Menu Zamknij

Chronometr morski

Morski „Chronometr” Jeremy’ego Thackera wykorzystywał kardany i próżnię w słoju dzwonowym.

Informacje dodatkowe: Historia długości geograficznej

Aby określić położenie na powierzchni Ziemi, konieczna i wystarczająca jest znajomość szerokości geograficznej, długości geograficznej i wysokości nad poziomem morza. Względy związane z wysokością nad poziomem morza można naturalnie pominąć w przypadku statków pływających na poziomie morza. Do połowy lat pięćdziesiątych XVII wieku dokładna nawigacja na morzu poza zasięgiem wzroku lądu była nierozwiązanym problemem ze względu na trudności w obliczaniu długości geograficznej. Nawigatorzy mogli określić swoją szerokość geograficzną mierząc kąt padania promieni słonecznych w południe (tzn. kiedy słońce osiągało swój najwyższy punkt na niebie, czyli kulminację) lub, na półkuli północnej, mierząc kąt Polaris (gwiazdy północnej) od horyzontu (zazwyczaj podczas zmierzchu). Aby znaleźć swoją długość geograficzną, potrzebowali jednak wzorca czasu, który działałby na pokładzie statku. Obserwacje regularnych ruchów nieba, takie jak metoda Galileusza oparta na obserwacji naturalnych satelitów Jowisza, nie były zazwyczaj możliwe na morzu z powodu ruchu statku. Metoda odległości księżycowych, początkowo zaproponowana przez Johannesa Wernera w 1514 roku, była rozwijana równolegle z chronometrem morskim. Holenderski naukowiec Gemma Frisius jako pierwszy zaproponował użycie chronometru do wyznaczania długości geograficznej w 1530 roku.

Celem chronometru jest dokładny pomiar czasu w znanym stałym miejscu, na przykład Greenwich Mean Time (GMT). Jest to szczególnie ważne dla nawigacji. Znajomość GMT w lokalne południe pozwala nawigatorowi wykorzystać różnicę czasu między pozycją statku a południkiem Greenwich do określenia długości geograficznej statku. Ponieważ Ziemia obraca się w regularnym tempie, różnica czasu między chronometrem a czasem lokalnym statku może zostać wykorzystana do obliczenia długości geograficznej statku względem południka Greenwich (określonego jako 0°) przy użyciu trygonometrii sferycznej. We współczesnej praktyce almanach żeglarski i tablice trygonometryczne pozwalają nawigatorom mierzyć Słońce, Księżyc, widoczne planety lub dowolne z 57 wybranych gwiazd do nawigacji w dowolnym momencie, gdy widoczny jest horyzont.

Stworzenie czasomierza, który działałby niezawodnie na morzu było trudne. Do XX wieku najlepszymi czasomierzami były zegary wahadłowe, ale zarówno kołysanie się statku na morzu, jak i wahania grawitacji Ziemi do 0,2% czyniły proste wahadło oparte na grawitacji bezużytecznym zarówno w teorii, jak i w praktyce.

Pierwsze przykładyEdit

Henry Sully (1680-1729) zaprezentował pierwszy chronometr morski w 1716 roku

Christiaan Huygens, po wynalezieniu zegara wahadłowego w 1656 roku, podjął pierwszą próbę stworzenia chronometru morskiego w 1673 roku we Francji, pod patronatem Jean-Baptiste Colberta. W 1675 r. Huygens, który otrzymywał rentę od Ludwika XIV, wynalazł chronometr, w którym zamiast wahadła zastosował koło balansowe i sprężynę spiralną do regulacji, co otworzyło drogę chronometrom morskim oraz nowoczesnym zegarkom kieszonkowym i naręcznym. Uzyskał patent na swój wynalazek od Colberta, ale jego zegar pozostał niedokładny na morzu. Podjęta przez Huygensa w 1675 roku próba uzyskania angielskiego patentu od Karola II zachęciła Roberta Hooke’a, który twierdził, że wynalazł zegar napędzany sprężyną wiele lat wcześniej, do podjęcia próby wyprodukowania go i opatentowania. W 1675 roku Huygens i Hooke dostarczyli Karolowi po dwa takie urządzenia, ale żadne z nich nie działało dobrze i ani Huygens, ani Hooke nie otrzymali angielskiego patentu. To właśnie podczas tej pracy Hooke sformułował to, co znane jest jako Prawo Hooke’a.

H1 chronometr morski Johna Harrisona z 1735 roku

Pierwsze opublikowane użycie tego terminu miało miejsce w 1684 roku w Arcanum Navarchicum, teoretycznej pracy profesora z Kilonii Matthiasa Wasmutha. Po tym nastąpił dalszy teoretyczny opis chronometru w pracach opublikowanych przez angielskiego naukowca Williama Derhama w 1713 roku. Główne dzieło Derhama, Physico-theology, czyli wykazanie istoty i atrybutów Boga na podstawie jego dzieł stworzenia, proponowało również zastosowanie uszczelnienia próżniowego w celu zapewnienia większej dokładności działania zegarów. Próby skonstruowania działającego chronometru morskiego zostały rozpoczęte przez Jeremy’ego Thackera w Anglii w 1714 r. i przez Henry’ego Sully’ego we Francji dwa lata później. Sully opublikował swoją pracę w 1726 roku w Une Horloge inventée et executée par M. Sulli, ale ani jego, ani Thackera modele nie były w stanie oprzeć się falowaniu mórz i utrzymać dokładnego czasu w warunkach pokładowych.

Rysunki chronometru H4 Harrisona z 1761 roku, opublikowane w The principles of Mr Harrison’s time-keeper, 1767.

W 1714 roku rząd brytyjski zaoferował nagrodę za metodę określania długości geograficznej na morzu, a nagrody wynosiły od 10 000 do 20 000 funtów (od 2 mln do 4 mln funtów w 2021 roku) w zależności od dokładności. John Harrison, stolarz z Yorkshire, złożył projekt w 1730 r., a w 1735 r. ukończył zegar oparty na parze przeciwsobnie obracających się ważonych belek połączonych sprężynami, na których ruch nie miała wpływu grawitacja ani ruch statku. Jego dwa pierwsze morskie czasomierze H1 i H2 (ukończone w 1741 r.) wykorzystywały ten system, ale zdał sobie sprawę, że mają one zasadniczą wrażliwość na siłę odśrodkową, co oznaczało, że nigdy nie będą wystarczająco dokładne na morzu. Budowa jego trzeciej maszyny, oznaczonej jako H3, w 1759 roku obejmowała nowatorskie wagi kołowe oraz wynalazek paska bimetalicznego i łożysk wałeczkowych z klatką, wynalazki, które są nadal szeroko stosowane. Jednakże, wagi kołowe H3 nadal okazywały się zbyt niedokładne i ostatecznie porzucił on duże maszyny.

Chronometr morski Ferdinanda Berthoud’a nr 3, 1763

Harrison rozwiązał problemy z precyzją za pomocą swojego znacznie mniejszego projektu chronometru H4 w 1761 roku. H4 wyglądał bardzo podobnie do dużego zegarka kieszonkowego o średnicy pięciu cali (12 cm). W 1761 roku Harrison zgłosił H4 do nagrody 20 000 funtów za długość geograficzną. Jego projekt wykorzystywał szybko bijące koło balansowe kontrolowane przez sprężynę spiralną z kompensacją temperatury. Cechy te pozostawały w użyciu do czasu, gdy stabilne oscylatory elektroniczne pozwoliły na produkcję bardzo dokładnych przenośnych czasomierzy po przystępnych kosztach. W 1767 roku Rada Długościomierza opublikowała opis jego pracy w książce The Principles of Mr. Harrison’s time-keeper. Francuska ekspedycja pod dowództwem Charlesa-François-Césara Le Tellier de Montmirail dokonała pierwszego pomiaru długości geograficznej za pomocą chronometrów morskich na pokładzie Aurore w 1767 roku.

Współczesny rozwójEdit

Chronometr morski Pierre Le Roy, 1766, sfotografowany w Musée des Arts et Métiers w Paryżu

W 1748 roku, we Francji, Pierre Le Roy wynalazł detent escapement charakterystyczny dla współczesnych chronometrów. W 1766 roku stworzył rewolucyjny chronometr, który zawierał detent escapement, balans z kompensacją temperatury i izochroniczną sprężynę balansową: Harrison pokazał możliwość posiadania niezawodnego chronometru na morzu, ale te osiągnięcia Le Roya są uważane przez Ruperta Goulda za podstawę nowoczesnego chronometru. Innowacje Le Roy’a sprawiły, że chronometr stał się znacznie dokładniejszym urządzeniem niż przewidywano.

Chronometr Harrisona H5 z 1772 roku, obecnie wystawiony w Science Museum, Londyn

Ferdinand Berthoud we Francji, jak również Thomas Mudge w Wielkiej Brytanii również z powodzeniem produkowali morskie czasomierze. Chociaż żaden z nich nie był prosty, udowodniły one, że projekt Harrisona nie był jedyną odpowiedzią na ten problem. Największe postępy w kierunku praktyczności poczynili Thomas Earnshaw i John Arnold, którzy w 1780 roku opracowali i opatentowali uproszczone, odłączane, „sprężynowe” mechanizmy wychwytowe, przenieśli kompensację temperatury do balansu oraz udoskonalili projekt i produkcję sprężyn balansowych. Ta kombinacja innowacji służyła jako podstawa chronometrów morskich aż do ery elektronicznej.

Ferdinand Berthoud chronometr nr 24 (1782), na wystawie. 24 (1782), na wystawie w Musée des Arts et Métiers, Paryż

Nowa technologia była początkowo tak droga, że nie wszystkie statki nosiły chronometry, co ilustruje fatalna ostatnia podróż East Indiaman Arniston, rozbitego statku ze stratą 372 istnień ludzkich. Jednak do 1825 roku Królewska Marynarka Wojenna zaczęła rutynowo zaopatrywać swoje statki w chronometry.

Powszechne dla ówczesnych statków było obserwowanie kuli czasu, takiej jak ta w Królewskim Obserwatorium w Greenwich, aby sprawdzić swoje chronometry przed wyruszeniem w długą podróż. Każdego dnia statki zakotwiczały się na krótko na Tamizie w Greenwich, czekając, aż kula w obserwatorium opadnie dokładnie o godzinie 13.00. Praktyka ta w niewielkim stopniu przyczyniła się do późniejszego przyjęcia średniego czasu Greenwich jako standardu międzynarodowego. (Kule zegarowe stały się zbędne około 1920 roku wraz z wprowadzeniem radiowych sygnałów czasu, które same zostały w dużej mierze zastąpione przez czas GPS). Oprócz ustawiania czasu przed wyruszeniem w podróż, chronometry okrętowe były również rutynowo sprawdzane pod względem dokładności na morzu poprzez prowadzenie obserwacji księżyca lub słońca. W typowym użyciu chronometr był montowany w osłoniętym miejscu pod pokładem, aby uniknąć uszkodzeń i narażenia na działanie żywiołów. Marynarze używali chronometru do ustawiania tzw. wachty hakowej, którą nosili na pokładzie, by prowadzić obserwacje astronomiczne. Choć znacznie mniej dokładny (i droższy) niż chronometr, hackwatch był satysfakcjonujący przez krótki okres czasu po jego ustawieniu (tj. wystarczająco długo, by przeprowadzić obserwacje).

Ale przemysłowe metody produkcji zaczęły rewolucjonizować zegarmistrzostwo w połowie XIX wieku, produkcja chronometrów pozostała rzemieślnicza znacznie dłużej. Na przełomie XIX i XX wieku szwajcarscy producenci, tacy jak Ulysse Nardin, poczynili wielkie postępy w kierunku włączenia nowoczesnych metod produkcji i stosowania w pełni wymiennych części, ale dopiero na początku II wojny światowej Hamilton Watch Company w Stanach Zjednoczonych udoskonaliła proces produkcji masowej, co umożliwiło jej wyprodukowanie tysięcy chronometrów Hamilton Model 21 i Model 22 w czasie II wojny światowej dla Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych & Armii i innych alianckich marynarek wojennych. Pomimo sukcesu Hamiltona, chronometry wykonane w stary sposób nigdy nie zniknęły z rynku w erze mechanicznych czasomierzy. Thomas Mercer Chronometers jest wśród firm, które nadal je produkują.

Bez ich dokładności i dokładności wyczynów nawigacyjnych, które chronometry morskie umożliwiły, można argumentować, że dominacja Królewskiej Marynarki Wojennej, a przez to Imperium Brytyjskiego, mogłaby nie nastąpić tak przytłaczająco; tworzenie imperium przez wojny i podboje kolonii za granicą miało miejsce w okresie, w którym brytyjskie statki miały niezawodną nawigację dzięki chronometrowi, podczas gdy ich portugalscy, holenderscy i francuscy przeciwnicy nie. Na przykład: Francuzi byli dobrze ugruntowani w Indiach i innych miejscach przed Wielką Brytanią, ale zostali pokonani przez siły morskie w wojnie siedmioletniej.

Najbardziej kompletna międzynarodowa kolekcja chronometrów morskich, w tym H1 do H4 Harrisona, znajduje się w Royal Observatory, Greenwich, w Londynie, w Wielkiej Brytanii.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *