Zdobywca nagrody za długość

Poniższa notka nie stanowi odrębnej całości, ale jest integralną częścią cyklu o historii wyznaczania współrzędnych geograficznych. Jeżeli jakiś punkt wydaje się niezrozumiały, istnieje duże prawdopodobieństwo, że został wytłumaczony w którymś z wcześniejszych tekstów. Aby przeczytać całość, lekturę należy zacząć od Jakie jest twoje miejsce na Ziemi?, po czym posuwać się zgodnie z linkami zamieszczanymi na końcu każdej kolejnej notki.

John Harrison (portret Thomasa Kinga; wiki, fot. David Wright, CC BY-SA 2.0)

Informacje o dzieciństwie Johna Harrisona (1693-1776) są bardzo fragmentaryczne. Wiadomo, że w wieku 7 lat zamieszkał wraz z rodzicami w małej wiosce w hrabstwie Lincolnshire. Jego ojciec był stolarzem i nauczył Johna swego fachu. Harrison musiał też zdobyć niezłe umiejętności muzyczne, gdyż został organistą i kierownikiem chóru w lokalnym kościele. Ponieważ pochodził z ubogiej rodziny, nie stać go było na regularne studia. Chciał się jednak uczyć. Ktoś pożyczył lub podarował mu skrypt „Mechanika” z wykładów profesora z Cambridge, Nicholasa Saundersona. (Saunderson zastąpił na Katedrze Lucasa Williama Whistona – tego pana, który wymyślił sieć statków sygnałowych. Jako niemowlę stracił wzrok, a mimo to stał się znakomitym matematykiem i wykładowcą, bardzo popularnym wśród studentów. Jestem dla niego pełen podziwu. Dla osób niewidomych kształcenie się i osiąganie sukcesów zawodowych nie jest łatwe nawet teraz; pomyślmy, jak trudne musiało być w XVIII wieku!) Harrison przepisał cały skrypt, przerysował wszystkie ilustracje, a na marginesach poczynił liczne uwagi. W ten sposób zdobył wiedzę, która przydała mu się do konstruowania i regulacji zegarów.

Zegary stały się bowiem pasją Harrisona. Ich budowę też musiał zgłębić samodzielnie, bo, jak ustalili historycy, w jego okolicach nie mieszkał wówczas żaden zegarmistrz. Pierwszy zegar wahadłowy Harrison zrobił mając 20 lat. Mechanizm był wykonany głównie z twardego drewna, dzięki czemu nie korodował i nie wymagał smarowania. Następne zegary były podobne, ale Harrison wprowadzał w nich różne innowacje. Młody cieśla zdobył lokalne uznanie, które zaowocowało zamówieniem złożonym przez pewnego ziemianina na wykonanie zegara w wieży jego pałacu.

Harrison regulował swoje zegary za pomocą obserwacji astronomicznych. Za „obserwatorium” służyły mu... okno jego domu i komin domu sąsiada. Stojąc wraz z bratem w oknie obserwował, kiedy wybrane gwiazdy chowały się za kominem, i notował, jaką godzinę pokazywał wówczas zegar. Dzięki jednostajności ruchu obrotowego sfery niebieskiej odstępy czasu między kolejnymi zakryciami jakiejś gwiazdy przez komin są niezwykle regularne, dlatego po kilku nocach pomiarów Harrison mógł odpowiednio przyspieszać bądź spowalniać chód zegarów w taki sposób, aby ich wskazania były prawidłowe.

Precyzja zegarów Harrisona była na tyle duża, że ich wykonawca zaczął zastanawiać się, czy nie byłby w stanie zbudować czasomierza przydatnego do wyznaczania długości geograficznej na morzu. Chronometr taki musiałby chodzić jednostajnie nie reagując na zmieniające się warunki klimatyczne i być odporny na chybotanie się statku nawet podczas silnego sztormu. Ten drugi warunek wykluczał zegary wahadłowe, mógł być jednak spełniony przez zegary balansowe. Trudności piętrzące się przed Harrisonem były ogromne, on postanowił jednak podjąć wyzwanie.

W 1730 roku Harrison, chcąc uzyskać jakieś porady, zabrał swój projekt chronometru i udał się do Edmonda Halleya. Astronom Królewski, choć sam brał udział w wyścigu po nagrodę za odkrycie metody wyznaczania długości geograficznej, przyjaźnie przyjął Harrisona i zachęcał go do dalszych wysiłków. Nie będąc ekspertem od konstrukcji zegarów, Halley skierował Harrisona do cenionego zegarmistrza i konstruktora aparatury naukowej George’a Grahama. Po wielogodzinnej rozmowie Graham stał się wielkim entuzjastą koncepcji prezentowanych przez Harrisona. Nie tylko namawiał go do dalszych prac, ale nawet pożyczył mu sporą sumę pieniędzy na zakup niezbędnych materiałów i narzędzi.

Konstruowanie pierwszego chronometru, nazywanego obecnie H1, zajęło Harrisonowi pięć lat. Urządzenie miało dwa balanse i było zrobione z mosiądzu oraz drewna. Zegar miał kształt sześcianu o boku 120 centymetrów, a ważył 34 kilogramy. Można go teraz oglądać w Państwowym Muzeum Morskim w Greenwich, niestety bez oryginalnej obudowy, która zaginęła.

Pierwszy chronometr Harrisona – H1 (wiki; fot. Tatters, CC BY-SA 2.0)

H1 został pozytywnie oceniony przez członków Royal Society, więc brytyjska Admiralicja zdecydowała się poddać go próbie. W 1736 roku Harrison wraz ze swym zegarem wsiadł na płynący do Lizbony okręt HMS Centurion. Zegar umieszczono w kabinie kapitana. Na nieszczęście, tygodniowy rejs odbywał się podczas sztormu i Harrison przez cały czas cierpiał na chorobę morską (najwyraźniej nie wszyscy Anglicy są urodzonymi marynarzami...) Po przybyciu do Lizbony kapitan okrętu nagle zmarł nie zdążywszy sporządzić raportu o dokładności chodu zegara. Harrison przesiadł się więc na HMS Oroford i na nim powrócił do Anglii. Tym razem podróż przebiegła w spokojniejszych warunkach, z okresami bezwietrznymi, co wydłużyło ją do miesiąca. H1 spisał się znakomicie. Nawigator okrętu przyznał, że gdy pod koniec rejsu zobaczono ląd, to, zgodnie z jego ocenami dokonanymi na podstawie tradycyjnego zliczania, miał to być przylądek Start w Devonie; natomiast Harrison, prowadząc nawigację za pomocą zegara, stwierdził że jest to przylądek Lizard w Kornwalii, dobre sześćdziesiąt mil na zachód od Start. Okazało się, że rację miał zegarmistrz, a nie doświadczony nawigator.

Aby zdobyć 20 tysięcy funtów nagrody, zgodnie z ustawą parlamentu zegar trzeba było wysłać do Indii Zachodnich i z powrotem, i na tej trasie sprawdzić jego chód. Wydawało się, że H1 będzie w stanie sprostać tej próbie, jednak nie zgodził się na nią sam Harrison. Doszedł do wniosku, że jest w stanie dokonać pewnych ulepszeń, dlatego tylko poprosił Radę Długości Geograficznej o grant na dalsze badania. Rada zgodziła się przyznać mu 500 funtów.

Drugi chronometr Harrisona – H2 – został zaprezentowany w 1741 roku. Był nieco mniejszy od H1, ale trochę cięższy (39 kilogramów), i faktycznie znalazło się w nim wiele ulepszeń. Aby sprawdzić jego działanie, niezależni testerzy podgrzewali go, chłodzili i potrząsali przez wiele godzin. H2 przeszedł te próby śpiewająco; mimo to, nigdy nie znalazł się na morzu. Były po temu dwa powody. Po pierwsze, na wodach Morza Karaibskiego toczyła się wtedy wojna o ucho Jenkinsa (można sprawdzić w necie, skąd wzięła się ta śmieszna nazwa) i istniały obawy, że chronometr może wpaść w ręce Hiszpanów. Po drugie, Harrison znowu okazał się perfekcjonistą i stwierdził, że zegar ma jakieś niedoróbki, które koniecznie trzeba wyeliminować. Rada Długości Geograficznej przyznała mu kolejny grant, a Harrison przeprowadził się do Londynu i zasiadł do roboty nad kolejnym modelem.

Konstruowanie trzeciego chronometru – H3 – zajęło mu aż 19 lat. Jest to ważący 27 kilogramów zegar, w którym po raz pierwszy zastosowano łożyska kulkowe oraz bimetal mający rekompensować zmiany temperatury. Jednakże i on nie znalazł się na żadnym statku. Dlaczego? Otóż niespodziewanie pojawił się nowy, lepszy konkurent, a jego twórcą był... sam Harrison.

Na początku lat 50. XVIII wieku Harrison zaprojektował dla siebie zegarek kieszonkowy, a jego wykonanie powierzył innemu londyńskiemu zegarmistrzowi. Ku swemu zdumieniu Harrison stwierdził, że zegarek chodzi znacznie dokładniej niż się spodziewał, doszedł więc do wniosku, że zamiast tworzyć duże, ciężkie konstrukcje, można będzie zbudować trochę większą wersję tegoż zegarka, która spełni wymogi morskiej nawigacji. W ten sposób powstał H4.

Chronometr Harrisona H4 (wiki; fot. Colonel Warden, CC BY-SA 3.0)

H4 jest zdecydowanie mniejszy od poprzednich chronometrów: ma 13 centymetrów średnicy i waży 1,5 kilograma. W jego wnętrzu znajdują się mechanizmy zbudowane z kamieni szlachetnych: diamentów i rubinów. Harrison nazywał go zegarkiem (ang. watch), w odróżnieniu od swych wcześniejszych czasomierzy, które nazywał zegarami (ang. clock). I faktycznie, H4 wygląda jak nieco większy zegarek kieszonkowy. Dzisiaj, wspólnie z H1, H2 i H3 znajduje się w Państwowym Muzeum Morskim w Greenwich.

Harrison zdecydował się do konkursu o nagrodę zgłosić właśnie H4. W listopadzie 1761 roku został on umieszczony na okręcie HMS Deptford, kierującym się ku Kingston na Jamajce. Harrison dobiegał już siedemdziesiątki, dlatego w roli opiekuna chronometru w rejs wysłał swego syna Williama. Na pokładzie znaleźli się też niezależni obserwatorzy. Stwierdzono, że w trakcie trwającej 81 dni podróży do celu zegarek spóźnił się tylko o 5 sekund!

Chociaż H4 spełnił warunki zdobycia nagrody, Rada Długości Geograficznej postanowiła, że musi zostać poddany jeszcze jednej próbie. W 1764 zegarek Harrisona wyruszył na Barbados. Na pokładzie HMS Tartar znalazł się także Nevil Maskylene, który przeprowadzał pomiary długości metodą odległości księżycowych. Na Barbadosie ich wyniki weryfikowano za pomocą obserwacji księżyców Jowisza (patrz notka Na scenę wkracza Jowisz). Długość stolicy wyspy wyznaczona przez chronometr była obarczona błędem odpowiadającym 10 milom, podczas gdy odległości księżycowe dawały błąd trzykrotnie większy (choć też jeszcze dopuszczalny).

Wydawało się, że nic już nie stoi na przeszkodzie, aby przyznać nagrodę Harrisonowi Mimo to, Rada Długości Geograficznej wypłaciła tylko jej część (10 tysięcy funtów) i postawiła dodatkowe wymagania. Być może niektórzy jej członkowie sami mieli nadzieję partycypować w podziale ogromnej sumy pieniędzy... Tak czy inaczej, zegarmistrzowi zaczęto stawiać nowe warunki. Rada uznała, zresztą poniekąd słusznie, że metoda określania długości ma służyć wszystkim marynarzom, a nie tylko tym, którzy akurat dysponują H4, dlatego Harrison musi wykonać jego kopie, a także dostarczyć jego plany i zezwolić na dodatkowe testy. Zegarmistrz przez trzy lata tworzył kopię H4 (nazywaną dziś H5) i przekazał ją królowi Jerzemu III. Monarcha sam był zainteresowany wynikami, więc wspólnie z Harrisonem przez 10 tygodni testował H5. Podczas testów błąd chodu chronometru wynosił średnio jedną trzecią sekundy na dobę. Jerzy III zarekomendował parlamentowi, aby ten polecił wypłacić pozostałą część nagrody. W 1773 roku Harrison otrzymał brakujące 8750 funtów (w sumie, łącznie z grantami, pozyskał od korony brytyjskiej 23 065 funtów) i stał się bardzo zamożnym człowiekiem. Niestety, krótko cieszył się swym bogactwem, gdyż zmarł 3 lata później w wieku 83 lat.

A zatem problem określania długości geograficznej na morzu, na którym zęby połamali sobie tacy geniusze jak Galileusz, Huygens, Hooke, Newton czy Halley, został rozwiązany przez zegarmistrza-samouka. Kopie chronometru H4 zaczęły robić furorę na oceanach. Jedną z nich – K1 – wziął ze sobą James Cook na swą drugą i trzecią wyprawę i był nią absolutnie zachwycony. Dzięki niej stworzył dokładną mapę wielu wysp południowego Pacyfiku. Drugą, nieco gorszą – K2 – przekazano Williamowi Blighowi, dowódcy HMS Bounty – tak, tak, to ten okręt znany z popularnego filmu „Bunt na Bounty”, w którym w postać sadystycznego Bligha wcielił się Anthony Hopkins. Podczas rebelii przejęli ją buntownicy i zabrali na wyspę Pitcairn, ale została odzyskana w 1808 roku, kiedy do wyspy przybił amerykański statek wielorybniczy. Obecnie ona też znajduje się w Państwowym Muzeum Morskim.

Chronometry zaczęły więc zdobywać morza i oceany, a jednym z powodów była ich malejąca cena. Na samym początku były to urządzenia bardzo drogie; dla przykładu, K1 kosztował 450 funtów. W Anglii, i nie tylko w Anglii za konstruowanie chronometrów zabierało się jednak coraz więcej zegarmistrzów i już w latach 80. XVIII wieku John Arnold sprzedawał je za 80 funtów, a Thomas Earnshaw nawet za 65. Z drugiej strony, dobry sekstant i tablice przewidywanych odległości księżycowych kosztowały raptem około 20 funtów, czyli ponad 3 razy mniej. W dodatku opracowano algorytmy, które pozwalały skrócić czas niezbędnych obliczeń z czterech godzin do pół godziny. Z tego powodu metodę odległości księżycowych stosowano jeszcze w XIX wieku, nawet na statkach zaopatrzonych w chronometry, gdyż był to niezależny sposób weryfikacji chodu czasomierzy.

Nawigacja wspomagana przez chronometr jest jednak znacznie prostsza. Cały proces przebiega następująco. W okolicach południa należy obserwować przez sekstant położenie Słońca na niebie. Moment, gdy jest ono najwyżej nad horyzontem, to godzina 12 lokalnego czasu. Trzeba sprawdzić wtedy, co pokazuje chronometr podający czas Greenwich. Z różnicy czasów natychmiast obliczamy długość geograficzną. Z kolei z wysokości Słońca nad horyzontem, zmierzonej za pomocą sekstantu, wyznaczamy szerokość geograficzną (patrz jedna z moich wcześniejszych notek). Proste, prawda?

W XIX wieku opracowano nową metodę wyznaczania długości geograficznych na lądzie. Do tego celu wykorzystywano ówczesny szczyt techniki – telegraf. Telegrafista w jednym miejscu wystukiwał swój czas, a inny telegrafista, znajdujący się setki lub tysiące kilometrów dalej, porównywał ten czas ze swoim. Po uwzględnieniu poprawek na wszelkiego rodzaju opóźnienia na linii można było otrzymać precyzyjną różnicę długości geograficznych. Stosując tę metodę stworzono mapę całych Stanów Zjednoczonych.

W XX wieku pojawiła się radionawigacja, a w jego drugiej połowie – nawigacja satelitarna i GPS. Obecnie wystarczy parę razy stuknąć kciukiem w ekran swego smartfona i już wiemy, gdzie jesteśmy... Warto jednak pamiętać, jak wielki to był problem w dawnych latach i ile wysiłku włożono, aby go rozwiązać.

KONIEC!!!

PS. Ten tekst usiłowałem zamieścić tutaj bodajże w czwartek, ale edytor s24 kompletnie schrzanił mi formatowanie. Trochę się wkurzyłem, bo formatowanie zajęło mi sporo czasu, i dlatego notkę ponowiłem dopiero dzisiaj.