Mały krok dla człowieka
W tym roku obchodziliśmy 50 rocznicę załogowego lądowania na Księżycu i momentu, gdy człowiek po raz pierwszy postawił stopę na innym obiekcie niebieskim niż Ziemia.
Era kosmiczna rozpoczęła się w 1957 roku, gdy Związek Radziecki wystrzelił Sputnika – pierwszego sztucznego satelitę Ziemi. Następny etap to pierwszy lot człowieka w kosmos 12 kwietnia 1961, i trwająca 1 godzinę i 48 minut chwała Jurija Gagarina. W początkowym okresie palmę pierwszeństwa zdobył bezapelacyjnie Związek Radziecki deklasując innych zdobywców kosmosu.
W 1961 roku prezydent USA, John F. Kennedy ogłosił, że Amerykanie wylądują na Księżycu przed upływem dekady. Inżynierowie musieli zbudować rakietę na tyle silną, by doleciała do Księżyca oraz statek kosmiczny zdolny odbyć tę podróż w obie strony. Wyzwania z jakimi przyszło się zmierzyć, pojawiały się na wszelkich możliwych płaszczyznach i dotyczyły nie tylko siły nośnej rakiet rakiet kwestii, ale też pomiaru czasu i samej nawigacji na „obcych morzach”…
Koniec końców, ten finalny epizod kończącego pionierski okres podboju kosmosu zakończył się sukcesem – lądowanie nastąpiło 20 lipca 1969 roku o godzinie 20:17:40 UTC.
Cieśnina Magellana
Równo 500 lat temu portugalski żeglarz Ferdynand Magellan wyruszył z Hiszpanii drogą zachodnią, czyli przez Ocean Atlantycki, do Wysp Korzennych w Archipelagu Malajskim. Wyprawa ta choć skończyła się dla niego tragicznie, była pierwszą, która opłynęła Ziemię.
Pozostali członkowie wyprawy pod dowództwem Juana Sebastiáno Elcaño powrócili szczęśliwie do Hiszpanii na ostatnim statku wyprawy, po niemal trzech latach od wyruszenia (6 września w roku 1522).
To pionierskie przedsięwzięcie o niewyobrażalnej na owe czasy skali wykazało między innymi dużo większe niż do tej pory szacowano rozmiary Ziemi. Według ówczesnych pomiarów trasa jaką pokonała „Victoria” wyniosła 69 tysięcy kilometrów (obwód Ziemi to 40 075 km).
Wspomniane pomiary opierały się na dość prymitywnych, ale całkiem skutecznych metodach polegających na użyciu kilkudziesięciu 30-minutowych klepsydr do mierzenia czasu.
Co ciekawe, XVI wieczna załoga zaobserwowała coś, z czym mają do czynienia nowożytni pasażerowie transoceanicznych rejsów lotniczych… stracili jeden dzień! Podczas powrotu dookoła Afryki załoga została zmuszona do zatrzymania się na Wyspach Zielonego Przylądka. To właśnie tam w środę 9 lipca dzielni marynarze dowiedzieli się, że jest już czwartek, czyli następny dzień kalendarzowy. Jak to możliwe? – zapytacie, podobnie, jak musieli pytać swoich oficerów skonfundowani i wystraszeni załoganci. Otóż podczas wyprawy polegającej na okrążeniu Ziemi, przy przekraczaniu każdego stopnia długości geograficznej słońce wstaje 4 minuty wcześniej (lub później zależnie od kierunku). Jak łatwo obliczyć, przy 360° daje to równo 1440 minut, czyli cały dzień. Właśnie to zjawisko zaobserwowane 500 lat temu przyczyniło się w przyszłości do wyznaczenia linii zmiany daty.
To boldly go where no man has gone before
Dlaczego wspomniałem te dwa z pozoru różne wydarzenia. Z dwóch powodów: po pierwsze to kamienie milowe w historii podbojów Homo Sapiens Sapiens i szukania granic znanego sobie Świata; po drugie ich wspólnym mianownikiem jest nieodparta chęć podążania w nieznane.
Pomijając aspekt romantyczny i awanturniczy musimy też rozważyć względy praktyczne. Powyższe wyprawy nie byłyby możliwe bez pieniędzy, a co więcej ich „sponsorzy” mieli z tyłu swoich zacnych i szlachetnych głów zgoła bardziej pragmatyczne cele. Stany Zjednoczone chciały wygrać kosmiczny wyścig i zapewnić sobie supremację w podboju Kosmosu. Z kolei hiszpańska korona w osobie Jego Wysokości Karola V chciała zdeklasować Portugalczyków w handlu z Nowym Światem i wyznaczyć nowe, lepsze trasy dla swoich statków.
Kasa od królowej
Punktem kulminacyjnym takiego zdroworozsądkowe podejścia było ogłoszenie w lipcu 1714 roku przez Parlament Wielkiej Brytanii tzw. „Longitude Act”.
…nothing is so much wanted and desired at sea, as the discovery of the longitude, for the safety and quickness of voyages, the preservation of ships, and the lives of men…
Na mocy tej ustawy wyznaczono nagrodę w wysokości 20 tysięcy funtów brytyjskich za rozwiązanie pewnego ważkiego problemu natury geograficznej. Transoceaniczne wyprawy zyskiwały na znaczeniu, a dla „imperium w którym słońce nigdy nie zachodzi”, którym powoli stawała się Korona Brytyjska, dokładna nawigacja była sprawą wagi państwowej. Naukowcy pracowali nad problemem dokładnego wyznaczania długości geograficznej od wielu lat, ale póki co błędy pomiarów było rażące. Inaczej miała się się sprawa z wyznaczaniem szerokości geograficznej, tu problem rozwiązano dość sprawnie już w starożytności (określając wysokość np. Gwiazdy Polarnej nad horyzontem). Taki pomiar dość szybko doprecyzowano i stosowano od lat z dużym powodzeń w astronawigacji. Nikt nie wyznaczyłby za usprawnienie tej metody pomiarowej nawet przysłowiowego”złamanego pensa„.
Warto dodać, że podobną, choć nie tak znaczną nagrodę, za rozwiązanie problemu długości geograficznej wyznaczyła również korona hiszpańska.
Jak zatem wyznaczyć długość geograficzną? W teorii jest to proste – musimy mieć jakiś punkt odniesienia, czyli „południk startowy” i znać dokładny czas. Dziś przebiega on przez Greenwich, ale do 1884 roku przecinał on hiszpańską wyspę El Hierro w archipelagu kanaryjskim. Co ciekawe, wyspa El Hierro była znana już w II wieku i już słynny starożytny geograf Ptolemeusz z Aleksandrii wykorzystywał ją jako „południk startowy„. Hiszpanie zaadoptowali go do swoich potrzeb, a to dlatego, że wyspa stanowiła do czasu odkryć Kolumba najdalej wysunięty na zachód skrawkiem lądu w niskich szerokościach geograficznych znany Europejczykom.
Wróćmy jednak do metody pomiaru… Aby wyznaczyć dokładną pozycję metodą astronawigacyjną
Otóż, aby prawidłowo wyznaczyć długość geograficzną w dowolnym miejsc na kuli ziemskiej musimy mieć ze sobą zegar, który wskazuje dokładny czas obowiązujący na „południku startowym”. Wtedy wystarczy w samo południe, gdy słońce jest w zenicie zmierzyć różnicę wskazań czasu lokalnego i zegara wzorcowego. Prawda, że proste? Niestety, tylko w teorii…
Jak już wspomnieliśmy przy okazji Wyprawy Magellana, jeden stopień długości geograficznej odpowiada, aż 4 minutom. Jeśli przez w trakcie rejsu nasz zegar okrętowy będzie gubił przykładowo 20 sekund na dobę to już po 12 dniach będziemy mieli do czynienia z odchyłką rzeczonych 4 minut. Czyli po niespełna dwóch tygodniach nasz pomiar będzie obarczony błędem około 1 stopnia. Jeśli dodamy, że w okolicach równika oznacza to błąd 111 km, to takie wyznaczanie naszej pozycji będzie o kant rozbić. Tym bardziej, że porządny rejs przez Atlantyk zajmował wtedy grubo ponad miesiąc – dopiero XIX wieczne parostatki skróciły ten czas to miesiąca.
Nic więc dziwnego, że Królowa Anna przeznaczyła w ramach „Longitude Act” aż 20 tysięcy funtów nagrody. Suma była to na owe czasy niebagatelna. Przeliczając ją w oparciu o parytet złota wyniosłaby ona dzisiaj prawie 1,5 miliona GPB.
Genialny samouk
Wreszcie znalazł się wreszcie ktoś, kto podjął rękawicę. Był to nikomu nie znany, pochodzący z rzemieślniczej rodziny i przyuczony do zawodu cieśli przez ojca najstarszy syn, John Harrison. Ten genialny samouk, na co dzień pracujący w warsztacie ojca, uczył się zegarmistrzostwa naprawiając w wolnych chwilach zegary.
Gdy dowiedział się o nagrodzie, do której zdobycia zbliży go skonstruowanie najdokładniejszego zegara na świecie, w roku 1728 postanowił wyjechać do Londynu. Tam podszedł do tematu w odpowiedni sposób i zadał się z odpowiednią konfraterią. Dzięki wstawiennictwu królewskiego astronoma, genialnego matematyka, a przy okazji członka komisji konkursowej (The Commissioners for the Discovery of the Longitude at Sea), poznał samego George’a Grahama, słynnego londyńskiego zegarmistrza (wynalazcy m.in. wychwytu spoczynkowego). Z jego pomocą i dzięki istotnej pożyczce „na start” rozpoczął pracę nad własnym zegarem.
Pierwszy prototyp powstał 5 lat później (1735 rok) i został nazwany H-1 . Ważył 34 kilogramy i mieścił się w drewnianej skrzyni o krawędzi 1,2 m. Pomimo całkiem przyzwoitej dokładności wynoszącej kilka sekund na dobę, cel nie został osiągnięty i Harrison przystąpił do udoskonalania projektu. Tak powstał ważący jeszcze więcej (39 kg), ale precyzyjniejszy H-2 (1741 rok), a następnie, aż 17 lat później (1758 rok) lżejszy, bo ważący 27 kg H-3.
Choć kolejne konstrukcje były coraz lepsze to 20 tysięcy od królowej było nadal poza zasięgiem Johna Harissona. Dopiero nowe podejście do tematu i całkowite przedefiniowanie założeń konstrukcyjnych zapewniło mu sukces. W 1759 roku, po prawie ćwierć wieku pracy powstał zegar H-4, który miał zaledwie 13 cm średnicy (sic!) i ważył 1,5 kg. W porównaniu ze zwykłymi mechanizmami zegarowymi pradziadek wszystkich chronometrów zawierał szereg usprawnień i nowych rozwiązań. Najważniejsze to wykorzystanie łożysk z kamieni szlachetnych dla miniaturowych kół, bęben sprężyny o zmiennej średnicy kompensujący spadek siły naciągu podczas jej rozwijania, bimetaliczny włos oscylatora balansowego, który kompensował zmiany temperatury i na koniec mocno zmodyfikowany wychwyt wrzecionowy z pomniejszonymi diamentowymi paletami i cykloidalnymi zębami. To się nazywa postęp!
18 listopada 1761 roku na pokładzie okrętu HMS „Deptford” zegar Harrisona wyruszył w trwający 81 dni i 5 godzin rejs z Portsmouth do Kingston na Jamajce. Chronometr był umieszczony w drewnianej skrzyni i zawieszony pionowo w specjalnym mocowaniu, aby zminimalizować błędy pozycyjne. Nad bezpieczeństwem zegar czuwał syn konstruktora William, ponieważ 68 lat na karku wykluczało udział w męczącym transatlantyckim rejsie Johna Harrisona.
Odchyłka jaka pojawiła się podczas całego rejsu wyniosła 3 minuty i 35,5 sekundy. Czyli średnia odchyłka dobowa wyniosła niecałe 0,4 sekundy! Takiej dokładności nie dają nawet dzisiaj mechaniczne zegarki naręczne najwyżjszej klasy z szwajcarskącertyfikacją COSC. Tym samym możliwe było określenie długości geograficznej z dokładnością do 1,25 minuty (około mili morksiej). Longitude Act jako kryterium stawiał dokładność 2 minut, czyli pół stopnia – jak pamiętamy z wcześniejszych rozważań cały stopień odpowiada 4 minutom.
Eksperyment powiódł się na tyle dobrze, że komisja konkursowa przypisała sukces zbiegowi okoliczności i zaleciła jego powtórzenie, migając się przy tym od wypłacenia należnej nagrody. Początkowo oferowano Harissonowi jedynie 5000 funtów, a następnie wypłacono połowę określonej w ustawie kwoty i dopiero interwencja króla Jerzego II spowodowała wypłatę w czerwcu 1773 roku drugiej połowy.
Epilog
Co dalej stało się z chronometrem Harrisona? Jego sukces przyczynił się do gwałtownego rozwoju zegarmistrzostwa i powstania nowych chronometrów morskich. Znaczącym krokiem w ewolucji mechanizmów było opracowanie przez Pierra Le Roya wychwytu chronometrowego.
Co ciekawe, kopia słynnego H-4 o nazwie K1 wzięła udział drugiej i trzeciej (delikatnie mówiąc niefortunnej) wyprawie kapitana Jamesa Cooka. Z kolei kopia o nazwie K2 służyła jako chronometr okrętowy na słynnym HMS „Bounty” – ale to już zupełnie inna historia…
Chcesz wiedzieć więcej?
+Kosmiczne zegarki: Poljot znaczy lot – część I, Kwestia Czasu
Tomasz.
14 września 2019 at 20:39
Zawsze mnie zdumiewa mistrzostwo starego rzemiosła..Chyba niepotrzebnie porównuję je do dzisiejszych możliwości technicznych,ale aż mnie ciarki przechodzą.Jakiż ten człowiek musiał mieć umysł,żeby w tamtych czasach,przy tamtej technice wykonać,a najpierw wymyślić,tak skomplikowany mechanizm.W jakimś stopniu szły za tym pieniądze,ale zdaje mi się,że nade wszystko były t podszepty MUZY,talentu z kosmosu.
Panie Leszku,myślę,że dożyję jeszcze czasu,kiedy wyda pan książkę o zegarach mechanicznych.Trochę ich jerst,ale żadna nie oddaje pana lekkości w przekazie tej tajemnej wiedzy. Z szacunkiem Tomek.