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Cronômetro marinho

O “Cronômetro” marinho de Jeremy Thacker usou gimbals e um vácuo em um pote de sino.

Outras informações: História da longitude

Para determinar uma posição na superfície da Terra, é necessário e suficiente conhecer a latitude, longitude e altitude. As considerações de altitude podem ser naturalmente ignoradas para embarcações que operam ao nível do mar. Até meados da década de 1750, a navegação precisa no mar fora da vista da terra era um problema não resolvido devido à dificuldade em calcular a longitude. Os navegadores podiam determinar a sua latitude medindo o ângulo do Sol ao meio-dia (isto é, quando este atingia o seu ponto mais alto no céu, ou culminação) ou, no Hemisfério Norte, medir o ângulo da Polaris (a Estrela do Norte) a partir do horizonte (geralmente durante o crepúsculo). Para encontrar a sua longitude, porém, precisavam de um padrão de tempo que funcionasse a bordo de um navio. A observação de movimentos celestiais regulares, como o método de Galileu baseado na observação dos satélites naturais de Júpiter, geralmente não era possível no mar, devido ao movimento do navio. O método das distâncias lunares, inicialmente proposto por Johannes Werner em 1514, foi desenvolvido em paralelo com o cronómetro marinho. O cientista holandês Gemma Frisius foi o primeiro a propor o uso de um cronómetro para determinar a longitude em 1530.

O objectivo de um cronómetro é medir com precisão a hora de um local fixo conhecido, por exemplo o Tempo Médio de Greenwich (GMT). Isto é particularmente importante para a navegação. O conhecimento do GMT ao meio-dia local permite ao navegador usar a diferença horária entre a posição do navio e o Meridiano de Greenwich para determinar a longitude do navio. Como a Terra gira a uma taxa regular, a diferença de tempo entre o cronómetro e a hora local da nave pode ser usada para calcular a longitude da nave em relação ao Meridiano de Greenwich (definido como 0°) usando a trigonometria esférica. Na prática moderna, um almanaque náutico e tabelas trigonométricas de redução da visão permitem aos navegadores medir o Sol, a Lua, os planetas visíveis, ou qualquer uma das 57 estrelas seleccionadas para navegação em qualquer altura em que o horizonte seja visível.

A criação de um relógio que funcionasse de forma fiável no mar era difícil. Até ao século XX, os melhores guardiões do tempo eram os relógios de pêndulo, mas tanto o rolamento de um navio no mar como as variações até 0,2% na gravidade da Terra tornavam inútil um simples pêndulo baseado na gravidade, tanto em teoria como na prática.

Primeiros exemplosEdit

Henry Sully (1680-1729) apresentou um primeiro cronómetro marinho em 1716

Christiaan Huygens, após a sua invenção do relógio pêndulo em 1656, fez a primeira tentativa de um cronómetro marinho em 1673 em França, sob o patrocínio de Jean-Baptiste Colbert. Em 1675, Huygens, que recebia uma pensão de Luís XIV, inventou um cronómetro que empregava uma roda de balanço e uma mola em espiral para regulação, em vez de um pêndulo, abrindo caminho aos cronómetros marítimos e aos relógios de bolso e relógios de pulso modernos. Ele obteve a patente de sua invenção de Colbert, mas seu relógio permaneceu impreciso no mar. A tentativa de Huygens, em 1675, de obter uma patente inglesa de Charles II estimulou Robert Hooke, que afirmava ter concebido um relógio impulsionado pela primavera anos antes, a tentar produzir um e patenteá-lo. Durante 1675 Huygens e Hooke entregaram dois desses dispositivos a Charles, mas nenhum funcionou bem e nem Huygens nem Hooke receberam uma patente inglesa. Foi durante este trabalho que Hooke formulou o que é conhecido como a Lei de Hooke.

O cronômetro marinho H1 de John Harrison de 1735

O primeiro uso publicado do termo foi em 1684 no Arcanum Navarchicum, um trabalho teórico do professor Kiel Matthias Wasmuth. Seguiu-se uma descrição teórica adicional de um cronômetro em trabalhos publicados pelo cientista inglês William Derham em 1713. A principal obra de Derham, Físico-teologia, ou uma demonstração do ser e atributos de Deus a partir de suas obras de criação, também propôs o uso do selamento a vácuo para garantir maior precisão no funcionamento dos relógios. Tentativas de construir um cronômetro marinho em funcionamento foram iniciadas por Jeremy Thacker na Inglaterra em 1714, e por Henry Sully na França dois anos mais tarde. Sully publicou seu trabalho em 1726 com Une Horloge inventée et executée par M. Sulli, mas nem os modelos dele nem os de Thacker foram capazes de resistir ao rolar dos mares e manter um tempo preciso enquanto em condições de bordo.

Desenhos do cronómetro H4 de Harrison de 1761, publicado em The principles of Mr Harrison’s timekeeper, 1767.

Em 1714, o governo britânico ofereceu um prêmio de longitude para um método de determinação da longitude no mar, com os prêmios variando de £10.000 a £20.000 (£2 milhões a £4 milhões em termos de 2021), dependendo da precisão. John Harrison, um carpinteiro Yorkshire, apresentou um projecto em 1730, e em 1735 completou um relógio baseado num par de feixes contra-oscilantes ligados por molas cujo movimento não foi influenciado pela gravidade ou pelo movimento de um navio. Os seus dois primeiros relógios marítimos H1 e H2 (concluídos em 1741) utilizaram este sistema, mas ele percebeu que eles tinham uma sensibilidade fundamental à força centrífuga, o que significava que eles nunca poderiam ser suficientemente precisos no mar. A construção da sua terceira máquina, designada H3, em 1759, incluiu novos balanços circulares e a invenção da fita bi-metálica e rolamentos de rolos com gaiola, invenções que ainda são amplamente utilizadas. Contudo, os balanços circulares de H3 ainda se revelaram demasiado imprecisos e ele acabou por abandonar as grandes máquinas.

O cronómetro marinho nº 3 de Ferdinand Berthoud, 1763

Harrison resolveu os problemas de precisão com o seu design muito mais pequeno do cronómetro H4 em 1761. H4 se parecia muito com um relógio de bolso grande de cinco polegadas (12 cm) de diâmetro. Em 1761, Harrison enviou H4 para o prémio de longitude de 20.000 libras. O seu design usava uma roda de equilíbrio rápido controlada por uma mola espiral compensada por temperatura. Estas características permaneceram em uso até que osciladores eletrônicos estáveis permitiram que relógios portáteis muito precisos pudessem ser feitos a um custo acessível. Em 1767, o Conselho de Longitude publicou uma descrição do seu trabalho em The Principles of Mr. Harrison’s timekeeper. Uma expedição francesa sob Charles-François-César Le Tellier de Montmirail realizou a primeira medição de longitude usando cronômetros marinhos a bordo da Aurore em 1767.

Desenvolvimento modernoEdit

Cronómetro Marinho Pierre Le Roy, 1766, fotografado no Musée des Arts et Métiers em Paris

Na França, 1748, Pierre Le Roy inventou a fuga característica da detenção dos cronómetros modernos. Em 1766, ele criou um cronómetro revolucionário que incorporava um escape de detent, o equilíbrio compensado pela temperatura e a mola de equilíbrio isócrono: Harrison mostrou a possibilidade de ter um cronómetro fiável no mar, mas estes desenvolvimentos de Le Roy são considerados por Rupert Gould como a fundação do cronómetro moderno. As inovações de Le Roy fizeram do cronómetro uma peça muito mais precisa do que tinha sido previsto.

Cronómetro H5 de Harrison de 1772, agora em exposição no Science Museum, Londres

Ferdinand Berthoud em França, assim como Thomas Mudge na Grã-Bretanha também produziu com sucesso cronometristas marinhos. Embora nenhum fosse simples, eles provaram que o design de Harrison não era a única resposta para o problema. Os maiores avanços em direção à praticidade vieram das mãos de Thomas Earnshaw e John Arnold, que em 1780 desenvolveram e patentearam escapamentos simplificados, desprendidos, “spring detent”, mudaram a compensação de temperatura para o equilíbrio e melhoraram o projeto e a fabricação de molas de equilíbrio. Esta combinação de inovações serviu como base dos cronômetros marinhos até a era eletrônica.

cronômetro Ferdinand Berthoud no. 24 (1782), em exposição no Musée des Arts et Métiers, Paris

A nova tecnologia era inicialmente tão cara que nem todos os navios transportavam cronómetros, como ilustrado pela fatídica última viagem do Arniston do East Indiaman, naufragado com a perda de 372 vidas. No entanto, em 1825, a Marinha Real tinha começado a abastecer rotineiramente os seus navios com cronómetros.

Era comum os navios na altura observarem uma bola de tempo, como a do Observatório Real, Greenwich, para verificarem os seus cronómetros antes de partirem para uma longa viagem. Todos os dias, os navios ancoravam brevemente no rio Tamisa em Greenwich, à espera que a bola caísse no observatório precisamente às 13:00 horas. Esta prática foi em pequena parte responsável pela posterior adoção do Tempo Médio de Greenwich como um padrão internacional. (As bolas de tempo tornaram-se redundantes por volta de 1920 com a introdução de sinais de tempo de rádio, que foram em grande parte ultrapassados pelo tempo de GPS). Além de definir seu tempo antes de partir em uma viagem, os cronômetros de navios também eram rotineiramente verificados quanto à precisão enquanto no mar, através da realização de observações lunares ou solares. Em uso típico, o cronómetro seria montado num local abrigado abaixo dos conveses para evitar danos e exposição aos elementos. Os marinheiros utilizavam o cronómetro para colocar um relógio chamado “hack watch”, que seria transportado no convés para fazer as observações astronómicas. Embora muito menos preciso (e caro) que o cronómetro, o relógio hack seria satisfatório durante um curto período de tempo após a sua colocação (ou seja, o tempo suficiente para fazer as observações).

Apesar dos métodos de produção industrial terem começado a revolucionar a relojoaria em meados do século XIX, a fabricação do cronómetro permaneceu baseada no artesanato durante muito mais tempo. Por volta da virada do século XX, fabricantes suíços como Ulysse Nardin deram grandes passos no sentido de incorporar métodos de produção modernos e utilizar peças totalmente intercambiáveis, mas foi apenas com o início da Segunda Guerra Mundial que a Hamilton Watch Company nos Estados Unidos aperfeiçoou o processo de produção em massa, o que lhe permitiu produzir milhares dos seus cronómetros Hamilton Modelo 21 e Modelo 22 da Segunda Guerra Mundial para a Marinha dos Estados Unidos & Exército e outras Marinhas Aliadas. Apesar do sucesso de Hamilton, os cronômetros feitos à moda antiga nunca desapareceram do mercado durante a era dos cronometristas mecânicos. Thomas Mercer Chronometers está entre as empresas que continuam a fazê-los.

Sem a sua precisão e a precisão dos feitos de navegação que os cronómetros marítimos permitiram, é discutível que a ascendência da Marinha Real, e por extensão a do Império Britânico, poderia não ter ocorrido de forma tão esmagadora; a formação do império por guerras e conquistas de colónias no estrangeiro teve lugar num período em que os navios britânicos tinham uma navegação fiável devido ao cronómetro, enquanto os seus oponentes portugueses, holandeses e franceses não tinham. Por exemplo: os franceses estavam bem estabelecidos na Índia e noutros lugares antes da Grã-Bretanha, mas foram derrotados pelas forças navais na Guerra dos Sete Anos.

A mais completa colecção internacional de cronómetros marinhos, incluindo os H1 a H4 de Harrison, está no Observatório Real, Greenwich, em Londres, Reino Unido.

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