С помощью этой универсальной сетки можно обозначить свое местонахождение, в какой бы точке земли вы ни были: нужно только сообщить, на каком градусе к югу или северу от экватора вы находитесь — широту места — и на каком градусе к востоку или западу от нулевого меридиана — долготу. Мой смартфон показывает мне, что в данный момент я пишу эти строки на 51,56° с. ш., 0,09° з. д. (чуть севернее Лондона, неподалеку от Гринвича).
Таким образом, задача, которую мы поставили первоначально, — как найти путь из одной точки мира в другую, — аккуратно раскладывается на две половинки: как определить широту места и как определить долготу.
Широту установить довольно несложно: богато украшенное ночное небо дает более чем достаточно указаний. Полярная звезда, неподвижная ось кружащихся звездных дорожек, висит прямо над Северным полюсом Земли, и, значит, можно предположить, что угловое расстояние между наблюдателем и экватором равно углу между полюсом и горизонтом. Задача вычислить широту места сводится, таким образом, к определению высоты звезд над горизонтом.
Проще всего сделать это с помощью квадранта, изготовленного из подручных материалов. Вырежьте из картона или тонкой фанеры четверть круга и нанесите на ее криволинейное ребро шкалу от 0° дo 90°. На концах одного из прямых ребер поставьте штрихи, чтобы можно было соотнести с объектом наблюдений, а к вершине сектора подвесьте груз, чтобы, свободно свисая, он указывал угол на шкале. Пусть не особенно тонкий и точный, этот простой прибор, если навести его на Полярную звезду, определит вашу широту с погрешностью в несколько градусов, то есть покажет, насколько далеко вы от экватора, плюс-минус несколько сот километров.
Много более изящный и точный инструмент создан в середине XVIII в. и поныне широко применяется как аварийный навигационный прибор в случае отказа GPS и перебоев в электропитании. В секстанте используется одна шестая полного круга, откуда и его название, он действует по тому же принципу, что и квадрант, и появившийся позже октант, то есть измеряет угол между двумя объектами. Он с высокой точностью измеряет высоту Солнца, Полярной звезды и, в сущности, любой другой звезды над горизонтом, что весьма ценно для навигации. Конструкцию этого удивительного снаряда легко воссоздать, и как только ваша возрождающаяся цивилизация вновь освоит умение придавать форму металлу, обтачивать линзы и серебрить зеркала, вы будете готовы к изготовлению секстанта.
Рама секстанта — это сектор круга величиной 60°, вроде куска пиццы, поставленного вертикально, острием к небу. Вращающаяся стрелка, закрепленная на вершине рамы, свисая вниз, указывает угол на шкале, которая нанесена по внешнему ободу. Главный компонент секстанта — закрепленное на его переднем ребре полупрозрачное зеркало, сквозь которое наблюдатель может видеть. Другое зеркало, установленное под углом на шкиве стрелки, проецирует на полупрозрачное зеркало тот объект, на который нацелен прибор, таким образом накладывая один вид на другой.
Глядя в зрительную трубу, наклоните секстант, чтобы сравнять изображение с горизонтом в полупрозрачном зеркале. Двигайте стрелку, пока отражение Солнца или иной наблюдаемой вами звезды не «скрутится» вниз и не окажется прямо на линии горизонта (чтобы защитить глаза от яркого блеска, между зеркалами можно поместить кусочки темного стекла). Угловую высоту светила покажет стрелка на круговой шкале.
Составив заново карту звездного неба и таблицы расположения самых ярких звездных «маяков» в разные дни и часы, вы сможете определить свою широту по положению любого из этих светил, даже если Полярной звезды не видно. А составив таблицу полдневной высоты солнца для разных дат и широт, вы сможете в пути определять свою широту при помощи секстанта и календаря еще и днем. Для тех, кто умеет его читать, небо — удивительный многофункциональный инструмент, сообщающий и широту места, и время суток.
К сожалению, вторую координату, необходимую для описания местоположения объекта, — долготу — узнать совсем не так просто. Трудно определить по небу, насколько восточнее нулевого меридиана ты находишься, поскольку вращение Земли постоянно перемещает нас в этом направлении. Если продолжить аналгию с Нью-Йорком и выжать из нее все, моряки в XVII столетии легко сказали бы вам, на какой улице они находятся, но вот определить авеню было для них практически невозможно. Единственным выходом для них оставалось плавание по счислению — зная начальное положение и примерную скорость и надеясь, что неведомые течения не слишком снесут с курса, идти до широты, на которой не пройдешь мимо нужного места, а затем двигаться строго на восток или на запад по этой параллели, пока не достигнешь, при должной удаче, пункта назначения.
Земля вращается на восток, отчего солнце и звезды как будто движутся по небу. По положению солнца мы узнаем время дня (мы уже рассказали об устройстве солнечных часов), и, значит, задача определения долготы — то есть насколько далеко вы продвинулись вокруг Земли от нулевого меридиана — сводится к тому, чтобы установить разницу во времени суток между нулевым меридианом и тем местом, где вы находитесь. За 24 часа Земля поворачивается на 360°, так что разница в один час соответствует 15° долготы. И определение долготы, таким образом, — это измерение времени, переведенного в расстояние. Строго говоря, вам наверняка приходилось отчетливо почувствовать долготу на себе: современные скоростные авиалайнеры доставляют нас в далекие места, где время сильно разнится с привычным нам, быстрее, чем наш организм успевает к этому адаптироваться: до появления GPS навигационные приборы эксплуатировали то же явление, которым вызывается джетлаг!
Словом, чтобы найти вторую координату, необходимую для описания вашего местоположения, можно взять секстант и установить время дня в месте, где вы находитесь, а затем соотнести его с тем временем, какое в эту же минуту на нулевом меридиане. Вся беда, однако, в том, что об эталонном времени на нулевом меридиане нужно как-то сообщить в отдаленные области планеты.
Проблема разрешилась с появлением надежных хронометров, невосприимчивых к корабельной качке в бурном море и сохраняющих точность хода на протяжении нескольких месяцев, а то и лет плавания. Очевидно, что система с маятником и гирей для корабельных часов не годится и оба этих компонента заменила пружина. Для осциллятора подходит балансирная пружина, узкая полоса металла, закрученная в спираль вокруг оси махового колеса, качающегося, как маятник. Функция этого маховика — та же, что у маятника, но возвращающее усилие в конечной точке колебания обеспечивается не гравитацией, а натяжением пружины. Туго закрученная спираль, обладающая запасом энергии, также обеспечивает усилие, нужное для вращения зубчатых колес. Этот источник энергии значительно компактнее, чем опускающаяся гиря, но применение пружины ставит новую проблему, для решения которой понадобилось особое изобретение. Беда в том, что усилие раскручивающейся пружины изменяется: мощное вначале, оно убывает по мере ослабления пружины. Лучший способ урегулировать это усилие и, значит, упорядочить ход часов — прицепить свободный конец спиральной пружины к цепи, намотанной на конический барабан, так называемую фузею. Пружина раскручивается, и цепь сползает на все более широкие ярусы барабана, за счет чего увеличивается рычаг, и это компенсирует снижение крутящего момента.
