частям. В этом случае расхождение между результатами измерения в прямом и обратном направлениях не должно превышать , где п – число установок измерителя при измерении данного отрезка.

Для более точных измерений пользуются поперечным масштабом, имеющим на линейном масштабе дополнительное построение по вертикали (рис. 1.6).

После того как необходимое количество оснований масштаба отложено (также обычно длиной 2 см, тогда масштаб называется нормальным), восстанавливают перпендикуляры к исходной линии и делят их на равные отрезки (на m частей). Если основание разделено на п частей и точки деления верхнего и нижнего основания соединены наклоннымилиниями (трансверсалями) так, как показано на рис. 1.6, то отрезок . Соответственно отрезок ef = 2cd ; рq = 3сd и т. д. Если m = п = 10, то cd = 0,01 основания, т. е. такой поперечный масштаб позволяет определенным образом оценить отрезок с точностью в 0,01 доли основания, дополнительную часть этой доли – на глаз. Поперечный масштаб, у которого длина основания 2 см и m = п = 10, называют сотенным нормальным.

Рис. 1.6. Построение поперечного масштаба

Поперечный масштаб гравируют на металлических линейках, которые называются масштабными. Перед применением масштабной линейки следует оценить основание и его доли по следующей схеме.

Пусть численный масштаб 1:5000, именованное соотношение будет: в 1 см 50 м. Если поперечный масштаб нормальный (основание 2см, рис. 1.7), то основание составит 100 м; 0,1 основания – 10 м; 0,01 основания – 1 м. Задача по отложению отрезка заданной длины сводится к определению числа оснований, его десятых и сотых долей и, в необходимых случаях, к глазомерному определению части его наименьшей доли. Пусть, например, требуется отложить отрезок d = 173,35 м, т. е. требуется взять в раствор измерителя: 1 основание +7 (0,1 основания) +3 (0,01 основания) и на глаз расположить ножки измерителя между горизонтальными линиями 3 и 4 (см. рис. 1.7) так, чтобы линия АБ отсекала 0,35 промежутка между этими линиями (отрезок ДЕ). Обратная задача (определение длины отрезка, взятого в раствор измерителя) соответственно и решается в обратном порядке. Добившись совмещения игл измерителя с соответствующими вертикальной и наклонной линиями так, чтобы обе ножки измерителя находились на одной горизонтальной линии, считываем количество оснований и его долей (d BГ = 235,3 м).

Рис. 1.7. Поперечный масштаб

При проведении съемок местности для получения планов неизбежно возникает вопрос: какие наименьшие размеры объектов местности должны отобразиться на плане? Очевидно, чем крупнее масштаб съемки, тем меньше будет линейный размер таких объектов. Для того чтобы применительно к конкретному масштабу плана можно было принять определенное решение, вводится понятие о точности масштаба. При этом исходят из следующего. Опытным путем установлено, что измерить расстояние, пользуясь циркулем и масштабной линейкой, точнее, чем 0,1 мм, невозможно. Соответственно под точностью масштаба понимают длину отрезка на местности, соответствующую 0,1 мм на плане данного масштаба. Так, если М 1:2000, то точность будет: , но d пл = 0,1 мм, тогда d местн = 2000 ´ 0,1 мм = 200 мм = 0,2 м. Следовательно, в этом масштабе (1:2000) предельная графическая точность при нанесении линий на план будет характеризоваться величиной 0,2 м, хотя линии на местности могли измеряться с более высокой точностью.

Следует иметь в виду, что при измерениях на плане взаимного положения контуров точность определяется не графической точностью, а точностью самого плана, где ошибки могут составлять в среднем 0,5 мм вследствие влияния других, кроме графических, погрешностей.

Практическая часть

I. Решите следующие задачи.

1. Определите численный масштаб, если горизонтальное проложение линии местности длиною 50 м на плане выражается отрезком в 5 см.

2. На плане следует отобразить здание, длина которого в натуре 15,6 м. Определите длину здания на плане в мм.

II. Постройте линейный масштаб, для чего проведите линию длиной 8 см (см. рис. 1.5, а ). Выбрав основание масштаба длиной 2 см, отложите 4 основания, крайнее левое основание разделите на 10 частей, произведите оцифровку для трех масштабов: ; ; .

III. Решите следующие задачи.

1. Отложите на бумаге в трех указанных масштабах отрезок длиной 144 м.

2. Пользуясь линейным масштабом учебной карты , измерьте длину горизонтального проложения трех отрезков. Оцените точность измерения по зависимости . Здесь T – число тысяч в знаменателе численного масштаба.

IV. Пользуясь масштабной линейкой, решите следующие задачи.

Отложите на бумаге длину линий местности, оформив результаты упражнения в табл. 1.1.

«Жил на свете человек,

скрюченные ножки…».

Из детской книжки стихов.

В этом стишке не только ножки скрюченные. Всё там скрючено и кривенько. Да и не только там. Утром, идя на работу, учёбу, или вечером, приближаясь к дому, мы никак не ощущаем кривизны Земли (тоже, как выяснено, кривенькая). Больше нам мешают всякие кривые неровности на нашем пути. Поэтому кривизна Земли в некоторой степени вещь относительная.

При выполнении геодезических работ на сравнительно небольших территориях поверхность Земли можно принимать за плоскую, и измеренные расстояния на плоском изображении принимать равными соответствующим расстояниям на сферической поверхности. Чаще всего и приходится выполнять именно такие работы, на небольших по размерам территориях: в пределах площадки строительства, в пределах шахтного поля и т.п. При измерениях значительных по величине расстояний необходимо учитывать влияние кривизны поверхности Земли. Но, как будет показано дальше, измерение некоторых расстояний требует учёта кривизны Земли и для сравнительно небольших расстояний на её поверхности.

Для простоты изложения примем, что Земля представляет собой шар радиусом R (радиус Земли, представляемой в виде шара, принимают равным 6371,11 км). Предположим, что по поверхности шара из точки А в точку В перемещается (перекатывается) материальная точка (рис. 2.1), при этом расстояние S = АВ , которое пройдёт эта точка по поверхности шара, равно

где α - центральный угол дуги АВ (в радианах).

Предположим, что точка движется по касательной в точке А к поверхности шара и пройдёт по ней путь S о = AB" , соответствующий движению по поверхности шара на пути S . Для величины S o можно записать:

. (2.2)

Разность в пройденных путях ΔS = (S о - S) = R (tgα – α) и будет являться ошибкой в измеренном расстоянии из-за кривизны Земли.

Для малых значений углов α при разложении в ряд функции tg α получим

, (2.3)

а после подстановки в выражение для S -

, (2.4)

поскольку α = S / R .

Аналогично рассмотрим влияние кривизны Земли на определение вертикальных расстояний.

Математически установлено, что погрешнсоть (отклонение) h , равная разности отрезков ОВ" и OВ = R , находится через принятые ранее параметры по формуле

или, ввиду малой разности S и S о при малых α и h , - по формуле

. (2.6)

Оценка возможных погрешнсотей при измерении вертикальных и горизонтальных расстояний приведена в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Погрешности в измеренных расстояниях из-за кривизны Земли

Точность измерения линий в геодезических сетях высших классов определяется относительной погрешностью порядка 1:400000, что практически является соизмеримым для S = 10 км (и, конечно, более 10 км). До 10 км при измерении горизонтальных расстояний во многих случаях влиянием кривизны Земли можно пренебречь.

Автор приностит свои извинения, что вводит в рассказ понятие относительная погрешнсоть , да и абсолютная погрешнсоть , без всяких необходимых пояснений этого понятия. Получается понятие без понятия. Но дальше об этом будет сказано несколько подробнее, а сейчас автор, думается, правильно посчитал, что читателю понятно слово погрешнсоть даже без определения этого слова. Ну а относительная погрешность – это та же погрешность, но выраженная просто в другой форме. Например, если абсолютную погрешность 8 мм разделить на измеренное расстояние 10 км (см. табл. 2.1), то как раз и получится вот такая относительная погрешность: 1/1250000.

Совсем другая картина наблюдается при оценке погрешностей в вертикальных отрезках. Как раз об этом и было предупреждение выше. Точность определения высот при геодезических работах, например, при топографической съёмке, определяется величиной 5 см, т.е. уже для расстояний S = 1000 м необходимо учитывать кривизну Земли. Если же точность измерений выше, например 5 мм и меньше, то учёт кривизны Земли следует начинать примерно для расстояний 250 – 300 м, что легко проверить обратным расчетом по формуле (2.6).

ВС = t, тогда в горизонтальном расстоянии между точками В (Во) и Со возникнет ошибка Ad = t - d. Из рис. 1.2 находим t = R tga и d = R a, где угол а выражен в радианах a = d / R, тогда A d =R(tga -a) а так как значение d незначительно по сравнению с R то угол настолько мал,
о

что приближенно можно принять tga -а = а /3. Применив формулу определения угла а, окончательно получаем: A d = R- а /3 = d /3R . При d = 10 км и R = 6371 км погрешность определения расстояния при замене сферической поверхности плоскостью составит 1 см.Учитывая реальную точность, с которой производят измерения на местности при геодезических работах, можно считать, что на участках радиусом 2025 км погрешность от замены уровенной поверхности плоскостью не имеет практического значения. Иначе обстоит дело с влиянием кривизны Земли на высоты точек. Из прямоугольного треугольника ОВС

(1.2)
откуда
(1.3) где р - отрезок отвесной линии ССо, выражающий влияние кривизны Земли на высоты точки С. Так как полученное значение р очень мало, по сравнению с R, то в знаменателе полученной формулы этой величиной можно пренебречь. Тогда получим

(1.4)
Для различных расстояний l определим поправки в высоты точек местности, значения которых представлены в табл. 1.1, из которой видно, что влияние кривизны Земли на высоты точек сказывается уже на расстоянии в 0,3 км. Это необходимо учитывать при производстве геодезических работ.
Таблица 1.1
Погрешности измерений высот точек на разных расстояниях