Teodolitul - instrument de baza in cadrul masuratorilor topografice

Nevoia de determinare a distantelor si de masurare a diverselor dimensiuni pentru realizarea unor proiecte din domeniul constructiilor si din cel al ingineriei, in general, a existat inca din cele mai vechi timpuri.

Astfel, pe parcursul diverselor ere ale civilizatiilor umane succesive s-au folosit o serie de tehnici de masurare si s-a conceput o gama diversa de instrumente specifice pentru acest scop cu care s-a reusit determinarea anumitor parametri in masuratori diverse. A luat nastere, astfel, o stiinta tehnica exacta, distincta, care se ocupa cu reprezentarea grafica a suprafetei terenurilor cu diverse scopuri, de la intocmirea de harti cu utilitate civila sau militara si pana la realizarea de relevee necesare santierelor de constructii a cladirilor sau a obiectivelor de interes strategic (drumuri, cai ferate, porturi, etc.), ori chiar pentru determinare limitelor de proprietate ale unor terenuri in vederea intabularii sau aflarii granitelor intre proprietati.

Unul dintre instrumentele cu un impact major in eficientizarea muncii inginerilor topografi este teodolitul, instrument despre care vei afla mai multe detalii in randurile acestui articol.

Cuprins:

1. Teodolitul si componentele acestui intrument de masurare
2. Masurarea distantelor cu teodolitul si scenariile de lucru in care se apeleaza la acest instrument
3. Putina istorie a teodolitului si evolutia acestui instrument de baza al topografiei

1. Teodolitul si componentele acestui instrument topografic de masurare

Topografia este o ramura a geodeziei care se ocupa cu masurarea si reprezentarea in plan si in profil a reliefului terestru, a constructiilor si a altor obiecte de pe suprafata pamantului. Ea se foloseste atat in scopuri militare, cat si in domenii civile precum constructii, agricultura, urbanism si mediu.

In topografie, se folosesc mai multe metode pentru a masura si reprezenta relieful terestru, cum ar fi masurarea cu teodolitul sau cu statiile totale (instrumente care permit masurarea distantelor si a unghiurilor), masurarea cu GPS (sistem de pozitionare prin satelit), relevee aeriene (utilizarea unui aparat de fotografiat sau a unui laser pentru a obtine imagini ale suprafetei terestre) si relevee terestre (masurarea si reprezentarea terenului prin intermediul observatiilor si masuratorilor efectuate pe teren).

Topografia se bazeaza pe principiul ca orice punct de pe suprafata terestra poate fi descris prin doua coordonate: altitudine (inaltimea fata de un nivel de referinta, cum ar fi nivelul marii) si pozitia orizontala (latitudine si longitudine). Aceste coordonate sunt folosite pentru a reprezenta relieful terestru intr-un plan topografic, care poate fi o harta cu detaliile terenului, cum ar fi dealuri, vai, rauri, drumuri si constructii.

Topografia este doar una dintre disciplinele stiintifice care se subsumeaza masuratorilor terestre. Desigur, in sfera masuratorilor terestre sunt incluse o serie diversa de domenii de la cartografie, geodezie, fotogrammetrie si pana la astronomie geodezica, gravimetrie si topografie.

Topografia este stiinta prin intermediul careia se poate face transpunerea in opera pe teren a unei vaste palete de lucrari civile, industriale sau militare. Astfel, proiectarea de drumuri, delimitarea terenurilor in tarlale si parcele, trasarile necesare pentru amplasamentul viitoarelor constructii sau a celor existente. Toate aceste tipuri de masuratori au la baza instrumente de topografie adecvate dintre care, teodolitele optice, clasice, teodolitele electronice si nivelele optice ocupa locuri importante in inventarul inginerilor topografi.

In cadrul instrumentelor de topografie, teodolitul reprezinta o clasa de unelte de precizie folosit ca tehnica de masurare de inginerii topografi pentru a masura unghiuri in planurile orizontal si vertical. Acesta consta dintr-un telescop rotativ montat pe un trepied, care poate fi nivelat si rotit cu precizie pentru a masura unghiuri fata de obiectele de referinta din apropiere.

Teodolitele sunt instrumente utilizate, in general, pentru a masura unghiuri intre puncte de pe sol, cum ar fi unghiurile dintre doua cladiri sau unghiurile dintre o cladire si o strada din apropiere. Acestea pot fi, de asemenea, folosite pentru a masura inaltimea obiectelor, cum ar fi inaltimea unui munte sau adancimea unei vai. De aceea, teodolitele sunt uneltele de baza, importante, pentru topografi, ingineri si profesionistii din constructii, deoarece permit masuratori precise in teren.

In ceea ce priveste componentele teodolitului acestea se impart in doua mari categorii: componente aferente structurii inferioare sau ale infrastructurii si componente ce apartin structurii superioare ori ale suprastructurii.

Elementele componente comune atat unui teodolit clasic, cat si modelelor moderne, avansate tehnologic cuprind:

• Luneta teodolitului - care ajuta inginerul topograf sa vizeze la o distanta apreciabila diversele repere topografice si sa masoare distantele din punct de vedere optic. Deoarece in acest proces de masurare se foloseste o mira sau o stadie (termenele fiind echivalente) gradata, care este pozitionata de un muncitor topograf ajutor, acest procedeu de masurare a distantelor pe cale optica se numeste determinare stadimetrica.
  
  
• Nivelele teodolitului - sunt instrumente incorporate in cadrul aparatului si care au rolul de a ghida pzitionarea exacta a teodolitului sau, in termeni specifici, calarea aparatului ori pozitionarea perfect orizontala a acestuia cu ajutorul picioarelor trepiedului. Nivelele pot fi sferice sau torice dupa forma pe care o au (sferica sau torica) si sunt construite ca mici recipente gradate la distante de 2 mm umplute cu alcool si o mica bula de aer in interior.
  
  
• Cercul vertical este dispozitivul care permite miscarea pe axa verticala a lunetei si determinarea astfel a unghiurilor de panta sau a celor zenitale.
  
  
• Cercul orizontal sau, in termeni specifici, limbul, este un disc gradat care permite orientarea lunetei in plan orizontal si determinarea unghiurilor orizontale pe teren.
  
  
• Suruburile de reglare ale lunetei permit reglajul optic al acestei componente optice si miscarea sensibila si percisa a acesteia in plan vertical si orizontal.
  
  
• Trepiedul - este suportul teodolitului alcatuit din trei ramuri drepte reglabile independent pe inaltime si cu deschideri unghiulare variabile fata de punctul lor de intersectie. Trepiedul permite calarea precisa a teodolitului in pozitie perfect orizontala pe baza ghidajului nivelelor sau, in cazul teodolitelor electronice cu ajutorul ghidajelor laser..
  
  
• Busola - serveste pentru determinarea orientarii in vederea determinarii coordonatelor punctelor topografice in relatie cu Polul Nord magnetic.
  
  

2. Masurarea distantelor cu teodolitul si scenariile de lucru in care se apeleaza la acest instrument

Prima operatiune care este efectuata in cadrul masuratorilor topografice cu teodolitul este calarea acestuia sau punerea in statie. Calarea are in vedere atat centrarea in axa verticala a aparatului cu ajutorul firului cu plumb sau al bastonului de centrare, in cazul teodolitelor foarte vechi sau prin mijloace optice cu lumina laser la teodolitele moderne. Centrarea corecta este realizata prin trecerea axei verticale a aparatului prin punctul matematic determinat al punctului topografic de pe teren.

Dupa centrare, teodolitul se orizontalizeaza. Aceasta operatiune presupune aducerea in pozitie de lucru a celor doua cercuri ale aparatului, cercul vertical si cercul orizontal, cu ajutorul suruburilor cu care este prevazut teodolitul.

Urmatoarea etapa este reprezentata de punerea la punct a lunetei prin operatiuni de vizare in trei timpi:

• Vizarea aproximativa care are loc prin fixarea colimatorului lunetei pe un semnal topografic si blocarea ulterioara a miscarilor verticale si orizontale;
  
  
• Vizarea la punct care inseamna focalizarea prin ocularul lunetei a imaginii reticulului insemnat pe suprafata lentilei cu ajutorul surubului specific;
  
  
• Vizarea finala sau punctarea lunetei - care consta in suprapunerea centrului reticular de pe lentila lunetei peste semnalul topografic din teren cu ajutorul suruburilor de miscare orizontala si verticala.

Masurarea directa a distentei orizontale intre doua puncte cu ajutorul teodolitului se realizeaza in mod schematic, dupa o firmula de calcul simpla

Unde D reprezinta distanta in linie dreapta orizontala intre cele doua puncte, K este constanta stadimetrica si are intotdeauna valoarea 100, iar H este diferenta intre citiri la doua fire stadimetrice (marcaje pe rigla mirei).

Ca mod de lucru la determinarea cu teodolitul a distantei orizontale intre doua puncte, se pot mentiona urmatoarele etape:

• Se pune in statie teodolitul in unul dintre cele doua puncte;
• Se vizeaza prin lunetea teodolitului mira sustinuta de ajutorul topografului si pozitionata fix, perfect vertical, peste cel de-al doilea punct;
• Se noteaza citirile la firele stadimetrice si se calculeaza media aritmetica care trebuie sa fie egala cu valoarea indicata la firul reticul orizontal;
• Se face calcului dupa formula indicata si de determina astfel distanta cautata.

In cazul masurarii unei distante in plan inclinat, formula se modifica astfel: D = KH cos²α unde α este unghiul de panta al terenului.

In cazul teodolitelor moderne, asa cum este cazul teodolitelor electronice, mira sau stadia este reprezentata de o prisma reflectorizanta care este fixata pe un baston gradat la aceeasi inaltime cu cea la care este positionata axa orizontala a lunetei teodolitului dupa calare sau punerea in statie. Teodolitul electronic emite un semnal (fascicul) laser care este tintit in mijlocul prismei reflectorizante si care este retransmis (prin reflectie) inapoi catre teodolit, iar la receptia acestuia la retur aparatul efectueaza un calcul de determinare a distantei folosindu-se de timpul cronometrat intre emisia si receptia fasciculului laser reflectat de prisma.

Pentru a măsura un unghi, operatorul teodolitului poate roti telescopul în jurul axei sale verticale și poate regla nivelul instrumentului prin intermediul trepiedului. Telescopul poate fi apoi orientat către un obiect de referință din apropiere și poate fi fixat într-o poziție anume prin intermediul unor dispozitive de blocare.

Teodolitul are, de asemenea, o serie de scale și indicatori care permit operatorului să măsoare unghiurile în grade. Acestea pot fi afișate pe o mică fereastră sau pe un ecran digital și pot fi citite de operator.

3. Putina istorie a teodolitului si evolutia acestui instrument de baza al topografiei

Istoria teodolitului se intinde peste mai multe secole și a început cu apariția primelor instrumente de masurare a unghiurilor. Unul dintre cele mai vechi instrumente de acest fel este gnomonul, un dispozitiv utilizat in Grecia antica pentru a masura timpul prin proiectia umbrei. Gnomonul poate fi considerat un precursor al teodolitului, deoarece a permis masurarea unghiurilor intre soare si planul vertical al unui perete.

Epoca Republicii si, in special, cea a Imperiului Roman, au fost cele in care s-au pus bazele a ceea ce mai tarziu avea sa fie meseria de topograf. Finitores, mensores sau agrimensores erau tot atatea denumiri ale specialistilor in topografie ai vremii. Acesti topografi antici aveau drept sarcina masurarea limitelor de proprietate, marcajul terenului in vederea instalarii unei tabere militare, masuratori pentru constrcutii edilitare diverse (apeducte, temple, cladiri) si, in mod special, in vederea constructiei renumitelor drumuri romane. Instrumentul de masura, veritabil stramos al teodolitului de azi, era atunci groma sau gruma de care agrimensorii romani ai vremii se foloseau pentru a trasa linii si unghiuri drepte in teren.

Acest “teodolit” antic era alcatuit dintr-un segment din lemn drept (azi, trepiedul teodolitului) in varful caruia exista un brat de care erau prinse, perpendicular fata de suportul primar, in forma de cruce, alte doua segmente drepte. Fiecare brat al crucii avea prins de capat cate un fir cu un plumb. In mod foarte similar timpului prezent, un ajutor al agrimensorului se deplasa cu o prajina (care azi este cunoscuta sub numele de mira) la o anumita distanta de groma, iar agrimensorul viza prin intermediul acestui aparat mira si determina astfel linii drepte si unghiuri. Se pare ca majoritatea renumitelor drumuri romane, care dainuie si azi in unele zone, au fost construite pe baza masuratorilor determinate astfel.

Teodolitul modern - desigur in forma sa incipienta - a fost dezvoltat in secolul al XVIII-lea si a inceput sa fie utilizat in masuratori topografice si ingineresti. Unul dintre cele mai cunoscute teodolite din acea perioada este cel inventat de catre James Watt, care a fost utilizat pentru măsurarea distantelor si unghiurilor in proiectarea si amplasarea traseelor de cale ferata. In secolul al XIX-lea, teodolitii au devenit din ce in ce mai precisi si au inceput sa fie utilizati in diverse domenii, inclusiv in topografie, inginerie, constructii si cartografie.

In zilele noastre, teodolitele sunt utilizate in continuare in mai multe domenii si au devenit instrumente de precizie indispensabile pentru masurarea unghiurilor si a distantelor in teren. Exista mai multe tipuri de teodolite disponibile pe piata, care se diferentiaza in functie de precizia si de caracteristicile lor.

Azi, alaturi de teodolitele optice, gama instrumentelor de topografie moderne cuprinde teodolite electronice si nivele optice de inalta precizie care pot determina, asa cum s-a observat si in acest articol, calculele necesare aflarii unghiurilor sau distantelor masurate.

In concluzie, nevoia utilizarii teodolitului in diverse scenarii de lucru care implica determinarea sau masurarea distantelor sau a diverselor cote este una care va dainui mult timp de acum incolo intr-o varietate de domenii. Inginerii topografi si firmele de profil cauta in permanenta sa se doteze cu astfel de instrumente de masurare moderne si performante in vederea asigurarii unei precizii maxime, dar si a unui efort cat mai redus in munca specifica.

Sursa foto: Pixabay.com