INFORME DE TOPOGRAFÍA
Alumno: Alumno: Elthon Hair Maquera Maquera Chipana Chipana Código: 2010-34542 Curso: Topografía Año: 2º “A” “A” Tema: Equipos Topográficos Profesor: José Rodríguez Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann Facultad: FAIN Escuela: ESMI
Tacna*Perú 2011
ÍNDICE 1.-Resumen………………………………………………………………………………………......III 2.-Introducción………………………………………………………………………………….........IV 3.- Resultados…………………………………………………………………………………….....VIII 3.1.- Instrumentos Topográficos Simples………………………………………………………...VIII 3.1.1.- Cintas Métricas y Accesorios……………………………………………………………...VIII 3.1.2.- Plomada Metálica…………………………………………………………………………....IX 3.1.3.- Termómetro…………………………………………………………………………………..IX 3.1.4.- Jalones…………………………………………………………………………………..........X 3.1.5.- Fichas………………………………………………………………………………………….X 3.1.6.- Miras Verticales………………………………………………………………………………X 3.2.- Instrumentos Topográficos Principales……………………………………………………...XI 3.2.1.-Teodolitos......................................................................................................................XI 3.2.2.- Teodolitos Electrónicos................................................................................................XII 3.2.3.- Estación Total..............................................................................................................XIII 3.2.4.- Niveles.........................................................................................................................XIV 3.2.5.- Taquimetría...................................................................................................................XV 4.- Conclusiones.......................................................................................................................XV 5.- Recomendaciones..............................................................................................................XVI 6.- Referencias Bibliográficas..................................................................................................XVI
1.-Resumen: La topografía siempre ha utilizados instrumentos ya sean desde los mas complejos hasta los mas simples y que fueron acompañando en el transcurso del desarrollo humano. Debemos admirar a aquellos topógrafos que a través de siglos realizaron medidas con instrumentos rudimentarios y pensar que en la actualidad en la toma de datos estos equipos evolucionaron y lo seguirán. Se puede lograr un excelente levantamiento topográfico siempre y cuando se cumpla con tener. Un eficiente ingeniero, un buen topógrafo y equipos topográficos en aceptables condiciones. Es obvio suponer que para obtener un levantamiento topográfico de alta precisión se requiere de equipos de alta tecnología. Sin embargo puede usarse equipos topográficos tradicionales para trabajos de precisión siempre y cuando esto se encuentre en perfecto estado, para ello será necesario un periódico mantenimiento de los aparatos. Por tal motivo el topógrafo antes de iniciar su trabajo en el campo, debera comprobar el perfecto estado de los equipos a emplear. A continuación estos equipos los dividiremos en dos: -Equipos Topográficos Simples: a) Cintas Métricas y Accesorios b) Plomada Metálica c) Termómetro d) Jalones e) Fichas f)
Miras Verticales
-Equipos Topográficos Principales: a) Teodolitos b) Teodolitos Electrónicos c) Estación Total Electrónica d) Niveles e) Taquimetría
2. -Introducción: La topografía se ha servido siempre de instrumentos mas o menos complejos que se han desarrollado de forma paralela al resto del desarrollo tecnológico de la humanidad. En topografía exiten instrumentos propios para para labores de campo y gabinete siendo fundamentalmente elementos de medida y dibujo. Marcar una alineación medir un ángulo que forma, orientar una alineación del norte, replantear elementos de grandes dimensiones con posibilidad de grandes errores por tanto, son tareas que han hecho a lo largo de la historia que se desarrollen instrumentos muy específicos y con alta precisión. Leyendo en los catálogos de instrumentación, las maravillas que la técnica nos ofrece en cuanto a aparatos de topografía, no podemos por menos que sentir admiración por aquellos topógrafos que a través de los siglos han realizado sus medidas, con una instrumentación rudimentaria, que sólo imaginando que tuviéramos que emplear en la actualidad en la toma de datos, sentimos algo más que un escalofrío con tan sólo pensarlo. Remontándonos alrededor del ano 3000 a. de C. los babilonios y egipcios utilizaban ya cuerdas y cadenas para la medición de distancias. Hasta el 560 a. de C. no se tienen referencias de nueva instrumentación hasta que Anaximando introdujo el "Gnomon", aunque se cree que a este le pudo llegar alguna referencia de los babilonios o egipcios. Entre los primeros usuarios de este nuevo instrumento encontramos a Metón y Eratóstenes para la determinación de la dirección Norte y la circunferencia de la tierra respectivamente. La "dioptra" o plano horizontal para la medición de ángulos y nivelación tenía su principio en un tubo en "U" con agua el cual servía para horizontalizar la plataforma.
El primer aproximación de un nivel, era una regla horizontal con patas en las cuatro esquinas, en la parte superior de la regla había un surco donde se vertía agua para usarla como nivel. Por otro lado Herón menciona la forma de obtener un medidor de distancia por medio de las revoluciones de una rueda. Ptolomeo, hacia el ano 150 a. de C. describió el cuadrante aplicándolo a observaciones astronómicas. Para ángulos verticales, las reglas de Ptolomeo fueron utilizadas hasta la Edad Media.
Se puede considerar como antecesor del teodolito al astrolabio de Hiparco, contemporáneo de Ptolomeo. Los romanos, portadores de los conocimientos griegos por Europa, usaron la "Groma", que consta de una cruz excéntrica, con plomadas en sus extremos, fijada a una barra vertical, que disponía de una especie de alidadas. Vitruvio hace referencia a los carros medidores de distancias por medio de contadores de vueltas, aunque las medidas de precisión se seguían a pasos mediante contadores de pasos. Además de las descripciones de Vitruvio, se encontraron en Pompella distintos instrumentos en el taller de un Agrimensor. También Vitruvio fue el constructor de la primera escuadra aplicando el fundamento de triángulo rectángulo de Pitágoras (lados de 3-4-5 metros). La Brújula desde su nacimiento con los chinos hasta la referencia en 1187 de Alexander Neckman, con el desarrollo posterior introducido por Leonardo Da Vinci y Schmalcalder llegó a ser la precursora del teodolito. Oronzio Fineo, en su libro "Geometría Práctica", aplica la brújula a un semicírculo graduado con dos alidadas, una fija y otra móvil. El siguiente paso hacia el goniómetro actual fue la mejora introducida por Josua Habernel con el teodolito-brújula que data del 1576. Johan Praetorius, apoyándose en los conocimientos de Gemma Frisius, perfecciona la plancheta, que durante mucho tiempo fue el instrumento mas fino y avanzado con que podían contar los topógrafos.
Parece ser que anterior a Galileo, existen noticias de que un óptico holandés, Hans Lippershey, ideó una especie de anteojo sin llegar a montarlo; siguiendo esta línea de trabajo fue, Galileo quien montó su telescopio, continuando con el telescopio de Kepler y de este a la mejora introducida por Christian Huygens quien colocó un retículo para realizar tas punterías, con el avance que esto presentaba en los trabajos sobre la alidada de pínulas, usada hasta la época. William Gascoigne añadió el tornillo del los movimientos lentos dentro de los teodolitos. A todo esto en 1610 aparece la cadena de Agrimensor, atribuida a Aaron Rathbone. En 1720 se construyó el primer teodolito como tal, este venia provisto de cuatro tornillos nivelantes, cuya tutoría es de Jonathan Sisson (numero de tornillos que casi hasta la actualidad, se siguen usando en los teodolitos americanos).
Tobias Mayer cambió los hilos reales del retículo, hasta la fecha de hilos de tela de araña, por una grabación en la propia lente. Pedro Núñez aportó un mecanismo de lectura para un cuadrante, dividiendo los círculos concéntricos en (n-1) del anterior, naciendo así el nonio. Jhon Sisson construyó en 1730 el primer goniómetro, mejorando por Jesse Ramsden quien introdujo microscopios con tornillos micromótricos para las lecturas angulares. Reichenbach invento en 1803 la primera maquina para graduar círculos o limbos, basado en el sistema de copias, principio que actualmente seguimos usando; en 1804 el propio Richenbach introdujo su teodolito repetidor y el centrado forzoso. Sobre el 1 740 aparece la primera escuadra doble, construida por el mecánico Adans. En 1778, William Green describió un sistema óptico con hilos horizontales para la medida indirecta de distancias, posterior Richenbach anadió hilos estadimétricos en su alidada en 1810. En 1823, Porro, con ayuda de una lente modificó el ángulo paralactico, para obtener el que ahora conocemos. En 1839 bautizó a su instrumento "taquímetro", dando paso a la "taquimetría".
Desde 1765 entró con fuerza en el mercado "las planchetas", con más o menos diferencias sobre las conocidas hasta hace algunos años (que quizá la ultima que se fabricase fuera de marca Sokkisha, utilizando un Red-Mini como alidada distanciómetro de corto alcance), dando lugar a los Taqueográfos y Honolograph. En 1858 se midió la base fundamental Geodésica Española, base de Madridejos (entre Bolos y Carbonera), por medio de una regla doble de platino y latón de 4 metros, obteniéndose una distancia de 1462,885 m. con un error probable de t 2,580 milímetros; esta base fue alterada en uno de sus extremos, por lo que no ha sido posible comprobar la longitud que en su día se midió. En 1900, Fennel creó, de acuerdo con Porro el primer anteojo analítico, usando un arco circular como línea base de los hilos del retículo. Carl Zeiss fabricó en 1932 un prototipo que se fabrico en 1942. En 1936 apareció el DKR y en 1946 el DKRM de Kern. (Posiblemente fue Kern con el KRlA, el ultimo que fabricó un autorreductor mecánico y no electromagnético, teniendo este los hilos rectos y paralelos, que en función de la inclinación del anteojo, por medio de levas y ruedas dentadas, variaban en la imagen del retículo observada desde el ocular, la distancia entre los hilos). A finales del siglo XIX vieron la luz los primeros telémetros de imagen partida dentro del mismo ocular, dando lugar a los telémetros artilleros o de base fija y a los topográficos o de base móvil; entre ellos se pueden citar los fabricados por Ramsden (1790) y el de Barr & Stroud (1888). En 1886, Sanguet inventó el principio que en un futuro dio lugar al prisma taquimétrico. Este principio fue fabricado por Wild en el ano 1921 con mira vertical, en lo que posteriormente sería el duplicador taquimétrico (principio ideado pro Boskovic en 1777). Hemos de esperar hasta 1933 para encontrar este sistema empleado con nuestra conocida mira horizontal, fabricado por Breithaupt. En 1908, Heinrich Wild, colaborador entonces de Carl Zeiss, introdujo el anteojo de enfoque interno. Así mismo a Wild le debemos el nivel de coincidencia, el micrómetro de coincidencia y la estadía invar como ahora la conocemos. El DKM3 de Kern apareció en 1939. En el 1862 aparece el THEO O10 de Carl Zeiss. Desde 1950 aparecen el T3 de Wild Heerburgg y de Carl Zeiss Jena el Theo 002 con registro fotográfico.
El primer distanciómetro electro-óptico se fabricó en Rusia en el 1936, promovido por el Instituto de óptica Gubernamental. Este tipo de instrumento se empleó en el distanciómetro Aga fabricado en Estocolmo en 1948. En 1957, Wadley obtuvo un distanciómetro de microondas, el Telurometer. Hasta 1968 no aparecerán los distanciómetros electro-ópticos de láser. Wild
fabricará el DI-10, distanciómetro de pequeñas dimensiones, que unido a un teodolito proporcionaba un gran beneficio para las medidas topográficas, tanto en rapidez como en precisión. A partir de estas fechas, el avance ha sido poco menos que vertiginoso, pasando rápidamente a los distanciómetros montados en excéntrica a los montados sobre el propio anteojo o bien sobre un puente en la misma carcasa del aparato. Esto se pudo hacer gracias a la reducción de tamaño y peso que estos instrumentos fueron sufriendo, permitiendo así colimar los puntos con un solo movimiento horizontal (en el caso del puente) u con una sola puntería vertical (en el caso del montaje sobre el anteojo). Hace más o menos 11 anos aparecieron las semi-estaciones, que eran un distanciómetro montado sobre el mismo teodolito, compartiendo carcasa con él (no muy distintas en aspecto a las actuales estaciones totales), pero con el teodolito era analógico, la electrónica solo podía conocer los resultados de la medida de la distancia, debiendo teclear a mano los ángulos para que el aparato pudiera realizar los cálculos deseados. Con la aparición de los sistemas electrónicos de captación de ángulos, la carrera contra el tiempo ha sido aun más rápida y efectiva, obteniendo teodolitos digitales más precisos que antaño e incluso abaratando los recios del mercado. 3.-Resultados: Para estudiar los instrumentos topograficos lo dividiremos en dos grandes clases simples y complejos: 3.1.-Instrumentos Topográficos Simples: 3.1.1.-Cintas Métricas y Accesorios: Medir una longitud consiste en determinar, por comparación, el número de veces que una unidad patrón es contenida en dicha longitud. La unidad patrón utilizada en la mayoría de los países del mundo es el metro, definido (después de la Conferencia Internacional de Pesos y Medidas celebrada en París en 1889) como la longitud a 0ºC del prototipo internacional de platino e iridio que se conserva en Sèvres (Francia). Esta definición se mantuvo hasta la Conferencia General de Pesos y Medidas celebrada en la misma ciudad en 1960, en donde se definió al metro como 1’650.763,73 veces la longitud de onda en el vacío de radiación anaranjada del criptón 86. Una cinta métrica es la reproducción de un número determinado de veces (3,5,30,50,100) de la unidad patrón. En el proceso de medida, las cintas son sometidas a diferentes tensiones y temperaturas, por lo que dependiendo del material con el que han sido construidas, su tamaño original variará. Por esta razón, las cintas vienen calibradas de fábrica para que a una temperatura, tensión y condiciones de apoyo dadas, su longitud sea igual a la longitud nominal. Las cintas métricas empleadas en trabajos topográficos deben ser de acero, resistentes a esfuerzos de tensión y a la corrosión. Comúnmente, las cintas métricas vienen en longitudes de 30, 50 y 100 m, con una sección transversal de 8 mm x 0,45 mm para trabajos fuertes en condiciones severas o de 6 mm x 0,30 mm para trabajos en condiciones normales.
3.1.2.-Plomada metálica: Instrumento con forma de cono, construido generalmente en bronce, con un peso que varia entre 225 y 500 gr, que al dejarse colgar libremente de la cuerda sigue la dirección de la vertical del lugar, por lo que con su auxilio podemos proyectar el punto de terreno sobre la cinta métrica.
3.1.3.-Termómetro: Como se mencionó previamente, las cintas métricas vienen calibradas por los fabricantes, para que a una temperatura y tensión dada su longitud sea igual a la longitud nominal. En el proceso de medida de distancias, las cintas son sometidas a condiciones diferentes de tensión y temperatura, por lo que se hace necesario medir la tensión y temperatura a las cuales se hacen las mediciones para poder aplicar las correcciones correspondientes. El termómetro utilizado en la medición de distancias con cinta viene graduado en grados centígrados, con lecturas que varian entre – 40 a + 50 ºC de grado en grado, colocado, para su protección, en una estructura metálica de aproximadamente 14 cm de largo, la cual se ajusta a la cinta mediante dos sujetadores.
3.1.4.-Jalones: Son tubos de madera o aluminio, con un diámetro de 2.5 cm y una longitud que varia de 2 a 3 m. Los jalones vienen pintados con franjas alternas rojas y blancas de unos 30 cm y en su parte final poseen una punta de acero. El jalón se usa como instrumento auxiliar en la medida de distancias, localizando puntos y trazando alineaciones. 3.1.5.-Fichas: Son varillas de acero de 30 cm de longitud, con un diámetro ö=1/4”, pintados en franjas alternas rojas y blancas. Su parte superior termina en forma de anillo y su parte inferior en forma de punta. Generalmente vienen en juegos de once fichas juntas en un anillo de acero. Las fichas se usan en la medición de distancias para marcar las posiciones finales de la cinta y llevar el conteo del número de cintadas enteras que se han efectuado.
3.1.6.-Miras Verticales: Son reglas graduadas en metros y decímetros, generalmente fabricadas de madera, metal o fibra de vidrio. Usualmente, para trabajos normales, vienen graduadas con precisión de 1 cm y apreciación de 1 mm. Comúnmente, se fabrican con longitud de 4 m divididas en 4 tramos plegables para facilidad de transporte y almacenamiento.
Existen también miras telescópicas de aluminio que facilitan el almacenamiento de las mismas. A fin de evitar los errores instrumentales que se generan en los puntos de unión de las miras plegables y los errores por dilatación del material, se fabrican miras continuas de una sola pieza, con graduaciones sobre una cinta de material constituido por una aleación de acero y níquel, denominado INVAR por su bajo coeficiente de variación longitudinal, sujeta la cinta a un resorte de tensión que compensa las deformaciones por variación de la temperatura. Estas miras continuas se apoyan sobre un soporte metálico para evitar el deterioro por corrosión producido por el contacto con el terreno y evitar, también, el asentamiento de la mira en las operaciones de nivelación.
3.2.-Instrumentos Topográficos Principales: 3.2.1.-Teodolito: El teodolito es un instrumento utilizado en la mayoría de las operaciones que se realizan en los trabajos topográficos. Directa o indirectamente, con el teodolito se pueden medir ángulos horizontales, ángulos verticales, distancias y desniveles.
Teodolito Sokkia con lectura directa de nonio Los teodolitos difieren entre si en cuanto a los sistemas y métodos de lectura. Existen teodolitos con sistemas de lectura sobre vernier y nonios de visual directa microscopios lectores de escala, micrómetros ópticos, sistemas de lectura de coincidencia.
Teodolito Sokkia con microscopio lector de escala
Teodolito Wild con micrómetro óptico
Teodolito Brújula Wild T0 con micrómetro óptico 3.2.2.-Teodolitos Electrónicos: El desarrollo de la electrónica y la aparición de los microchips han hecho posible la construcción de teodolitos electrónicos con sistemas digitales de lectura de ángulos sobre pantalla de cristal liquido, facilitando la lectura y la toma de datos mediante el uso en libretas electrónicas de campo o de tarjetas magnéticas; eliminando los errores de lectura y anotación y agilizando el trabajo de campo. La figura 2.24 muestra el teodolito electrónico DT4 de SOKKIA.
Teodolito electrónico DT4 de Sokkia
3.2.3.-Estación Total Electrónica: La incorporación de microprocesadores y distanciometros electrónicos en los teodolitos electrónicos, ha dado paso a la construcción de las Estaciones Totales. Con una estación total electrónica se pueden medir distancias verticales y horizontales, ángulos verticales y horizontales; e internamente, con el micro procesador programado, calcular las coordenadas topográficas (norte, este, elevación) de los puntos visados. Estos instrumentos poseen también tarjetas magnéticas para almacenar datos, los cuales pueden ser cargados en el computador y utilizados con el programa de aplicación seleccionado. La estación total Wild T-1000 con pantalla de cristal liquido, tarjeta de memoria magnética para la toma de datos y programas de aplicación incorporados para cálculo y replanteo. Una de las características importantes tanto los teodolitos electrónicos como las estaciones totales, es que pueden medir ángulos horizontales en ambos sentidos y ángulos verticales con el cero en el horizonte o en el zenit.
Estación total Wild T-1000
3.2.4.-Niveles : Su misión es conseguir que el aparato esté en un plano horizontal. Hay 2 tipos fundamentales: nivel esférico y nivel tubular (tórico, o nivel de aire). Deben estar construidos con notable precisión y ajuste para que el aparato sea aceptable: sensibilidad. 3.2.4.1.-Nivel de Aire: El nivel de aire está constituido por un tubo de vidrio de forma tórica, de muy escasa curvatura, cerrado a la lámpara por sus extremos. El tubo está casi lleno de un líquido de escasa viscosidad (alcohol o éter), dejando una burbuja de aire mezclada con los vapores del líquido, que ocupará siempre la parte más alta del tubo.
Para comprobar la posición de la burbuja, el nivel está dividido por trazos transversales situados cada 2 mm. Cuando el centro de la burbuja coincide con el centro del tubo de vidrio se dice que el nivel está calado y se llama calar la burbuja a llevarla por movimientos de aquél a la posición central, lo que se comprueba por la disposición equidistante de sus extremos con relación a las divisiones. La tangente al ecuador del nivel, trazada en el punto central, se denomina eje del nivel , y ocupará la posición horizontal cuando la burbuja quede calada. Radio de curvatura del nivel es el radio del ecuador de la superficie tórica. Si está descorregido impide medir. Hay que calarlo con los tornillos que lleva el aparato. Para corregir el nivel hay que bajarlo un ángulo determinado y después estando en el plano horizontal con los tornillos se nivela el ángulo que se haya determinado. Se puede trabajar descorregido, pero hay que cambiar la constante que da el fabricante. Para trabajar descorregido se necesita un plano paralelo. El tubo de vidrio va montado en un cilindro de latón abierto por la parte superior, y en los niveles que no forman parte de un instrumento topográfico se unen a una reglilla del mismo metal por medio de una charnela en un extremo y de un tornillo en el otro, llamado tornillo de corrección; la base del nivel ha de ser paralela al eje, y colocándola sobre una superficie plana estará ésta horizontal cuando la burbuja quede calada. 3.2.4.2.-Sensibilidad del Aire: Interesa mucho, en todos los niveles, conocer el ángulo de giro dado en segundos correspondiente al desplazamiento de la burbuja en una división. A este ángulo, expresado en segundos, se le denomina sensibilidad del nivel y será igual al que formen al cortarse en el centro de la superficie tórica, dos radios consecutivos.
3.2.5.-Taquimetría: Para la medida de distancias se utilizan métodos estadimétricos y se miden dos puntos de forma óptica. Distanciometría: Se mide la distancia entre dos puntos mediante ondas. Cuando a un teodolito se le añaden métodos estadimétricos se le llama taquímetro. Se utiliza una radiación electromagnética que está en función del tiempo que tarda en ir y volver la onda, así sabremos la distancia buscada. El distanciómetro emite una onda con longitud de onda fija y llega a un prisma que actúa de receptor, después vuelve de nuevo al distanciómetro y según el tiempo que tarde sabremos la distancia a la que está el receptor. Estos aparatos pueden tener precisiones hasta submilimétricas. Existen varios tipos de distanciómetros, los de longitud de onda grande pueden medir 10, 15, 20 km; los de longitud de onda pequeñas (microondas) se utilizan para distancias menores. En
topografía se usan más los infrarrojos, que tienen longitud de onda muy pequeñas y están limitados de 5 km hacia abajo. Estación total: Básicamente es un teodolito con sistema de distanciometría. La taquimetría es el sistema de levantamiento que resulta de determinar la posición de los puntos, principalmente por radiación, y en que las medidas elementales se hacen como sigue: a) Los ángulos horizontales por un limbo horizontal. b) Los ángulos verticales por un limbo vertical. c) Las distancias horizontales y verticales, por medio de la estadía, con utilización de las medidas angulares. El instrumento que más se acomoda a este trabajo es el taquímetro que no es sino un teodolito provisto de una estadía en el anteojo.
4.-Conclusiones:
