Zegar słoneczny, laska Jakuba, kątomierz Diggesa... czyli jak mierzono bez poziomnic?
Wynalezienie poziomnicy datuje się na koniec XVII wieku, pierwsze przyrządy tego typu pochodzą z pierwszej połowy XVIII. Używając poziomnicy dzisiaj, mało kto zastanawia się, jak wytyczano piony i poziomy przed wynalezieniem tego urządzenia. A historia pomiarów sięga daleko wstecz.
Przyrządy używane w starożytności
Pod każdym względem starożytność można określić mianem – co kraj to obyczaj. Kultury Greków, Rzymian, Babilończyków, Persów (nie wspominając o dorobku Chin) rozwijały się dynamicznie w ramach swojej nauki i wynalazków każda. Wielu rzeczy domyślają się dzisiaj historycy, czasami coś potwierdzają archeolodzy.
Babilończycy i Egipcjanie używali do pomiarów sznurów i prostych drewnianych przyrządów (np. kołki czy słupki). Wiemy, że w starożytności podstawowym narzędziem budowniczego był pion. Ciekawe, że w kontekście narzędzi do prostych pomiarów wyznaczających pion i poziom wymienia się zegar słoneczny, używany przecież jako urządzenie do pomiaru czasu, ale w historii geodezji figuruje jako przyrząd pomiarowy. Wówczas, czyli 1500 lat p.n.e., budowniczy wiedzieli, że długość i kierunek cienia gnomona (pionowy słup umieszczony na tarczy zegara) wyznaczają położenie Słońca. W południe Słońce osiąga najwyższy punkt i cień jest najkrótszy, na półkuli północnej skierowany jest na północ. W ten sposób wyznaczało się kierunek północny. Jego przydatność do pomiarów budowlanych polegała na tym, że tarcza wraz z elementem gnomonu była ustawiana równolegle do kierunku osi Ziemi.
A jak Egipcjanie radzili sobie przy budowie piramid, które do dzisiaj uchodzą za budowle idealne? Otóż prawdopodobnie (archeolodzy często domyślają się co oznaczają ich znaleziska) do poziomowania piramid wykorzystywano wodę. Najpierw orientowano fundamenty przyrządami astronomicznymi na północ (która dla Egipcjan była bardzo ważna ze względów religijnych), a następnie plac budowy zalewano wodą. Lustro wody było więc swoistą poziomnicą. Podczas budowy piramid wykorzystywano też inne przyrządy. Archeolodzy donoszą np. o Ceremonii Naprężenia Sznura, przyrządzie podobnym do rzymskiej gromy używanej do wytyczania kątów prostych (czteroramienny pająk z ciężarkami na sznurkach), czy przyrządzie o kształcie dzisiejszej ekierki z zamontowanym centralnie na kącie prostym ciężarkiem na sznurku.
Grecy używali sznurów pomiarowych i gnomonu, ale także posługiwali prostą krzyżakową węgielnicą do wyznaczania kąta prostego. Podobno w okresie hellenistycznym znane były już poziomnice wodne. Były to różne urządzenia wykorzystujące powierzchnię ciekłej wody do ustalenia lokalnej poziomej płaszczyzny odniesienia. Pasuje do tego opis współczesnej tzw. poziomnicy wężowej.
Średniowieczna laska Jakuba
Minęło około 1000 lat do kolejnego przełomu w miernictwie. Laską Jakuba (jej nazwa nawiązuje do opowieści biblijnej o przeprawie św. Jakuba przez rzekę Jordan z laską w ręku) posługiwali się już co prawda starożytni Egipcjanie i Rzymianie, ale dopiero w średniowieczu po przetasowaniach wpływów politycznych wiodących państw, stała się popularna w całej Europie, ale już w zmodyfikowanej postaci. Francuski Żyd, Levi Ben Gerson, matematyk, fizyk, astronom i filozof, w 1342 r. zbudował „nowoczesną” laskę Jakuba. Była to prosta listwa o kształcie krzyża z ruchomą poprzeczką, ze skalą kątową na dłuższym ramieniu. Patrząc wzdłuż laski przesuwało się poprzeczkę do momentu, aż jej dolny koniec wskazał linię horyzontu, a górny gwiazdę stałą. Miejsce poprzeczki wskazywało na skali wysokość kątową. Co prawda był to przyrząd nawigacyjny, ale służył też do pomiaru kątów poziomych i pionowych pomiędzy obiektami widocznymi na Ziemi. Dziś wiemy, że laska Jakuba pomimo że pomiary były obarczone błędem paralaksy, aż do końca XVII w. była najdokładniejszym przyrządem do pomiaru wysokości. Na początku XVIII w. zaczął z laską Jakuba konkurować astrolabium, a całkowicie ją pokonał oktant skonstruowany w 1731 r. przez Johna Hadley’a. Oktant do wyznaczania kątów poziomych i pionowych miał budowę zbliżoną do sekstanu, ale był wyposażony w kątomierz będący wycinkiem 1/8 koła.
Historii przyrządów pomiarowych ciąg dalszy
Historia przyrządów do pomiarów (chociaż sznurki i słupki przy prostych pomiarach są wykorzystywane do dzisiaj) była bardzo długo ściśle powiązana z astronomią. Ich „wykorzystanie na Ziemi” do wytyczania pionów i poziomów było jakby funkcją poboczną, ale pożyteczną. Wynalezienie pierwszego przyrządu umożliwiającego pomiar kątów poziomych i pionowych przypisuje się niemieckiemu kartografowi Martinowi Waldseemuelleraowi w 1512 r. Kolejnym wynalazkiem był teodolit Leonarda Diggesa – swój kątomierz do mierzenia kątów poziomych i pionowych skonstruował w roku 1571. Kątomierz Diggesa był prostym urządzeniem, ale zainspirował kolejnych wynalazców. Dzieło ojca kontynuował i ulepszył jego syn Thomas. W XVIII w. kątomierz Diggesa wyposażono w dwa koła podziałowe: poziome i pionowe, a na pionowym zamontowano lunetę i wyposażono w statyw.
Jean Picard, francuski profesor, przełożył niektóre rozwiązania stosowane w astronomii na geodezję. W połowie XVII w. najpierw prowadził obserwacje wykorzystując krzyż nitek, a potem użył lunety uzbrojonej w mikrometr i połączył to z kwadrantem. W XVIII w. Jonathan Sisson skonstruował jednoosiowy teodolit, na którego kole pionowym zamontował lunetę. Instrument wyposażony był dodatkowo w libellę i dwa noniusze (podziałki do odczytu pomiaru) umożliwiające pomiar kąta nawet z dokładnością do 12 stopni.
To oczywiście tylko wyimek historii rozwoju instrumentów pomiarowych, na które w dalszych etapach znaczący wpływ miały nie tylko odkrycia w optyce, ale też w mechanice precyzyjnej i mechanice materiałowej. Współczesna poziomnica używana w budownictwie wydaje się niezwykle prostym przyrządem wobec tych wszystkich wcześniejszych wynalazków.
Poziomnica z pęcherzykiem powietrza
Za twórcę poziomnicy wykorzystywanej w budownictwie uważa się Melchisédecha Thévenota, żyjącego w latach 1620-1692 francuskiego arystokratę, dyplomatę na służbie Ludwika XIV, kartografa, podróżnika i poliglotę. Najstarsze zachowane przyrządy według jego pomysłu pochodzą z pierwszej połowy XVIII wieku, stały się podwaliną współczesnych przyrządów, aż do laserowych włącznie, bo tu rozwój nastąpił analogicznie z innymi przyrządami pomiarowymi wraz z postępem nauki i wynalazkami materiałowymi oraz technicznymi. Rolę wskaźnika w poziomnicy odgrywa bąbelek powietrza (lub gazu) przesuwający się do najwyższego punktu.
Pomiary pierwszych poziomnic nie były dokładne. Obecnie oczywiście jest inaczej. Branża budowlana ma do dyspozycji ogromną ofertę narzędzi, których pomiary są precyzyjne. Do każdego rodzaju robót budowlanych można wybrać odpowiednie narzędzie. Obecnie produkowane urządzenia pomiarowe są wielofunkcyjne, bogato wyposażone i intuicyjne w obsłudze.
