Sextante

Un sextante es un instrumento de navegación de doble reflexión que mide la distancia angular entre dos objetos visibles. Su uso principal es medir el ángulo entre un objeto astronómico y el horizonte en la navegación celeste .

Estimar este ángulo, la altitud, se conoce como avistar o disparar al objeto, o tomar una mira . El ángulo y el momento en que se midió se pueden usar para calcular una línea de posición en una carta náutica o aeronáutica ; por ejemplo, avistar el Sol al mediodía o Polaris por la noche (en el hemisferio norte) para estimar la latitud (con reducción de la mira ). Avistar la altura de un punto de referencia puede dar una medida de distancia y, sostenido horizontalmente, un sextante puede medir ángulos entre objetos para una posición en una carta . ^{[ 1 ]} Un sextante también se puede usar para medir la distancia lunar entre la luna y otro objeto celeste (como una estrella o un planeta) para determinar el Tiempo Medio de Greenwich y por lo tanto la longitud .

El principio del instrumento fue implementado por primera vez alrededor de 1731 por John Hadley y Thomas Godfrey , pero también se encontró posteriormente en los escritos inéditos de Isaac Newton . ^{[ 2 ]}

En 1922, el navegante y oficial naval portugués Carlos Viegas Gago Coutinho modificó el sextante para la navegación aeronáutica.

Al igual que el cuadrante de Davis , el sextante permite medir objetos celestes con respecto al horizonte, en lugar de con respecto al instrumento. Esto proporciona una precisión excelente. Además, a diferencia del asta trasera , el sextante permite la observación directa de las estrellas. Esto posibilita su uso nocturno, cuando el asta trasera resulta difícil de utilizar. Para las observaciones solares, los filtros permiten la observación directa del Sol.

Dado que la medición es relativa al horizonte, el puntero de medición es un haz de luz que llega hasta el horizonte. Por lo tanto, la medición está limitada por la precisión angular del instrumento y no por el error sinusoidal de la longitud de una alidada , como ocurre en un astrolabio náutico o en instrumentos antiguos similares.

Un sextante no requiere una puntería completamente estable, ya que mide un ángulo relativo. Por ejemplo, al usar un sextante en un barco en movimiento, la imagen tanto del horizonte como del objeto celeste se desplazará dentro del campo de visión. Sin embargo, la posición relativa de ambas imágenes se mantendrá constante, y siempre que el usuario pueda determinar cuándo el objeto celeste toca el horizonte, la precisión de la medición seguirá siendo alta en comparación con la magnitud del movimiento.

El sextante no depende de la electricidad (a diferencia de muchos sistemas de navegación modernos) ni de señales controladas por humanos (como el GPS). Por estas razones, se considera una herramienta de navegación de respaldo sumamente práctica para los barcos.

El marco de un sextante tiene la forma de un sector que es aproximadamente 1/6 de círculo (60°), ^{[ 3 ]} de ahí su nombre ( sextāns, sextantis es la palabra latina para "un sexto"). Se utilizan (o se utilizaban) instrumentos tanto más pequeños como más grandes: el octante , el quintante ( o pentante ) y el cuadrante (de doble reflexión) [4] abarcan sectores de aproximadamente 1/8 de círculo (45°), 1/5 de círculo (72°) y 1/4 ^{de círculo (} 90 ° ) , respectivamente . Todos estos instrumentos pueden denominarse "sextantes".

En el marco se encuentran el espejo de horizonte, un brazo indexador que mueve dicho espejo , un telescopio de puntería , parasoles, una escala graduada y un micrómetro de tambor para mediciones precisas. La escala debe estar graduada de manera que las divisiones de grados marcadas registren el doble del ángulo de giro del brazo indexador. Las escalas del octante, sextante, quintante y cuadrante están graduadas desde valores inferiores a cero hasta 90°, 120°, 140° y 180° respectivamente. Por ejemplo, el sextante ilustrado tiene una escala graduada de -10° a 142°, que es básicamente un quintante: el marco es un sector circular que subtiende un ángulo de 76° en el punto de pivote del brazo indexador.

La necesidad de duplicar la escala de lectura se deriva de la consideración de las relaciones entre el rayo fijo (entre los espejos), el rayo del objeto (proveniente del objeto observado) y la dirección de la normal perpendicular al espejo índice. Cuando el brazo índice se mueve un ángulo, digamos 20°, el ángulo entre el rayo fijo y la normal también aumenta en 20°. Pero el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, por lo que el ángulo entre el rayo del objeto y la normal también debe aumentar en 20°. Por lo tanto, el ángulo entre el rayo fijo y el rayo del objeto debe aumentar en 40°. Este es el caso que se muestra en el gráfico.

Actualmente existen dos tipos de espejos de horizonte en el mercado. Ambos tipos ofrecen buenos resultados.

Los sextantes tradicionales cuentan con un espejo semihorizontal que divide el campo de visión en dos. En un lado se observa el horizonte y en el otro, el objeto celeste. La ventaja de este tipo de sextante es que tanto el horizonte como el objeto celeste se ven brillantes y nítidos. Esto resulta superior de noche y con niebla, cuando el horizonte o la estrella que se observa pueden ser difíciles de ver. Sin embargo, es necesario barrer el objeto celeste para asegurar que su borde inferior toque el horizonte.

Los sextantes de horizonte completo utilizan un espejo de horizonte parcialmente plateado para ofrecer una visión completa del horizonte. Esto facilita la observación del momento en que el borde inferior de un objeto celeste toca el horizonte. Dado que la mayoría de las observaciones son del Sol o la Luna, y la bruma es poco frecuente sin cielo nublado, las ventajas del espejo de medio horizonte en condiciones de poca luz rara vez resultan importantes en la práctica.

En ambos tipos, los espejos más grandes ofrecen un campo de visión mayor y, por lo tanto, facilitan la localización de un objeto celeste. Los sextantes modernos suelen tener  espejos de 5 cm o más, mientras que los sextantes del siglo XIX rara vez tenían un espejo de más de 2,5 cm (una pulgada). Esto se debe en gran parte a que la fabricación y el plateado  de espejos planos de precisión se han vuelto menos costosos .

Un horizonte artificial resulta útil cuando el horizonte es invisible, como ocurre con la niebla, en noches sin luna, en calma, al observar a través de una ventana o en terrenos rodeados de árboles o edificios. Existen dos diseños comunes de horizonte artificial. Uno puede consistir simplemente en una pequeña piscina de agua protegida del viento, que permite al usuario medir la distancia entre el cuerpo celeste y su reflejo, y dividirla por dos. Otro diseño permite acoplar un tubo con líquido y un indicador de burbuja directamente al sextante.

La mayoría de los sextantes también incluyen filtros para observar el Sol y reducir los efectos de la bruma. Estos filtros suelen consistir en una serie de lentes de oscurecimiento progresivo que pueden usarse individualmente o en combinación para disminuir la bruma y el brillo del Sol. Sin embargo, también se han fabricado sextantes con filtros polarizadores ajustables, cuyo grado de oscuridad se regula girando el marco del filtro.

La mayoría de los sextantes incorporan un monocular de 1 o 3 aumentos para la observación. Muchos usuarios prefieren un simple tubo de puntería, que ofrece un campo de visión más amplio y luminoso, y es más fácil de usar de noche. Algunos navegantes utilizan un monocular con amplificador de luz para ver el horizonte en noches sin luna. Otros prefieren usar un horizonte artificial iluminado.

Los sextantes profesionales utilizan una medida de grados con clic y un ajuste de tornillo sin fin que mide hasta un minuto , 1/60 de grado . La mayoría de los sextantes también incluyen un nonio en el dial del tornillo sin fin que mide hasta 0,1 minutos. Dado que 1 minuto de error equivale aproximadamente a una milla náutica , la mejor precisión posible en la navegación astronómica es de aproximadamente 0,1 millas náuticas (190 m) . En el mar, los resultados dentro de varias millas náuticas, dentro del alcance visual, son aceptables. Un navegante altamente capacitado y experimentado puede determinar la posición con una precisión de aproximadamente 0,25 millas náuticas (460 m) . ^{[ 5 ]}  

Un cambio de temperatura puede deformar el arco, generando imprecisiones. Muchos navegantes adquieren estuches impermeables para poder colocar su sextante fuera de la cabina y que alcance el equilibrio térmico con el exterior. Los diseños de marco estándar (véase la ilustración) están diseñados para compensar el error angular diferencial debido a los cambios de temperatura. El mango está separado del arco y del marco para evitar que el calor corporal deforme este último. Los sextantes para uso tropical suelen pintarse de blanco para reflejar la luz solar y mantenerse relativamente fríos. Los sextantes de alta precisión cuentan con un marco y un arco de invar (un acero especial de baja expansión). Algunos sextantes científicos se han construido con cuarzo o cerámica, materiales con una expansión aún menor. Muchos sextantes comerciales utilizan latón o aluminio de baja expansión. El latón tiene una menor expansión que el aluminio, pero los sextantes de aluminio son más ligeros y menos fatigantes de usar. Algunos afirman que son más precisos porque la mano tiembla menos. Los sextantes con marco de latón macizo son menos propensos a oscilar con vientos fuertes o cuando el barco navega en mares agitados, pero, como se ha mencionado, son considerablemente más pesados. También se han fabricado sextantes con marcos de aluminio y arcos de latón. En esencia, un sextante es algo muy personal para cada navegante, y este elegirá el modelo con las características que mejor se adapten a sus necesidades.

Los sextantes aeronáuticos ya no se fabrican, pero tenían características especiales. La mayoría contaban con horizontes artificiales que permitían realizar observaciones a través de una ventana superior a ras de la cabina. Algunos también tenían promediadores mecánicos para realizar cientos de mediciones por observación y compensar las aceleraciones aleatorias en el fluido del horizonte artificial. Los sextantes aeronáuticos más antiguos tenían dos trayectorias visuales: una estándar y otra diseñada para su uso en aeronaves de cabina abierta, que permitía observar directamente desde encima del sextante sobre el regazo. Los sextantes aeronáuticos más modernos eran periscópicos , con solo una pequeña proyección sobre el fuselaje . Con estos, el navegante precalculaba su observación y luego anotaba la diferencia entre la altura observada y la prevista del cuerpo celeste para determinar su posición.

La medición del ángulo entre el Sol , una estrella o un planeta y el horizonte se realiza con el telescopio estelar acoplado al sextante, utilizando un horizonte visible. En un barco en alta mar, incluso en días de niebla , la medición puede realizarse desde una altura baja sobre el agua para obtener un horizonte más nítido y preciso. Los navegantes sujetan el sextante por el mango con la mano derecha, evitando tocar el arco con los dedos. ^{[ 6 ]}

Para la observación solar, se utiliza un filtro para contrarrestar el resplandor, como por ejemplo, unas pantallas que cubren tanto el espejo índice como el espejo del horizonte, diseñadas para evitar daños oculares. Inicialmente, con la barra índice ajustada a cero y las pantallas cubriendo ambos espejos, se apunta el sextante hacia el sol hasta que este se pueda observar en ambos espejos a través del telescopio. A continuación, se baja verticalmente hasta que la porción del horizonte directamente debajo del sol se vea en ambos espejos. Es necesario retirar la pantalla del espejo del horizonte para poder verlo con mayor claridad. Al soltar la barra índice (ya sea aflojando un tornillo de sujeción o, en instrumentos modernos, usando el botón de liberación rápida) y moverla hacia valores más altos de la escala, la imagen del sol reaparecerá en el espejo índice y podrá alinearse aproximadamente con el nivel del horizonte en el espejo del horizonte. Luego, se gira el tornillo de ajuste fino en el extremo de la barra índice hasta que la curva inferior (el limbo inferior ) del sol toque el horizonte. Al girar el sextante alrededor del eje del telescopio, se asegura que la lectura se realice con el instrumento en posición vertical. El ángulo de la mira se lee en la escala del arco, utilizando el micrómetro o la escala vernier proporcionada. Simultáneamente, se debe anotar la hora exacta de la mira y registrar la altura del ojo sobre el nivel del mar. ^{[ 6 ]}

Un método alternativo consiste en estimar la altitud (ángulo) actual del Sol a partir de tablas de navegación, luego ajustar la barra de índice a ese ángulo en el arco, aplicar las sombras adecuadas solo al espejo de índice y apuntar el instrumento directamente al horizonte, moviéndolo de un lado a otro hasta que se vea un destello de los rayos del Sol en el telescopio. A continuación, se realizan los ajustes finos como se describió anteriormente. Este método tiene menos probabilidades de éxito para la observación de estrellas y planetas. ^{[ 6 ]}

Las observaciones de estrellas y planetas se realizan normalmente durante el crepúsculo náutico, al amanecer o al atardecer , cuando tanto los cuerpos celestes como el horizonte marino son visibles. No es necesario usar parasoles ni distinguir el limbo inferior, ya que el cuerpo aparece como un simple punto en el telescopio. La Luna se puede observar, pero parece moverse muy rápido, presenta diferentes tamaños en distintos momentos y, a veces, solo se puede distinguir el limbo inferior o superior debido a su fase . ^{[ 6 ]}

Tras realizar una observación, se determina su posición mediante diversos procedimientos matemáticos. El método más sencillo consiste en trazar el círculo de igual altitud del objeto celeste observado sobre un globo terráqueo. La intersección de dicho círculo con una trayectoria de navegación a estima, o con otra observación, proporciona una ubicación más precisa.

Los sextantes se pueden usar con gran precisión para medir otros ángulos visibles, por ejemplo, entre dos cuerpos celestes y entre puntos de referencia en tierra. Utilizado horizontalmente, un sextante puede medir el ángulo aparente entre dos puntos de referencia, como un faro y la aguja de una iglesia , lo que permite calcular la distancia mar adentro (siempre que se conozca la distancia entre ambos puntos). Utilizado verticalmente, la medición del ángulo entre la linterna de un faro de altura conocida y el nivel del mar en su base también permite calcular la distancia. ^{[ 6 ]}

Debido a la sensibilidad del instrumento, es fácil desajustar los espejos. Por ello, conviene revisar el sextante con frecuencia y ajustarlo según sea necesario.

Hay cuatro errores que el navegador puede corregir, y deben eliminarse en el siguiente orden.

Error de perpendicularidad

Esto ocurre cuando el espejo índice no es perpendicular al marco del sextante. Para comprobarlo, coloque el brazo índice a unos 60° sobre el arco y sostenga el sextante horizontalmente con el arco alejado de usted, a la distancia de un brazo, y mire a través del espejo índice. El arco del sextante debería parecer continuo en el espejo. Si hay un error, las dos imágenes se verán interrumpidas. Ajuste el espejo hasta que el reflejo y la imagen directa del arco parezcan continuos.

Error lateral

Esto ocurre cuando el cristal/espejo del horizonte no es perpendicular al plano del instrumento. Para comprobarlo, primero ponga a cero el brazo índice y observe una estrella a través del sextante. A continuación, gire el tornillo tangente hacia adelante y hacia atrás de manera que la imagen reflejada pase alternativamente por encima y por debajo de la visión directa. Si al cambiar de una posición a otra, la imagen reflejada pasa directamente sobre la imagen no reflejada, no hay error lateral. Si pasa hacia un lado, hay error lateral. Como alternativa, el usuario puede sostener el sextante de lado y observar el horizonte para comprobar su funcionamiento durante el día. Si hay dos horizontes, hay error lateral. En ambos casos, ajuste el cristal/espejo del horizonte hasta que la estrella o la imagen dual del horizonte se fusionen en una sola. El error lateral generalmente no tiene consecuencias para las observaciones y puede ignorarse o reducirse a un nivel que solo resulte inconveniente.

Error de colimación

Esto ocurre cuando el telescopio o el monocular no están paralelos al plano del sextante. Para comprobarlo, observe dos estrellas separadas por 90° o más. Alinee las dos estrellas a la izquierda o a la derecha del campo de visión. Mueva ligeramente el sextante para que las estrellas se desplacen al otro lado del campo de visión. Si se separan, existe un error de colimación . Dado que los sextantes modernos rara vez utilizan telescopios ajustables, no es necesario corregir el error de colimación.

Error de índice

Esto ocurre cuando los espejos índice y horizonte no son paralelos entre sí al poner el brazo índice a cero. Para comprobar si hay error de índice, ponga el brazo índice a cero y observe el horizonte. Si la imagen reflejada y la directa del horizonte están alineadas, no hay error de índice. Si una está por encima de la otra, ajuste el espejo índice hasta que ambos horizontes se fusionen. Como alternativa, se puede realizar el mismo procedimiento de noche utilizando una estrella o la Luna en lugar del horizonte.

• Oficina del Almanaque Náutico de Su Majestad. Archivado el 21 de febrero de 2011 en Wayback Machine.
• Historia de la Oficina del Almanaque Náutico de Su Majestad. Archivado el 24 de junio de 2016 en Wayback Machine.
• Capítulo 17 de la edición en línea de *American Practical Navigator* de Nathaniel Bowditch.
• Comprenda la diferencia entre un sextante antiguo y una réplica. Archivado el 17/08/2017 en la Wayback Machine.
• CD-Sextant - Construye tu propio sextante. Un sencillo proyecto para hacerlo tú mismo.
• Sitio web de Lunars. Cálculo en línea.
• Libro completo de teoría de navegación lunar, incluyendo Lunars.