Гониометр

Гониометр Каранжо, конец XVIII века. Исторический музей в Лозанне

Гонио́метр (др.-греч. γωνία — угол и μετρέω — измеряю) — класс измерительных приборов для высокоточного измерения углов. Объекты измерения и способы измерения могут быть самыми различными, от конечностей человека до световых потоков (гониофотометр). Исторически первые гониометры были вариациями транспортира с одной или несколькими передвижными частями. Позднее и в применении к отдельным областям науки речь идёт о разных приборах, объединённых одним названием и сутью измерения (угол между чем-либо).

Кристаллография

Двукружный гониометр Гольдшмидта, вариант 1925 года. Музей Гейдельбергского университета

В кристаллографии гониометры используют для измерения углов между гранями кристаллов или сферических координат ${\displaystyle r}$ и ${\displaystyle \varphi }$ граней. С развитием рентгенографии этот метод потерял роль основного в геометрической кристаллографии, однако он сохраняет своё значение в морфологии и теории роста кристаллов.

Исторически первыми были прикладные (или прикасательные) гониометры, то есть приборы, которые прикладывали непосредственно к кристаллу и производили измерение. Наиболее известен гониометр такого типа, который создал в XVIII веке Арну́ Каранжо́, мастер-механик при лаборатории Роме-де-Лиля.

Впоследствии исследователи перешли на более удобные и точные отражательные гониометры. В них измерения производились по отражению светового луча от граней кристалла. Первый однокружный отражательный гониометр создал в начале XIX века Уильям Волластон.

Двукружные отражательные гониометры были разработаны в конце XIX века русским учёным Е. С. Фёдоровым, исследователем фирмы «Цейс» в Йене 3игфридом Чапским и немецким же учёным Виктором Гольдшмидтом. В двукружном гониометре измерение сопровождается двумя круговыми вращениями:

1. кристалла вокруг одной из осей;
2. кристалла же вокруг оси, перпендикулярной первой (у Фёдорова) или трубы с коллиматором вокруг оси, перпендикулярной первой (у Чапского).

Располагая двумя степенями свободы, можно замерить сферические координаты ${\displaystyle r}$ и ${\displaystyle \varphi }$ всех граней без дополнительной юстировки кристалла. Это преимущество двукружных гониометров обусловило их быстрое распространение и широкое применение.

Варианты Фёдорова, Чапского и Гольдшмидта были представлены научному сообществу примерно в одно время, в 1892—1893 годы, что тогда же и позднее порождало споры о первенстве. В СССР, в рамках борьбы за русские приоритеты, русскому учёному и народовольцу Е. С. Фёдорову отдавался безоговорочный приоритет, Зигфрид Чапский же подавался как скопировавший русское изобретение. В новой датировке изобретение Фёдорова состоялось в 1889 году, малоупоминаемый Гольдшмидт изобрёл свой прибор в 1892, а Чапский скопировал с усовершенствованиями у Фёдорова в 1893. Острота вопроса не исчезла и после распада СССР.

Как и со многими изобретениями, время которых назрело, двукружный гониометр как развитие идеи теодолита мог быть изобретён в разное время и разными людьми вполне независимо. Однако и курс кристаллографии в российских вузах на 2007 год вполне категоричен с минимальным вниманием к Чапскому:

Двукружный отражательный гониометр построен в 1889 г. по принципу теодолита гениальным русским кристаллографом Е.С. Федоровым (1853 – 1919). Позднее аналогичные, отличающиеся в частностях, инструменты были сконструированы В. Гольдшмидтом (1853-1933) и 3. Чапским.

Профессор А. И. Китайгородский в своей книге «Рентгеноструктурный анализ» (1950), не затрагивая сам вопрос приоритетов, уверенно рассматривает гониометры Фёдорова и Чапского как вполне самостоятельные приборы со своими достоинствами и методиками использования.

Медицина

Медицинский гониометр британского врача Генри Морриса (1844—1926)

В медицине гониометры используются для измерения подвижности суставов для выявления возможных двигательных проблем и выбора методов восстановительной терапии. Как отдельная наука со своим набором методик и инструментов гониометрия известна в научной литературе с 1914 года.

Следует подчеркнуть, что гониометрия в медицине занимается вопросами именно подвижности в суставах, её амплитудой в сравнении со стандартами для данного соматотипа и симметричностью с обеих сторон (для конечностей). Измерения статических показателей, как в краниометрии, относятся к иным областям антропометрии.

Простейшим средством измерения является прикладной (то есть прикладываемый прямо к телу) гониометр. Это по сути просто транспортир с подвижной планкой или линейкой на нём, как на иллюстрации справа. Его преимущества — простота и портативность. Однако у него есть и два недостатка при более глубоких обследованиях подвижности суставов:

1. Он позволяет измерять угол только в одной плоскости.
2. Несовпадение осей самого гониометра и осей исследуемой конечности.

В 1987 году на рынке появились гибкие гониометры, состоящие из особого гибкого прута с манжетами. Такие гониометры решали проблему с несовпадением осей, но только для открытых конечностей, не имеющих толстых повязок. С развитием электроники появились более точные и функциональные (но и более дорогие) варианты гониометров с прикрепляемыми датчиками. В таких гониометрах угол определяется по электрическим характеристикам между двумя датчиками, закреплёнными, например, на теле и на запястье поднимаемой руки. Коммерческим развитием идеи является технология захвата движения при съёмках фильмов.

Промышленность

Промышленные гониометры используются для измерения углов между любыми способными отражать свет поверхностями. По своей сути это те же отражательные гониометры, как и в кристаллографии с дополнительной электроникой: автоколлиматоры, средства сохранения и передачи результатов замеров и т. п. Также назначение и условия эксплуатации могут предъявлять дополнительные требования по устойчивости к агрессивной среде (вибрация, грязь, запыление и т. д.).

Для измерения различных оптических деталей и проверки угловых мер предназначены гониометры 1, 2 и 3 разряда. На российском рынке на 2013 год широким спросом пользовались достаточно устаревшие визуальные гониометры производства киевского завода «Арсенал» (модели ГС-2, Г5М и ГС-5) и современные цифровые гониометры производства компаний «ООО ИНЕРТЕХ» (СГ-1) и «НПК „Диагностика“» (модели СГ-1Ц и СГ-3Ц), а также импортные аналоги.

Ссылки

• Гониометр // Военная энциклопедия : [в 18 т.] / под ред. В. Ф. Новицкого … [и др.]. — СПб. ; [М.] : Тип. т-ва И. Д. Сытина, 1911—1915.
• Goniometer (английская статья в Encyclopædia Britannica 1911 года)