книги из ГПНТБ / Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие
.pdfНОВАЯ
ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ
ТЕХНИКА ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
СТРОИТЕЛЬСТВЕ
П О Д О Б Щ Е Й Р Е Д А Н Ц И Е Й П Р О Ф . В. А . В Е Л И Ч Н О
Допущено Министерством высшего
исреднего специального образования СССР
вначестве учебного пособия для студентов строительных
специальностей
М О С К В А « В Ы С Ш А Я Ш К О Л А »
1973
6С1
Н72 УДК 528.5
В.А. Величко, С. Ф. Мовчан, В. Е. Дементьев,
А.С. Федоров, Н. В. Ангелова.
Новая геодезическая техника и ее применение в
Н72 строительстве. Учебное пособие для вузов. Под ред. проф. В. А. Величко. М., «Высшая школа», 1973.
224 с. с ил.
На обороте тит. л. авт.: В. А. Величко, С. Ф. Мовчан,
В.Е. Дементьев и др.
Вучебном пособии излагаются новые методы гео дезических работ и соответствующие им приборы. Приводятся примеры выполнения инженерно-геодези ческих работ из отечественной и зарубежной практики строительства.
Книга представляет собой учебное пособие для
студентов старших курсов и аспирантов |
строительных |
||||||
ВУЗов и |
факультетов |
при изучении |
ими |
специальных |
|||
вопросов |
инженерной |
геодезии, а также для инженеров |
|||||
и техников-геодезистов, |
работающих |
в |
строительстве, |
||||
при обучении |
их |
на |
курсах повышения |
квалификации. |
|||
Н 0271—412 |
-БЗ/46—17—73 |
|
|
||||
001(01)—73 |
|
6С1 |
|||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Р е ц е н з е н т ы : |
|
|
||
Кафедра |
инженерной |
геодезии Киевского инженер |
|||||
но-строительного |
института. |
|
|
||||
Докт. техн. наук |
В. 3. Пащенков. |
|
|
(6)Издательство «Высшая школа», 1973.
fee.публичная маучг.о - техкн .в кая
Ч И Т А Л Ь Н О Г О З А Л А
Предисловие
Учебное пособие написано- в соответствии с основными поло жениями второй (специальной) части программы курса инженер ной геодезии для студентов строительных вузов и факультетов. Изучение этой части курса проводится факультативно в 10-м или 11-м семестрах. Специальные вопросы инженерной геодезии чи таются также на курсах повышения квалификации инженеровстроителей и инженеров-геодезистов, работающих в строитель стве. Объем отводимого времени составляет, обычно, 16—30 ч.
Одной из особенностей современного строительства является его массовость и «скоростной» характер, обусловленный приме нением мощной строительной и землеройной техники, а также применением типовых и унифицированных деталей, изготавлива емых индустриальным способом. Скоростной характер строитель ства требует и скоростных методов его геодезического обеспече ния. Другая особенность — повышение точности геодезических разбивочных работ, геодезического контроля в -процессе возведе ния сооружения и монтажа технологического оборудования в цехах промышленных предприятий. Это относится к строитель ству высотных сооружений, антенн радиотелескопов, направляю щих значительного протяжения, автоматических поточных линий,
конвейеров и |
т. п. Появилось и технологическое |
оборудование |
(«физические |
машины» — ускорители заряженных |
частиц), тре |
бующее прецизионной точности установки и дистанционного гео дезического контроля в процессе его работы из-за наличия радиа ционного фона.
Внастоящее время геодезическая служба в строительстве со своими традиционными инструментами и методами не всегда со ответствует уровню механизации строительства, как на этапе изысканий, так и на других этапах геодезического контроля. Имеющееся несоответствие геодезисты устраняют за счет разра ботки новой геодезической техники и более прогрессивной мето дики ее применения. Поэтому необходимо усилить пропаганду новой геодезической техники в среде студенческой молодежи,, будущая специальность которой связана в' какой-то мере с инже нерной геодезией.
Всоответствии с опытом преподавания специальных разделов инженерной геодезии в МИСИ им. Куйбышева наиболее целе сообразным, по мнению авторов, является чтение обзорных лек ций по вопросам новой геодезической техники с показом резуль татов ее применения в строительстве. Приводимые примеры
3
должны быть типичными для профиля инженеров, готовящихся на данном факультете.
Настоящее учебное пособие написано с учетом прочитанных лекций. Чаще всего приводится начальная и конечная форма уравнения и дается специальное толкование того или иного воп роса в таком виде, чтобы была ясна идея постановки вопроса и цель. При этом используется математический аппарат и сведения по физике, электро- и радиотехнике, приобретаемые студентами на первых двух курсах. Описание радиотехнической аппаратуры дается поблочно. Иллюстративный материал дополняется диа граммами напряжений, токов, характера поляризации колебаний, модуляции и т. п., имеющими место в данном блоке описываемо го прибора. Для лиц, интересующихся более детальными сведе
ниями, даются |
ссылки на |
отечественную, доступную студентам, |
||
литературу. |
|
|
|
|
В пособии |
отражены |
результаты |
исследовательских |
работ |
по новой геодезической технике, получивших развитие |
на ка |
|||
федре инженерной геодезии МИСИ |
в последние годы. |
|
Учебное пособие написано коллективом авторов, главным об разом преподавателями кафедры инженерной геодезии МИСИ
им. Куйбышева проф. д. т. и. В. А. Величко (§§ |
I I . 1—П.7; III.1 — |
||
III А; IV. 1—IV.4; |
IV.7, V . l ; V.3), ст. препод. |
С. |
Ф.- Мовчаном |
(§§ IV.5 и IV.6), |
канд. техн. наук В. Е. Дементьевым (§§ II.8, |
||
V.4—V.6), инж. А. С. Федоровым (§§ 1.7 и V.2), канд. техн. наук |
|||
Н. В. Ангеловой |
( 1.1—1.6). Редакционный план |
пособия и на |
учно-методическое редактирование выполнены проф. В. А. Ве личко.
Авторы благодарят рецензентов докт. техн. наук В. 3. Пащенкова и канд. техн. наук Т. Т. Чмчяна за ценные замечания, способствовавшие улучшению структуры и содержания рукописи. Авторы признательны также инженеру-геодезисту Гипроводхоза А. В. Величко за помощь в графическом оформлении рукописи. Авторы заранее выражают благодарность всем читателям, кото рые найдут возможность прислать свои критические замечания по поводу настоящего учебного пособия.'
|
Г Л А В А I |
НЕКОТОРЫЕ |
СВЕДЕНИЯ ИЗ ОПТИКИ И СВЕТОТЕХНИКИ |
§ |
I. 1. Природа и скорость света |
Свет представляет собой электромагнитное излучение опти |
ческого диапазона. Скорость света в соответствии с теорией Мак- - свелла (1831—1879 гг.) зависит от свойств среды, в которой он распространяется. Излучение света сопровождается переносом, энергии. По современной классификации [1.7] оптический диапа
зон занимает |
полосу частот от 3-Ю1 5 до 3- |
101 2 Гц, что |
соответ |
ствует длине |
волн от 0,1 мкм до 100 мкм. |
Видимый |
диапазон |
ограничен полосой частот 1,3-1015—2,6-1015 Гц, что соответствует, приблизительно, длине волн от 0,40 до 0,76 мкм.
Современное представление о свойствах и природе света ис ходит из предположения о единстве его волновых и квантовых свойств. Основоположником волновой теории света является Гюй генс (1629—1695 гг.). Согласно его теории свет рассматривается как волновое движение, распространяющееся в особой упругой среде — эфире. Каждая точка эфира, до которой доходит световая
волна, становится самостоятельным центром возбуждения |
вто |
||
ричных элементарных световых волн, |
v - * . * ^ |
|
|
Основоположник корпускулярной |
п^«радй |
света — Ньютон |
|
(1643—1727 гг.). По его теории свет представляет собой |
поток |
||
мельчайших частиц — корпускул, испускаемых |
источником |
света |
|
прямолинейно во все стороны. |
|
|
|
Квантовая природа света была |
сформулирована Планком |
(1858—1947 гг.), развита далее Эйнштейном (1879—1955 гг.) и другими учеными. Согласно этой теории, основанной на прерыви стости всех процессов, излучение и поглощение световой энергии может происходить только определенными порциями — квантами, кратными некоторому значению hv, постоянному для данной час тоты излучения. По Планку энергия, содержащаяся в одном кванте,
Е = Av,
где h — 6,624-Ю- 2 7 эрг/с (постоянная Планка); v — частота коле баний света.
В 1905 г. Эйнштейн, развивая теорию Планка, изложил фо тонную теорию, согласно которой световое излучение рассматри вается как поток фотонов, являющихся частицами материн, обла-
5
дающими энергией, импульсом (произведением силы на время действия) и массой движения. Соединение корпускулярных и волновых свойств света позволило Эйнштейну объяснить такие, , несовместимые для того времени явления, как интерференция
'света и фотоэффект, а также другие сложные явления физиче ской оптики. Этот взгляд на природу света оправдывает примене ние на практике как квантовой, так и волновой (электромагнит
ной) теории света, в зависимости от того, какие свойства преоб
ладают в используемом |
световом явлении. Полное |
раскрытие |
|
двойственного характера природы света — задача |
современной |
||
науки. |
|
|
|
Значителен вклад русских ученых в формирование |
взглядов |
||
о природе и свойствах |
света. В 1889 г. А. Г. Столетов |
(1839— |
1896) открыл фотоэлектрический эффект, сущность которого со стоит в том, что некоторые вещества при облучении их светом из лучают электроны. А. Г. Столетовым впервые в мире был создан фотоэлемент — прибор для преобразования световой энергии в электрическую. В наше время немыслимо развитие таких отрас лей науки и техники, как автоматика, телемеханика, телевидение и других без использования фотоэффекта.
Большое значение имеет открытие П. Н. Лебедевым (1866— 1912) светового давления, что имело огромное значение для под тверждения электромагнитной теории света. Работы П. Н. Лебе дева доказали наличие у электромагнитных волн не только энер гии, но и импульса и массы, и послужили исходным пунктом для установления соотношения между массой и энергией.
Существенное практическое значение имеют работы С. И. Ва вилова (1891—1951) в области люминесцентного свечения.
Наши современники академики Н. Г. Басов и А. И. Прохоров являются создателями первого молекулярного квантового генера тора на аммиаке (1954 г.). Эта работа явилась основой для осу ществления принципов квантового усиления и генерации электромагнитных волн оптического диапазона, что привело к созданию лазера на рубине (1960 г.), газового лазера (1961 г.) и, наконец, полупроводникового лазера (1962 г.).
Втехнике использования электромагнитных волн для инже нерно-геодезических целей, в частности для измерения расстоя ний по времени и скорости распространения света, большое зна чение имеет знание скорости в воздушной среде в момент изме рений. Скорость света в свободном пространстве (вакууме) по современным данным
с= 299792,5 ± 0,4 км/с.
Вфизике для характеристики скорости пользуются термином «фазовая скорость», имея в виду скорость, с которой передается фаза колебаний от одной точки пространства к другой. Фазовая скорость в вакууме не зависит от частоты колебаний; при распро
странении же колебаний в воздухе — зависит от частоты (длины
6
волны). Это свойство электромагнитных волн, называемое ди сперсией, особенно резко выражено у световых волн. Скорость света в воздухе уменьшается с уменьшением длины волны.
Так как при измерениях практически пользуются смешанным по спектральному составу световым потоком, то вычисляют так называемую групповую скорость света и
v — cln, |
(1.1) * |
где п — показатель преломления воздуха для групповой скорости света.
В зависимости от состояния воздушной среды при решении геодезических задач показатель преломления представляют в виде
|
n |
{nojm-X)P |
_ |
55 • Ю-о |
|
|
||
|
|
(1 + |
at) |
760 |
1 + at |
|
4 |
|
где п.0,760 — показатель преломления для групповой скорости |
света |
|||||||
при температуре |
воздуха t = |
0° С, давлении Р = 760 |
мм рт. ст. и |
|||||
влажности |
е = 0 |
мм рт. ст.; |
а = 1/273— объемный |
коэффициент |
||||
расширения |
воздуха. |
|
|
|
|
|
|
|
Величину и0,7бо в зависимости |
от длины волны света вычисля |
|||||||
ют по следующей |
формуле |
|
|
|
|
|
|
|
По,7бо = 1 + [2876,04 |
+ |
(48,86/Х?) |
- j - (0,68At)] Ю"7 |
(1.3) |
где Xv —длина волны света (в микронах), соответствующая мак симуму спектральной чувствительности приемника излучения.
Волновые свойства света широко используются в инженерной геодезии при решении задач методами интерференции, дифрак ции, двойного лучепреломления и поляризации.
§ I. 2. Основные законы распространения света
При объяснении основных законов распространения света используют понятия светящейся точки и светового луча. Светя щейся точкой называется геометрическая точка, являющаяся источником световых колебаний. Световым лучом называется линия, по которой распространяется свет от источника. Раздел оптики, который изучает распространение света, пользуясь при веденными понятиями светящейся точки и светового луча, назы вается геометрической оптикой.
Геометрическая оптика базируется на следующих законах распространения света:
1)в однородной прозрачной среде свет распространяется пря молинейно;
2)лучи света распространяются независимо друг от друга;
3)лучи света могут отражаться, т. е. изменять первоначаль ное направление на обратное, на границе раздела двух сред.
7
Отражение может быть правильным (зеркальным), если неров ности на границе двух сред меньше длины волны падающего све та; в этом случае виден сам источник света, а граница раздела не видна; угол I падения луча равен по абсолютной величине углу — i отражения и обратен по знаку. Отражение может быть непра вильным (диффузным), если неровности на границе двух сред больше длины волны света. При диффузном отражении видна граница двух сред, а источник света не виден. Угол падения и угол отражения при этом не равны друг другу и распределяются по закону случайных величин;
4) лучи света могут преломляться, т. е. изменять направление распространения на границе раздела двух сред, скорость распро странения в которых различна. При этом отношение синуса угла падения ц к синусу угла преломления i2 для данных двух сред есть величина постоянная и равная отношению показателей пре ломления «2 и ti\ этих двух сред:
sin ix: sin i2 — n2: |
nx. |
(1.4) |
Показатели преломления двух сред обратно пропорциональны |
||
длине волн в этих средах |
|
|
\ : Х2 = пг: пг. |
|
(1.5) |
Преломленный свет сохраняет ту же |
частоту колебаний, |
что |
и падающий. Среда с большим показателем преломления счита |
||
ется оптически более плотной. |
|
|
Явление отражения сопровождается |
частичным, а иногда |
и |
полным внутренним отражением от границы раздела двух сред. Если луч переходит из среды оптически более плотной п в среду оптически менее плотную п', то угол преломления /' будет больше угла падения L Увеличивая угол падения/, можно получить такое значение угла преломления, при котором преломленный луч будет
скользить вдоль поверхности |
раздела |
двух сред, образуя |
угол |
преломления i', равный 90°. Тогда |
|
|
|
s i n t ' = l ; |
sin i = |
n'/n. |
(1.6) |
Угол V называется углом полного внутреннего отражения; преломление прекращается и остается лишь отраженный луч. При этом отражение происходит под углом, равным углу паде ния. Явление полного внутреннего отражения замечательно тем, что отраженный луч несет в себе полную энергию падающего лу ча. Поэтому полное внутреннее отражение широко используется в оптических геодезических приборах.
§ I. 3. Интерференция и дифракция света
Интерференция — явление, возникающее при сложении двух и более световых волн и проявляющееся в том, что интенсивность результирующего колебания в зависимости от разности фаз скла-
8
дывающихся колебаний может быть больше или меньше суммы
их интенсивностей. Это явление' обусловлено волновой |
природой |
||||||||||||||
света. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Интерференция возникает в том случае, когда существует по |
||||||||||||||
стоянное и не изменяющееся во времени |
(когерентное) |
соотноше |
|||||||||||||
ние между фазами |
световых колебаний. При этом периоды свето |
||||||||||||||
вых колебаний постоянны, а все |
|
изменения фазы, |
происходящие |
||||||||||||
в одном источнике света, |
совершаются |
и в |
других. |
При ин |
|||||||||||
терференции |
происходит |
перераспределение |
световой |
энергии |
|||||||||||
между |
различными |
точками, так |
как |
|
|
|
Экран |
||||||||
усиление света |
в одних |
точках |
|
прост |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
ранства |
сопровождается |
ослаблением |
|
|
|
|
|||||||||
в других. Интенсивность |
результирую |
|
|
|
|
||||||||||
щего колебания |
в зависимости |
от раз |
|
|
|
|
|||||||||
ности фаз либо |
больше, либо |
меньше |
|
|
|
|
|||||||||
интенсивности |
складываемых |
колеба |
|
|
|
|
|||||||||
ний. Разность фаз зависит |
от |
началь |
|
|
|
|
|||||||||
ной |
разности |
фаз |
и |
разности |
пути, |
|
|
|
|
||||||
пройденного |
интерферирующими |
коле |
|
|
|
|
|||||||||
баниями. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Создать |
два |
самостоятельных |
ис |
|
|
|
|
|||||||
точника |
света, излучения |
которых |
бы |
Рис. |
1.1. |
Интерференция |
|||||||||
ли |
бы когерентны, практически |
|
невоз |
||||||||||||
можно. Поэтому часто на практике для |
|
световых |
волн |
||||||||||||
целей интерференции |
|
используют |
так |
|
|
|
|
||||||||
называемую схему Юнга. Пусть Q (рис. |
1.1) |
источник |
света, ос |
||||||||||||
вещающий в диафрагме два точечных отверстия Ах |
и А2. В соот |
ветствии с принципом Гюйгенса каждое из отверстий, до которых дошла сферическая световая волна, можно рассматривать как самостоятельные источники света, независимо излучающие вторичную сферическую световую волну. Поскольку расстояния 5 Ь 5 2 и А\ Л о неизменны, то вторичные световые волны когерентны, т. е. их колебания сдвинуты по фазе относительно друг друга на постоянную величину. Такие колебания будут интерферировать, и в плоскости экрана можно наблюдать интерференционную кар тину в виде чередующихся темных и светлых концентрических колец. Темные кольца соответствуют разности хода лучей для точки М на нечетное' количество полуволн
Дт = / 2 - / 1 = ( 2 л + 1)(У2), |
(1.7) |
где п — целое число; X — длина волны света; h,l2 |
— расстояния от |
точечных отверстий до точки М. |
|
Светлые кольца соответствуют разности хода лучей на четное |
|
количество полуволн |
|
Дс = /2 — 1г = 2п (А/2). |
(1.8) |
9