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La astronomía de posición como ciencia náutica


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LA ASTRONOMÍA DE POSICIÓN COMO CIENCIA NÁUTICA

Dr. José Perera Marrero

No se sabe a ciencia cierta cuando el homínido sintió la necesidad de intentar franquear un medio, que no es el suyo para averiguar que había más allá pero suponemos que fue cuando se desarrolló el cerebro lo suficiente para adquirir esa característica que le hace averiguar siempre lo desconocido, cosa que los demás animales no han logrado aún, sin lugar a dudas el espíritu aventurero es humano. Desde ese comienzo el hombre intentó solventar los problemas que un medio tan hostil como la mar le suponía sobre todo en saber como navegar hacia donde él quería y saber donde se encontraba.

La respuesta al primer interrogante, es decir, dirigir la embarcación hacia donde el navegante deseaba se solucionó con el compás magnético que ha sido el instrumento náutico más importante de todos los tiempos y que no fue conocido en occidente hasta la edad media en que el primer relato sobre la imantación de una aguja metálica por el contacto la magnetita fue escrito por el monje y estudioso inglés Alexander Neckham que nació en 1157 el mismo día que el rey Ricardo I (Corazón de León). Curiosamente la madre de Alexander amamantó a los dos y veintitrés años más tarde Neckham daba clases en la Universidad de París mientras su hermano de leche perfeccionaba en Aquitania (tierra de su madre) sus dotes de guerrero y alborotador medieval.

Mientras la humanidad limita sus navegaciones a cortas distancias tales como el AMare Nostrun@ olas navegaciones costeras de los árabes y asiáticos, en las que se perdía de vista la costa más próxima, poco tiempo, el conocer la situación con exactitud tenía poca importancia pues a las pocas horas se estaba recalando en la costa y dado que aquellos marinos basaban sus conocimientos en la experiencia acumulada en años de hacer las mismas derrotas conocían el punto de la costa en el que se encontraban nada más verla y ya solo era cuestión de corregir la proa hacia el lugar de destino.


En el año 1492 se descubre América y esto conlleva navegaciones oceánicas y estar mucho tiempo haciendo navegación de estima, es decir teniendo que basarse en situaciones estimadas por rumbo y velocidad, el rumbo se podía conocer sin problemas por el compás pero la velocidad era un factor que se medía con un instrumento llamado corredera y que consistía en un sector circular de madera de unos veintitrés centímetros de radio al que se le incrustaban unos dados de plomo cerca del borde curvo y que estaba provisto de tres cabos pequeños a modo de vientos de una cometa de nuestra infancia que se unían en un punto al cual iba ayustado una larga línea que tenía un nudo hecho cada cuarenta pies (14,63 m.). Para medir la velocidad se echaba la pieza de madera en forma de sector circular por la popa que quedaba perpendicular a la superficie de la mar, por efecto de los dados de plomo, y se daba vuelta a una ampolleta (reloj de arena) que marcaba treinta segundos, un marinero iba contando el número de nudos que salían por su mano desde el carretel en el que iba adujada la línea, de ahí viene el medir la velocidad de un buque en nudos, que ha llegado hasta nuestros días. Como se comprenderá fácilmente los errores cometidos con semejante sistema de calcular la distancia eran considerables, arrastrándolo un gran número días y por tanto cometiendo errores de consideración en el cálculo de la situación esto trajo funestas consecuencias en varias ocasiones siendo la más grave la de la noche del 23 de octubre de 1707 en que la flota del almirante Sir Cloudesley Shovell embarrancó en las islas Scilly, por un error en la recalada debido a los errores en la estima entre los buques Association, Eagle, Firebrand y Romney se perdieron dos mil vidas entre oficiales y marineros, entre ellas la del propio almirante Shovell. Aunque si lo comparamos con el sistema que se utilizó hasta ese momento, que consistía en arrojar al agua una astilla de madera por la proa y medir el tiempo que tardaba en recorrer la eslora de la embarcación, el tiempo también se medía de forma absolutamente rudimentaria con una ampolleta, evidentemente el sistema de la corredera de patente, que es como se llama, es mucho más sofisticado y Aexacto@ que el de la astilla de madera. Aquí me gustaría hacer un pequeño paréntesis y hablar del primer viaje de Colón en el que relata en Asu@ diario de navegación, que sin duda como ustedes saben es rescrito con posterioridad al viaje porque el auténtico se perdió oportunamente para dar lugar a la firma del tratado de Tordesillas. Pues como les iba relatando, en ese diario comenta Colón que hubo un momento en que la tripulación se le amotinó porque quería regresar al no haber encontrado tierra. Basándome en las investigaciones del colega de la Universidad de Cádiz Dr. Luis Coín que ha hecho un análisis pormenorizado en los archivos de indias y los de Portugal.

Seamos capaces de ponernos en situación. Una vez conseguido de los Reyes Católicos la financiación del viaje, aparece un genovés que nadie conoce en Palos de la Frontera (Huelva), que quiere reclutar unas tripulaciones para ir a la aventura adentrándose en el Atlántico, mar desconocido que hasta ese instante era Atabú@ en el que había dragones que engullían a los barcos enteros, como es natural no encontró ninguno. Sin embargo, como Colón vivía en el Monasterio de la Rábida cuyo prior, Fray Antonio de Marchena era su confesor, éste le dijo a los hermanos Pinzón que el genovés sabía a donde iba pues la conocida como carta de Juan de la Cosa no es tal, sino que era de Colón al cual se la había dado un piloto portugués que recaló años después de haber sido arrastrado por temporal (posiblemente la cola de un ciclón tropical que corrió en popa), en la isla de Porto Santo (Archipiélago de la Madeira) en donde vivía Colón porque estaba casado con la hija del gobernador de dicha ínsula. Los hermanos Pinzón se lo comunicaron a su gente diciéndole que ellos iban a ir con él y claro está, que aquella gente que conocía a los Pinzón y que había navegado con ellos toda su vida, no tuvieron ningún inconveniente en embarcarse pero le hicieron firmar un contrato a Colón donde a las 750 leguas (2.400 millas), si no habían encontrado tierra darían la vuelta porque el problema de la época en las navegaciones largas era el agua que pasado un cierto tiempo se corrompía y no era bebible. Como es lógico en una persona que sabía a donde iba y que tenía claro la distancia a la costa americana asintió al pacto porque lo acordado le era suficiente, pero al tener que apreciar las distancias por estima con tan burdos métodos de medir la velocidad cometieron un error considerable y por eso ocurrió el motín.



Como hemos visto el sistema de la Aestima@ no era idóneo para calcular la situación sobre todo la longitud puesto que la latitud hace muchos años que se sabía calcular, los antiguos griegos ya sabían que altura de la estrella α Ursa Majoris (Polar) con unas pequeñas correcciones daba la latitud así como también desde antiguo se sabía que con un cálculo sencillo a través de la declinación y la altura se hallaba dicha latitud en el instante del paso de los astros por el meridiano del lugar. Precisamente en las navegaciones oceánicas lo que se contraía con mayor rapidez era la diferencia en longitud al ser las derrotas que se llevaban próximas al E u W. Este fue el motivo del desastre del almirante Shovell en las islas Scilly a raíz del cual se creó una comisión, por parte del almirantazgo británico denominada Acomisión de la longitud@ que estableció un premio de 20.000 , a quien descubriera un método para calcular la longitud. Esta comisión estaba integrada por gente de ciencia importante como era los astrónomos Edmund Halley y el físico y matemático Isaac Newton, hubo mucha gente que presentó métodos prácticamente inútiles e irrisorios basados en la brujería y que fueron rechazados inmediatamente. Los astrónomos propusieron un método basado en las distancias lunares puesto que la Luna era un Aastro@ lo suficientemente cerca y cambiable para poder utilizarlo como base para ver las variaciones de otros astros en un lugar determinado y compararlo con los de otro lugar, se construyeron tablas para ello y se utilizó en navegación pero entrañaba una gran dificultad el observar las distancias de las estrellas con la Luna a bordo de un barco con los balances y cabezadas, peso a ello individuos como Masckerline que era un clérigo astrónomo perseveró en ello en contraposición con el que resolvió el problema que fue John Harrison un relojero inglés y estudioso de la mecánica. Antes de hablar de este tema tengamos presente que la diferencie en longitud no es otra cosa que una diferencia de tiempos, pues si la Tierra tarda 24 horas en dor una revolución sobre si misma, o sea en dar un giro de 3600 significa que cada 150 es una hora de tiempo, luego si tenemos un reloj que nos marque la hora del puerto base, en este caso el del meridiano cero (Greenwich), cuando ocurre una efeméride tal como el paso de un astro por el meridiano y vemos la diferencia horaria cuando ocurre lo mismo en nuestro lugar no tenemos más que relacionar la diferencia de tiempo a razón de 150 la hora y sabremos la longitud en grados y minutos.

El único problema que se planteaba era que los relojes que tuvieran que marcar la hora del meridiano cero fueran muy exactos o lo bastante para que los errores acumulados fueran despreciables o al menos asumibles. Los relojes de la época distaban mucho de ser exactos pues lo normal es que un buen reloj atrasara o adelantara 10 o 12 minutos diarios, además no era una cantidad constante como no podía ser menos, pues estaban sometidos a continuos cambios de temperatura las piezas metálicas de las que estaban construidos.

John Harrison construyó un primer cronómetro llamado el H - 1 en la solucionó el problema de las dilataciones con el par bimetálico que ha llegado a nuestros días y dotando a dichos cronómetros de un sistema de péndulo especial para que pudieran soportar los balances y cabezadas de los buques. Este cronómetro fue probado con excelentes resultados en un viaje hasta Lisboa, no obstante Harrison, que era un perfeccionista no estaba conforme y construyó un H - 2 y sucesivamente un H - 3 y un H - 4 que era un modelo más manejable y fue probado por el capitán James Cook en sus viajes, del cual hizo un informe ponderándolo en su justo valor diciendo que era uno de los instrumentos más importantes en la navegación. El cronómetro marino ha llegado hasta nuestros días y es un instrumento imprescindible en la navegación astronómica y obligatorio en los buques de hoy. Vaya desde este modesto capitán, que les habla, mi más sincero reconocimiento y agradecimiento a John Harrison personaje que casi nadie conoce, fuera del mundo marítimo, y al que se le deben muchas vidas.

A partir del cronómetro se comenzó a calcular la longitud de una forma fiable calculando el ángulo horario de los astros una vez tomada la altura de éstos con el octante, quintante o más modernamente el sextante, aplicando la ecuación correspondiente y comparándola con el ángulo horario del astro referido al meridiano de Greenwich en el instante de la toma de la altura del astro en cuestión tomando la hora de dicho instante con el cronómetro que es el que nos marca la hora del primer meridiano.


El único inconveniente que tiene este sistema es que uno de los factores de la ecuación para hallar el ángulo horario es la latitud y todo error cometido por desconocimiento de ésta se refleja en la longitud obtenida, no así los demás factores que al ser coordenadas referidas al astro y al Ecuador son independientes de la posición del observador y por tanto pueden venir tabuladas´, cosa que ya hacen todos los estados del mundo desarrollado, mediante los organismos públicos correspondientes, (en España el observatorio de la Armada en San Fernando, en el Reino Unido el Almirantazgo Británico, en U.S.A. el Defense of Maping, etc.) publicando el almanaque náutico para uso de los navegantes en la cual están tabulados los datos a los que nos referimos por eso en esos primeros tiempos procuraban tener una latitud observada. Primero si era por el día (con el Sol) tomaban todos los datos de dicho astro por el mañana y lo dejaban todo preparado para calcular la longitud pero sin hallarla y esperaban al mediodía verdadero en cuyo instante hallaban la latitud, con esa latitud y la longitud estimada que tenían hacían una estima con el rumbo inverso hasta la hora en que habían obtenido la altura por la mañana y con la latitud así trasladada resolvían la longitud con los parámetros obtenidos previamente y la latitud trasladada y entonces una vez obtenida la longitud observada volvían a hacer otra estima hasta el mediodía verdadero, teniendo de esa manera la situación al mediodía.

En los crepúsculos, que es cuando se pueden observar las estrellas (no olvidemos que para observar hacen falta astros y horizonte) presentaba menos problemas pues siempre podía hallar una latitud por la estrella Polar o por otra estrella que pase por el meridiano en esos momentos y se tendría, simultáneamente, otra estrella con condiciones para hallar la longitud. A partir del cálculo de la longitud la navegación fue menos Aarte de navegar@ y más ciencia aunque nunca ha dejado ser arte, pues aunque hoy se conocen varios métodos de posicionamiento, el marino debe saber cual aplicar en cada momento y cual debe ser más idóneo.



El gran avance en el posicionamiento viene cuando en 1837 el capitán norteamericano y alumno de Harvard, Thomas Sumner navegando cerca de la costa de Irlanda con su brickbarca ACabot@ y tras varios días sin haber obtenido situación, por razones meteorológicas adversas, pudo tomar una altura de Sol, a eso de las 10 de la mañana, en un momento en que se le abrieron las nubes y decidió calcular una longitud ante el apuro que tenía al estar en recalada sin saber a ciencia cierta su situación. El capitán Sumner sabía que al no tener una latitud buena, esa longitud no sería correcta. Sin embargo se le ocurrió que el máximo error que podía tener en la latitud estimada sería de 10 minutos (millas) al norte de la estimada o 10 minutos (millas) al sur y lo que hizo fue calcular tres longitudes con las tres latitudes, la estimada, la estimada más 10 minutos y la estimada menos 10 minutos. Situó los tres puntos en la carta y vio que estaban en línea recta los unió y resultó, casualmente que esta línea pasaba por encima del faro de la isla de Small (tal como se muestra en la figura) él intuyó algo y se puso a navegar según el rumbo que le señalaba dicha recta y al cabo de un corta espacio de tiempo avistó el faro de Small por la proa. Él se guardó este Aenigma@ y cuando llegó a Boston se lo comunicó a los profesores de Harvard al cabo de unos días éstos vieron que se había descubierto el círculo de alturas iguales (aunque sería mejor denominarlo circunferencia de alturas iguales) y que no es otra cosa que el lugar geométrico de los observadores que observan al astro con la misma altura y que al ser una circunferencia de radio muy grande, puede ser sustituido por una recta en un tramo pequeño de la misma que fue lo que precisamente hizo, sin saberlo el capitán Sumner, es decir, él calculo tres puntos de corte del círculo de alturas iguales con tres paralelos y halló la longitud de los mismos.

En el desarrollo posterior de este círculo de alturas se pudo ver que en cualquier punto del mismo el azimut del astro (ángulo horizontal bajo el que se ve la visual al astro contado desde el punto cardinal del polo elevado sobre el horizonte) es perpendicular a la tangente en ese punto y que dicho tramo en un entorne próximo a ese punto se puede sustituir el círculo de alturas por dicha tangente sin cometer un error apreciable dado las dimensiones del círculo, cosa perfectamente realizable en navegación, pues las situaciones estimadas están en un entorno cercano a las observadas. Por eso en navegación se comenzó a llamar recta de altura, la cual se obtenía trazando por el punto de corte de la longitud observada con el paralelo de estima el azimut, siempre fácil de hallar, trazando perpendicular al mismo y por ese punto la recta de altura, sustitución del arco de círculo y además solo tenía que hallar una longitud y no dos como mínimo, aunque seguimos con el problema que el error cometido en la latitud se reflejaría en la longitud calculada. También podría ocurrir que si el azimut del astro fuera próximo al norte o al sur ni siquiera el círculo de alturas cortaría al paralelo de la latitud estimada, por eso este sistema no tendría utilidad sino para astros con azimutes próximos a los puntos cardinales E u W.



La solución a este problema la encontró el almirante francés Marq de Saint Hilaire, que estableció que era mejor hallar el punto de intersección del círculo de alturas con el círculo vertical del astro (círculo, imaginario, de la esfera celeste que pasa por el centro del astro y por el zenit del observador), que por definición es perpendicular al círculo de altura iguales (a la tangente) en todo instante.

A primera vista parece que aumentan las posibilidades de error pues además de la latitud de estima introduce la longitud de estima en el cálculo. En realidad no ocurre eso puesto que la recta obtenida (segmento del círculo de alturas) es independiente de los errores en la estima. En efecto, si la altura calculada es idéntica a la altura estimada el círculo de altura pasa por la posición estimada así que basta trazar por este punto la perpendicular al azimut y tendremos la línea de posición sobre la que nos encontramos. Si existe una diferencia, como ocurre normalmente, quiere esto decir que el barco se halla en un círculo de altura distinto, más grande o más pequeño pero siempre concéntrico, dado en todo momento el centro de dicho círculo está constituido por el astro observado. La altura calculada viene dada por el radio del círculo de altura que pasa por la situación estimada y cuya orientación es el azimut que es el mismo que el de la altura observada y la diferencia de arco en minutos de las dos alturas (la observada menos la estimada) representa la diferencia en millas entre el radio de los dos círculos de altura.

El trazado de la recta de altura (segmento del círculo de altura) es muy sencillo, basta situar la situación estimada en la carta (o en un papel en blanco) y trazar el azimut del astro previamente calculado y sobre él medir a escala en millas la diferencia de altura entre la observada y la estimada, si esta diferencia diera negativa mediríamos en dirección inversa al azimut y trazaríamos la perpendicular al mismo, siendo esta perpendicular la recta de altura, lugar geométrico de la situación del buque.

Su empleo es casi mecánico, permite calcular una situación sin comprender la que se hace tal como lo atestiguan la innumerable cantidad de capitanes de yate que navegan sin tener conocimientos de matemáticas y sin embargo son capaces de hallar situaciones astronómicas y lo que es más, haber superado un examen que los habilita para tal titulación.



Este sistema presenta la ventaja que siempre, tenga el azimut que tenga el astro siempre estará en circunstancias favorables para hallar una situación, puesto que en todo momento, como se ha dicho, el vertical del astro es perpendicular al círculo de alturas y por tanto siempre cortará de forma óptima a dicho círculo y además es independiente del error en la situación estimada (dentro de amplios límites).

Desde que el almirante Saint Hilaire ideó la recta de altura, que es como se conoce este sistema de posicionamiento en el mundo marítimo, ha sido casi exclusivamente el procedimiento utilizado en navegación oceánica hasta que llegaron los sistemas satelitarios, primero el sistema TRANSIT y después el Global Position System. Aún así en las disposiciones de la Organización Marítima Internacional, que es el organismo internacional del que España es miembro y al que pertenecen prácticamente todos los países del mundo con industrias marítimas por pequeñas que sean y que regula los conocimientos que deben reunir los oficiales y capitanes de los buques establece que pese a los sistemas electrónicos existentes es obligatorio el conocimiento exhaustivo de la navegación astronómica por ser este el único sistema autónomo del que dispone un marino.




Posicionamiento Capitán Sumner Explicación del Círculo de Alturas Iguales




Posicionamiento con dos Círculos de Altura




BIBLIOGRAFÍA
J. Perera/E. Melón: “Tratado de Navegación Astronómica”. Departamento de Ciencias y Técnicas de la Navegación de la Universidad de La Laguna. Setiembre 2004.
D. Sobel: “Longitud”. Editorial Debate. Madrid 1997.
A. Gliksman: “Navegación de Crucero y Regata” Editorial Juventud. Barcelona 1981.
A. Le Calvé: “Cours d’Astronomie Nautique”. Editons Maritimes et D’Outre-Mer. París 1960.



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