バックスタッフ (後方棒)

以下の文書は次の最初の部分の翻訳です。使用している絵も英語版の Wikipedia のものです。

バックスタッフはナビゲーション (航行) 用の機器で、一つの天体 ―― 特に太陽や月 ―― の高度を測定するのに使用される。太陽を観測する時に、使用者は太陽を背にして (これが名称の由来)、水平線視準板 (horizon vane) が上方視準板 (upper vane) が落とす影を観測した。これはイングランドのナビゲーターであるジョン・デイビス (John Davis) により発明され、彼は 1954 年の本「船乗りの秘密」 (Seaman's Secrets) でこれを説明している。

バックスタッフは影の射影により太陽の高度を測定する任意の機器に与えられた名称である。後方観測を使用して、太陽の高度を測定するアイデアはトーマス・ハリオット (Thomas Harriot) に起源があるようである。この機器の多くの形式はバックスタッフに分類できるクロス・スタッフから進化した。 (しかし) デイビスの四分儀のみが、ナビゲーション機器の歴史で支配的である。実際は、デイビスの四分儀は本質的にバックスタッフと同じ意味である。しかしながら、デイビスはそのような機器をデザインした最初の人でもないし最後の人でもなく、他の人もここで同様に考察する。

ジョン・デイビス船長 (Captain John Davis) は 1594 年にバックスタッフの 1 つのバージョンを発明した。デイビス (Davis) はナビゲーターで、船乗りのアストロラーベ (mariner's astrolabe)、四分儀 (quadrant)、そしてクロス・スタッフ (cross-staff) のような当時の機器を極めて良く知っていた。彼は各々の固有の欠陥を知っており、このような問題を削減し、太陽の高度を獲得する容易さと精度を増大する新しい機器を作ることで努力した。

四分儀スタッフ (quadrant staff) の初期の 1 バージョンは図 1 で示されている (下の図)。これはスタッフ (棒、staff) に固定された円弧で、スタッフに沿ってスライドすることができた (曲がった形が選択されているが、形は重要でない)。円弧 (A) は水平線視準板 (B) (horizon vane) に影を落とすように置かれている。ナビゲーターはスタッフ (棒、staff) に沿って眺め、水平線視準板のスリットを通して水平線を観測する。影が水平線と揃うように円弧をスライドすることによって太陽の高度が目盛りをつけたスタッフ (棒、staff) で読み取ることができた。これは単純な四分儀であったが、望ましいほど正確ではなかった。この機器の精度はスタッフ (棒、staff) の長さに依存するが、長いスタッフは機器を扱いにくくする。この機器で測定できる最大高度は 45° であった。

彼の四分儀の次のバージョンは図 2 で示される。以前のバージョンの機器上端の円弧はトランサム (transom、横木) に設置された影視準板 (shadow vane) で交換された。このトランサム (transom、横木) を目盛り付きスケールに沿って動かし、目盛り付きスケールがスタッフ (棒、staff) の上の影の角度を表示する。スタッフ (棒、staff) の下に 30° 円弧が追加された。左の水平線視準板 (horizon vane) を通して見た水平線は影と揃えられている。円弧の上の視準板は水平線の視界と揃うまで移動する。観測された角度はトランソム (transom、横木) の位置により表示される角度と円弧のスケールで測定される角度の和である。

さてデイビス (Davis) と同一視される機器は図 3 で示される。この形式は 17 世紀中頃までに進化した。四分儀の円弧は 2 つの部分に分離した。小さな半径の円弧は 60° のスパンがあり、スタッフ (棒、staff) の上に搭載された。大きな半径の円弧は 30° のスパンがあり下に搭載された。両方の円弧は共通の中心がある。共通の中心で、スリットがある水平線視準板が搭載されていた (B)。可動な影視準板 (shadow vane) は、影が水平線視準板に落ちるように上の円弧に設置された。可動な視準板 (moveable sight vane) は下の円弧に搭載されていた (C)。

任意の位置の円弧を読み取るよりも、特別な位置に視準板を置く方が容易である。これはバーニヤ鋭敏 (Vernier acuity) ―― 2 本の線分を正確にそろえる人間の能力 ―― によっている。従って、小さな半径を持つ円弧 ―― 比較的少ない目盛り付け ―― が、特別な角度で、影視準板 (shadow vane) の正確な設置に使用される。一方で、水平線への直線が影と交差する場所に、照準用視準板 (sight vane) を移動するには大きな円弧が必要である。この理由は、位置 (の角度) は 1° のほんの一部分なので、大きな円弧によって小目盛りを高精度化して読み取れるからである。後に、機器の大きな円弧には、主目盛りが可能なよりも高精度で円弧の読み取りを可能にする横断線で印が付いていた。

従って、デイビスは、小さな円弧と大きな円弧の両方を持たせることにより、四分儀の建造を最適化することができ、機器全体をそれほど大きくせずに大きな半径を持つ単一円弧の事実上の精度を可能にした。この形式の機器はバックスタッフ (backstaff) と同じ意味の言葉になり、バックスタッフの最も広く使用された形式の 1 つになった。ヨーロッパ大陸のナビゲーターはこれをイングリッシュ四分儀 (English Quadrant) と呼んだ。

デイビス四分儀の後の修正は影視準板 (shadow vane) の場所に、フラムスティード・ガラス (Flamsteed glass) を使用した; これはジョン・フラムスティード (John Flamsteed) により提案され、水平線視準板 (horizon vane) に影の代わりに太陽の像を射影するレンズを設置した。これは、少しもやがかかったり、少し曇った条件では有益であった; 太陽のぼんやりした像が、水平線視準板に明るく表示され、影では見えなかった。

機器を使用するために、ナビゲーターは影視準板 (shadow vane) を、太陽の高度が想定される場所に置く。機器を目の前に持ち、太陽を背にして、影視準板が落とす影が、スリットの横にある水平線視準板に落ちるように機器を持つ。次に、照準用視準板 (sight vane) を移動して、水平線視準板のスリットを通して、照準用視準板からの直線内に水平線を観測し、一方、同時に影の位置を維持する。これにより、水平線と太陽の間の角度を 2 つの円弧から読み取る角度の合計として測定できた。

影の端は太陽の縁を表示するので、値は太陽の視半径で修正しなければならない。

エルトンの四分儀 (Elton's quadrant) はデイビスの四分儀に由来する。これは人工水平線を提供するためのアルコール水準器を持つインデックス・アームを追加した。

ドミ・クロス (demi-cross, 半クロス) はデイビスの四分儀と同時代の機器である。これはイングランド以外で人気があった。

垂直トランソム (vertical transome、垂直横木) はクロス・スタッフ (cross staff) の半トランソム (half-transome、半横木) に類似し、ここからドミ・クロス (Demi-cross, 半横木) の名称が由来する。これは影視準板 (shadow vane、図 4 の A) を支え、幾つかの高さの 1 つにセットできる (メイ (May) によれば 3、デ・ヒルスター (de Hilster) によれば 4)。影視準板 (shadow vane) の高さを設定することにより、測定できる角度の範囲がセットされる。トランソム (横木、transome) はスタッフ (棒、staff) に沿ってスライドでき、角度はスタッフ (棒、staff) の上の目盛り付きスケールの 1 つから読み取れる。

照準用視準板 (C) と水平線視準板 (B) は水平線と視覚的に揃えられた。影視準板 (shadow vane) の影は水平線視準板 (horizon vane) に落ち、水平線と揃えられて角度が決定された。実際には、この機器は正確であったが、デイビスの四分儀よりもっと扱いにくかった。

プラウ (犂、plough) は短期間存在した普通とは違う機器につけられた名称である。これは部分的にクロス・スタッフ (cross-staff) で、部分的にバックスタッフ (backstaff) である。 図 5 で、 A はトランソム (横木、transom) で、これが B の水平線視準板 (horizon vane) に影を落とす。これは図 1 のスタッフ (棒、staff) と同じ方法で機能する。 C は照準用視準板 (sighting vane) である。ナビゲーターは機器を水平に揃えるために、照準用視準板 (sighting vane) と水平線視準板 (horizon vane) を使用する。照準用視準板はスタッフ (棒、staff) に沿って左右に移動できる。 D はクロス・スタッフ (cross-staff) で見るものと全く同じトランソム (横木、transom) である。このトランソム (横木、transome) には、その上に 2 つの視準板 (vane) があり、スタッフ (棒、staff) に近づけたり、遠ざけたりすることができ、異なる長さのトランソム (横木、transome) の真似をする。トランソム (横木、transome) はスタッフ (棒、staff) の上で移動でき、角度測定に使用できる。

等高度線スタッフは低い高度の太陽の高度を測定するために特に使用された。

クロス・スタッフは通常、直接観測機器である。しかしながら、後には、これは後方観測の使用に変更された。

四分儀の変種 ―― 後方観測四分儀 ―― があった。これは水平線視準板に落ちる影の観測を太陽の高度測定に使用した。

トーマス・フード (Thomas Hood) は 1590 年にこのクロス・スタッフを発明した。これは測量、天文学や他の幾何学問題に使用することができた。

これは 2 つの成分 ―― トランソム (transom、横木) とヤード (yard、帆桁) ―― から構成される。トランソム (transom、横木) は垂直成分で、頂上の 0° から基底部 (bottom) の 45° まで目盛りが付いている。トランソム (transom、横木) の頂上で、視準板 (vane) が搭載され、影を落としている。ヤード (yard、帆桁) は水平で、45° から 90° まで目盛りが付いている。トランソム (transpme、横木) とヤード (yard、帆桁) は特別な接続金具 (fitting, 図 6 の 2 重ソケット (socket)) で結合され、トランソム (transome、横木) の垂直調整とヤード (yhard、帆桁) の水平調整を独立に可能にした。

ヤード (yard、帆桁) をトランソム (transome、横木) の基底部ではなく頂上に設置して、機器を建造することが可能である。

元々、トランソム (transome、横木) とヤード (yard、帆桁) は、この 2 つがそれぞれ 45° の設定で結合されるように設置された。機器はヤード (yard、帆桁) が水平であるように保持される (ナビゲーターはこれで支援するために、ヤードに沿って水平線を見ることができる)。ソケットが緩められ、トランソム (transome) を垂直に移動し、視準板の影がヤードの 90° の設定に落ちるようにする。もしもトランソム (transom) だけの動きでこれが達成できれば、高度はトランソム (transom) の目盛りのみによって与えられる。もしも、このために太陽が高すぎれば、ソケットにおけるヤード (yard) の水平開口部が緩められ、ヤード (yard) を移動して、影が 90° の印に着地することが許される。次にヤード (yard) が高度を与える。

これは相当に正確な機器である、というのは目盛りは従来のクロス・スタッフと比較すれば十分に間隔があいているからである。しかしながら、風があれば、取り扱いが少々やりにくく、困難である。

この装置は、ナビゲーション界におけるバックスタッフ類への末期の追加で、 1748 年にベンジャミン・コール (Benjamin Cole) により発明された。

この機器は一方の端に旋回する四分儀を持つスタッフ (棒、staff) から構成されている。四分儀には目盛り付きスケールの上端 (図 7 の A) に影視準板 (shadow vane) があるが、これはオプションでデイビスの四分儀のフラムスティード・ガラス (Flamsteed glass) のようなレンズにできる。これは水平線視準板 (B) に太陽の影を落とすか、太陽の像を射影する。観測者は照準用視準板 (D) の穴と水平線視準板のスリットを通して水平線を眺め、機器が水平であることを確かめる。四分儀成分を回転して、水平線・太陽の影 (太陽の像) が揃うようにする。次に、高度は四分儀のスケールから読み取ることができる。読み取りを改良するために、円形バーニヤがスタッフ (棒、staff) に搭載されている (C)。

このような機器が 18 世紀中頃に導入された事実は、四分儀は、八分儀がまだ存在しているにせよ、なお通用する機器であったことを示している。

イングランドの科学者のジョージ・アダムス (George Adams) は同じ時に、とても類似したバックスタッフを作っている。アダムス (Adams) のバージョンはフラムスティード・ガラス (Flamsteed glass) と水平線視準板の間の距離は、視準板から照準用視準板への距離に等しいことを保証した。

エドマンド・ガンター (Edmund Gunter) は 1623 年頃にクロス・ボー四分儀 ―― 船乗りの弓 (mariner's bow) ―― を発明した。これは弓のクロス・ボー (crossbow) との類似からその名前を得ている。

この機器で興味があるのは、円弧は 120° であるが、90° 円弧として目盛りが振ってあるのみである。従って、円弧の上の 1° の角度の間隔はわずかに 1° より大きい。機器の実例には 0° から 90° の目盛り、あるいは円弧の中央で 0° から 45° の区間が 2 つ折り返されているものがあった。

訳注

上の記述で「円弧は 120° であるが、90° 円弧として目盛りが振ってあるのみである」とある部分の理解が苦しいが、円弧の中心が A の位置にあれば 90° 円弧であるが、 A よりもずっと右の方に円弧の中心があって、この円弧が 120° 円弧である可能性がありそうだ...。(機器の形をクロス・ボーに似せている。) いずれにせよ説明が抜けている。

機器には 3 つの視準板がある: 水平線視準板 (horizon vane) (図 8 の A)、水平線視準板に影を落とす影視準板 (shadow vane) (B)、ナビゲーターが、水平線視準板とその上の影を見るために使用する照準用視準板 (sighting vane) (C) である。これは、同時に太陽の高度を測定しながら、機器が水平であることを確認する役目を果たしている。高度は影視準板と照準用視準板の角度の位置の差である。

この機器の幾つかのバージョンで、一年の毎日の太陽の赤緯は円弧に記されている。これにより、ナビゲーターは影視準板をその日にセットすることができ、機器は高度を直接読み取ることになった。


図 1. デイビス四分儀の単純な先がけ、彼の本「船乗りの秘密」の中の挿絵、円弧は 45° までの測定に制限	図 2. 第二のデイビス四分儀。彼の本「船乗りの秘密」の中の挿絵、上方の円弧は, 下方の円弧と上方の影を落とすトランソム(横木)と交換、この機器は今や 90° まで測定可能	図 3. 17 世紀中頃までに発展したデイビス四分儀、上方のトランソム(横木)は 60° の円弧と交換


図 4 - ドミ・クロス (Demi-cross)。この機器はデイビスの四分儀と同時代で、イングランド以外で人気。デイビスの四分儀の最初のバージョンと類似 (図 1)		図 5 - プラウ (plough)、クロス・スタッフとバックスタッフの両方の性質を備えた移行期の機器