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Cronometro marino

Il “Cronometro” marino di Jeremy Thacker utilizzava dei cardani e un vuoto in una campana di vetro: Storia della longitudine

Per determinare una posizione sulla superficie terrestre, è necessario e sufficiente conoscere la latitudine, la longitudine e l’altitudine. Le considerazioni sull’altitudine possono naturalmente essere ignorate per le navi che operano a livello del mare. Fino alla metà degli anni 1750, la navigazione accurata in mare fuori dalla vista della terra era un problema irrisolto a causa della difficoltà di calcolare la longitudine. I navigatori potevano determinare la loro latitudine misurando l’angolo del sole a mezzogiorno (cioè quando raggiungeva il suo punto più alto nel cielo, o culmine) o, nell’emisfero settentrionale, misurare l’angolo di Polaris (la stella polare) dall’orizzonte (di solito al crepuscolo). Per trovare la loro longitudine, tuttavia, avevano bisogno di uno standard temporale che funzionasse a bordo di una nave. L’osservazione dei moti celesti regolari, come il metodo di Galileo basato sull’osservazione dei satelliti naturali di Giove, non era solitamente possibile in mare a causa del movimento della nave. Il metodo delle distanze lunari, proposto inizialmente da Johannes Werner nel 1514, fu sviluppato in parallelo al cronometro marino. Lo scienziato olandese Gemma Frisius fu il primo a proporre l’uso di un cronometro per determinare la longitudine nel 1530.

Lo scopo di un cronometro è quello di misurare con precisione il tempo di un luogo fisso conosciuto, per esempio il Greenwich Mean Time (GMT). Questo è particolarmente importante per la navigazione. Conoscere il GMT a mezzogiorno locale permette a un navigatore di usare la differenza di tempo tra la posizione della nave e il meridiano di Greenwich per determinare la longitudine della nave. Poiché la Terra ruota ad una velocità regolare, la differenza di tempo tra il cronometro e l’ora locale della nave può essere utilizzata per calcolare la longitudine della nave rispetto al meridiano di Greenwich (definito come 0°) utilizzando la trigonometria sferica. Nella pratica moderna, un almanacco nautico e le tavole trigonometriche di riduzione della vista permettono ai navigatori di misurare il Sole, la Luna, i pianeti visibili o una qualsiasi delle 57 stelle selezionate per la navigazione in qualsiasi momento in cui l’orizzonte è visibile.

La creazione di un orologio che funzionasse in modo affidabile in mare era difficile. Fino al 20° secolo, i migliori cronometri erano orologi a pendolo, ma sia il rollio di una nave in mare che le variazioni fino allo 0,2% della gravità della Terra rendevano un semplice pendolo basato sulla gravità inutile sia in teoria che in pratica.

Primi esempiModifica

Henry Sully (1680-1729) presentò un primo cronometro marino nel 1716

Christiaan Huygens, dopo la sua invenzione dell’orologio a pendolo nel 1656, fece il primo tentativo di cronometro marino nel 1673 in Francia, sotto la sponsorizzazione di Jean-Baptiste Colbert. Nel 1675, Huygens, che riceveva una pensione da Luigi XIV, inventò un cronometro che impiegava un bilanciere e una molla a spirale per la regolazione, invece di un pendolo, aprendo la strada ai cronometri marini e ai moderni orologi da tasca e da polso. Ottenne un brevetto per la sua invenzione da Colbert, ma il suo orologio rimase impreciso in mare. Il tentativo di Huygens nel 1675 di ottenere un brevetto inglese da Carlo II stimolò Robert Hooke, che sosteneva di aver concepito un orologio a molla anni prima, a tentare di produrne uno e brevettarlo. Durante il 1675 Huygens e Hooke consegnarono ciascuno due dispositivi di questo tipo a Carlo, ma nessuno funzionò bene e né Huygens né Hooke ricevettero un brevetto inglese. Fu durante questo lavoro che Hooke formulò quella che è conosciuta come la Legge di Hooke.

Il cronometro marino H1 di John Harrison del 1735

Il primo uso pubblicato del termine fu nel 1684 in Arcanum Navarchicum, un lavoro teorico del professore di Kiel Matthias Wasmuth. Questo fu seguito da un’ulteriore descrizione teorica di un cronometro in opere pubblicate dallo scienziato inglese William Derham nel 1713. L’opera principale di Derham, Physico-theology, o una dimostrazione dell’essere e degli attributi di Dio dalle sue opere della creazione, proponeva anche l’uso della tenuta del vuoto per garantire una maggiore precisione nel funzionamento degli orologi. I tentativi di costruire un cronometro marino funzionante furono iniziati da Jeremy Thacker in Inghilterra nel 1714, e da Henry Sully in Francia due anni dopo. Sully pubblicò il suo lavoro nel 1726 con Une Horloge inventée et executée par M. Sulli, ma né il suo modello né quello di Thacker furono in grado di resistere al rollio dei mari e di tenere il tempo preciso in condizioni di bordo.

Disegni del cronometro H4 di Harrison del 1761, pubblicati in The principles of Mr Harrison’s time-keeper, 1767.

Nel 1714, il governo britannico offrì un premio di longitudine per un metodo di determinazione della longitudine in mare, con i premi che andavano da 10.000 a 20.000 sterline (da 2 milioni a 4 milioni di sterline in termini 2021) a seconda della precisione. John Harrison, un falegname dello Yorkshire, presentò un progetto nel 1730, e nel 1735 completò un orologio basato su una coppia di travi pesate contro-oscillanti collegate da molle il cui movimento non era influenzato dalla gravità o dal moto di una nave. I suoi primi due orologi da mare H1 e H2 (completati nel 1741) usavano questo sistema, ma si rese conto che avevano una sensibilità fondamentale alla forza centrifuga, il che significava che non potevano mai essere abbastanza precisi in mare. La costruzione della sua terza macchina, designata H3, nel 1759 includeva nuove bilance circolari e l’invenzione della striscia bimetallica e dei cuscinetti a rulli ingabbiati, invenzioni che sono ancora ampiamente utilizzate. Tuttavia, le bilance circolari di H3 si dimostrarono ancora troppo imprecise ed egli alla fine abbandonò le grandi macchine.

Il cronometro marino n. 3 di Ferdinand Berthoud, 1763

Harrison risolse i problemi di precisione con il suo cronometro H4, molto più piccolo, nel 1761. H4 assomigliava molto a un grande orologio da tasca di cinque pollici (12 cm) di diametro. Nel 1761, Harrison presentò H4 per il premio di longitudine di 20.000 sterline. Il suo progetto utilizzava un bilanciere veloce controllato da una molla a spirale compensata dalla temperatura. Queste caratteristiche rimasero in uso fino a quando gli oscillatori elettronici stabili permisero di realizzare orologi portatili molto accurati a costi accessibili. Nel 1767, il Board of Longitude pubblicò una descrizione del suo lavoro in The Principles of Mr. Harrison’s time-keeper. Una spedizione francese sotto Charles-François-César Le Tellier de Montmirail eseguì la prima misurazione della longitudine utilizzando cronometri marini a bordo di Aurore nel 1767.

Sviluppo modernoModifica

Pierre Le Roy cronometro marino, 1766, fotografato al Musée des Arts et Métiers di Parigi

In Francia, nel 1748, Pierre Le Roy inventa lo scappamento a scatto caratteristico dei cronometri moderni. Nel 1766, crea un cronometro rivoluzionario che incorpora lo scappamento a detentore, il bilanciere compensato in temperatura e la spirale isocrona: Harrison mostrò la possibilità di avere un cronometro affidabile in mare, ma questi sviluppi di Le Roy sono considerati da Rupert Gould come il fondamento del cronometro moderno. Le innovazioni di Le Roy resero il cronometro un pezzo molto più preciso di quanto fosse stato previsto.

Il cronometro H5 di Harrison del 1772, ora in mostra al Science Museum di Londra

Ferdinand Berthoud in Francia e Thomas Mudge in Gran Bretagna hanno prodotto con successo anche cronometri marini. Sebbene nessuno fosse semplice, essi dimostrarono che il progetto di Harrison non era l’unica risposta al problema. I più grandi passi avanti verso la praticità arrivarono per mano di Thomas Earnshaw e John Arnold, che nel 1780 svilupparono e brevettarono scappamenti semplificati, staccati, “a molla”, spostarono la compensazione della temperatura sul bilanciere e migliorarono il design e la fabbricazione delle molle del bilanciere. Questa combinazione di innovazioni è servita come base dei cronometri da marina fino all’era elettronica.

Cronometro Ferdinand Berthoud no. 24 (1782), esposto al Musée des Arts et Métiers, Parigi

La nuova tecnologia era inizialmente così costosa che non tutte le navi portavano i cronometri, come illustrato dal fatidico ultimo viaggio dell’indiano orientale Arniston, naufragato con la perdita di 372 vite. Tuttavia, dal 1825, la Royal Navy aveva iniziato a fornire abitualmente le sue navi di cronometri.

Era comune per le navi dell’epoca osservare una palla del tempo, come quella del Royal Observatory, Greenwich, per controllare i loro cronometri prima di partire per un lungo viaggio. Ogni giorno, le navi si ancoravano brevemente nel Tamigi a Greenwich, aspettando che la palla dell’osservatorio cadesse esattamente alle 13:00. Questa pratica fu in piccola parte responsabile della successiva adozione del Greenwich Mean Time come standard internazionale. (Le palle del tempo divennero superflue intorno al 1920 con l’introduzione dei segnali orari via radio, che sono stati ampiamente sostituiti dall’ora GPS). Oltre a impostare il loro tempo prima di partire per un viaggio, i cronometri delle navi erano anche controllati di routine per la precisione mentre erano in mare, effettuando osservazioni lunari o solari. Nell’uso tipico, il cronometro veniva montato in un luogo riparato sottocoperta per evitare danni e l’esposizione agli elementi. I marinai usavano il cronometro per impostare un cosiddetto orologio a scatto, che sarebbe stato portato sul ponte per fare le osservazioni astronomiche. Anche se molto meno accurato (e costoso) del cronometro, l’orologio a scatto sarebbe stato soddisfacente per un breve periodo di tempo dopo averlo impostato (cioè abbastanza a lungo per fare le osservazioni).

Anche se i metodi di produzione industriale hanno iniziato a rivoluzionare l’orologeria a metà del XIX secolo, la fabbricazione del cronometro è rimasta artigianale molto più a lungo. Intorno alla fine del XX secolo, i produttori svizzeri come Ulysse Nardin fecero grandi passi avanti verso l’incorporazione di metodi di produzione moderni e l’utilizzo di parti completamente intercambiabili, ma fu solo con l’inizio della seconda guerra mondiale che la Hamilton Watch Company negli Stati Uniti perfezionò il processo di produzione di massa, che le permise di produrre migliaia dei suoi cronometri Hamilton Modello 21 e Modello 22 della seconda guerra mondiale per la United States Navy & Army e altre marine alleate. Nonostante il successo di Hamilton, i cronometri fatti alla vecchia maniera non scomparvero mai dal mercato durante l’era dei cronometri meccanici. Thomas Mercer Chronometers è tra le aziende che continuano a produrli.

Senza la loro accuratezza e la precisione delle imprese di navigazione che i cronometri marini permettevano, si può sostenere che l’ascesa della Royal Navy, e per estensione quella dell’Impero britannico, non sarebbe avvenuta in modo così schiacciante; la formazione dell’impero con le guerre e le conquiste delle colonie all’estero avvenne in un periodo in cui le navi britanniche avevano una navigazione affidabile grazie al cronometro, mentre i loro avversari portoghesi, olandesi e francesi no. Per esempio: i francesi erano ben stabiliti in India e in altri luoghi prima della Gran Bretagna, ma furono sconfitti dalle forze navali nella Guerra dei Sette Anni.

La più completa collezione internazionale di cronometri marini, compresi quelli da Harrison H1 a H4, si trova al Royal Observatory, Greenwich, a Londra, UK.

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