Laikrodis, pakeitęs pasaulį, arba istorija apie geografinės ilgumos atradimą

XVIII a. raižinys vaizduojantis skęstančią Cloudesley Shovellio flotilę (šaltinis: https://en.wikipedia.org/wiki/)

Kultūra Laikrodis, pakeitęs pasaulį, arba istorija apie ...

Finansinį atlygį už atradimus stambios kompanijos siūlo ne tik šiais laikais. Štai 1714 metais įsteigta Geografinės Ilgumos draugija pažadėjo net 20 000 svarų sterlingų (~2.6 milijono svarų dabartiniu kursu) tam, kas pirmasis atras patikimą būdą nustatyti geografinę ilgumą 30 jūrmylių (56 km) tikslumu. Atradėjams jau kelis šimtus metų nepavykdavo priartėti prie šio pasiekimo, tačiau genialus savamokslis Johnas Harrisonas pasiūlė itin paprastą, bet veiksmingą ir tikslų būdą. Tiesa, pažadėtų pinigų jis taip ir negavo.

Turėdami savo rankose išmaniuosius telefonus, galime nustatyti savo buvimo vietą kelių metrų tikslumu. Dauguma telefonų naudojasi GPS ir GLONASS sistemomis, todėl įrenginiuose esantys davikliai nustato vietą per keletą sekundžių. Keliautojams tai be galo naudingas dalykas, nes net ir žemėlapiai kartais paveda, kalnuose užeina rūkas, o dar jei esame pametę kompasą...

Nuolat virš žemės skriejantys palydovai bet kokiu metu mums nurodo tikslią buvimo vietą, todėl šiomis dienomis sunku įvertinti vieną svarbiausių nūdienos atradimų, kuris leido atrasti pasaulį.

Šimtmečio problema

Nusikelkime trejetą šimtmečių atgal, į didžiųjų jūros kelionių laikus. Puošnūs burlaiviai pilni egzotiškų gėrybių skrodžia bangas ir gabena į uostus pasakiškus turtus iš tolimųjų šalių. Patyrę jūrininkai mokėjo naudotis saule ir žvaigždėmis, kad nustatytų geografinę platumą: bet kokia žvaigdžė pasieks savo aukščiausią tašką, priklausantį nuo to, kiek toli į šiaurę arba pietus yra stebėtojas.

Šiauriniame pusrutulyje populiariausias dangaus objektas buvo Šiaurinė žvaigždė ir ja naudojosi dauguma keliautojų. Tačiau tai tik vienas koordinačių sistemos taškas. Kaip tiksliai nustatyti rytų ar vakarų ilgumą, t.y. kiek toli į rytus / vakarus jūrininkai nuplaukė, tuo metu nemokėjo nė vienas navigatorius. Todėl navigacija, kaip mes suprantame ją dabar, buvo išties apribota. Stebėdami dangaus kūnus ir nuolat skaičiuodami laivo greitį, keliautojai galėdavo spėti tik apytikslę ilgumą, paklaida buvo siaubingai didelė ir laivai gana dažnai suduždavo į uolas.

Premija už sprendimą

Lemtingas posūkis navigacijos istorijoje buvo sero Cloudesley Shovellio grįžimas į D. Britanijos po uostus po kampanijos Toulone (Prancūzijoje). 1707 metais visa flotilė apsiskaičiavo ir esant blogoms oro sąlygoms užplaukė ant uolų. Žuvo dauguma jūreivių, kartu su pačiu admirolu – daugiau kaip du tūkstančiai žmonių.

Buvo aišku, kad toliau taip tęstis nebegali ir 1714 metais D. Britanijoje buvo įsteigta Geografinės Ilgumos draugija „Board of Longitude“ (GID), kuri paskelbė, kad bet kuriam gebančiam sukurti būdą tiksliai nustatyti geografinę ilgumą, sumokės jau minėtą 20000 svarų sumą kaip premiją.

„GID“ išskyrė tris prizus, atitinkančius tris tikslumo lygius:

  • 10 000 svarų – už metodą, leidžiantį nustatyti ilgumą su 60 jūrmylių paklaida (110 km);
  • 15 000 svarų – už metodą, leidžiantį nustatyti ilgumą su 40 su jūrmylių paklaida (74 km);
  • 20 000 svarų – už metodą, leidžiantį nustatyti ilgumą su 30 su jūrmylių paklaida (56 km).

D. Britanija buvo ne vienintelė, siūliusi premiją už esminės problemos išsprendimą. Prancūzijos karalius Liudvikas XIV (dar žinomas kaip Karalius Saulė) įkūrė Karališkąją mokslo draugiją, kuri nuo 1715 metų taip pat žadėjo premiją pirmam išsprendusiam didžiausią laikotarpio problemą.

Genialiai paprastas pasiūlymas

Prancūzijoje buvo propaguojamas atstumo iki Mėnulio skaičiavimo metodas, tačiau sprendimas buvo dar paprastesnis. Mažai kam žinomas Jorkšyre gyvenęs Johnas Harrisonas pasiūlė laive patalpinti itin tikslų laikrodį (chronometrą), kuris skaičiuotų laiką nuo išplaukimo iš vieno uosto iki kito. Žinodami, kad para susideda iš 24 valandų, o Saulė juda 15 laipsnių kiekvieną valandą (360°/24 valandos = 15° kas valandą), sinchronizuojame laikrodį su vietiniu laiku išplaukdami iš Grinvičo ir plaukiame ilgą atkarpą žinoma kryptimi (naudodamiesi kompasu).

Praplaukę atitinkamą atstumą, išmatuojame, kuriuo laiku Saulė yra zenite (aukščiausiame taške). Matydami, kad Saulė zenitą pasiekė 4 valandą atsižvelgiant į laivo laikrodį, galime preziumuoti, kad nuplaukėme 60° į vakarus. Atsižvelgiant į tai, kad Saulė zenitą pasieks įvairiu laiku (nuo 11.30 iki 12.30), priklausomai nuo stebėtojo buvimo vietos, laivo laikrodis turi būti itin tikslus.

Metodas buvo genialiai paprastas. Apskritai pati idėja nebuvo nauja, keletas išradėjų mėgino ją dar daug metų prieš Harrisoną, tačiau dauguma (tarp jų ir Izaokas Niutonas) nusprendė, kad šis metodas yra ydingas: joks laikrodis neturėjo tokios konstrukcijos, kad laive galėtų rodyti tikslų laiką, ilgos kelionės metu nepaisydamas bangavimo, audrų ir temperatūros kaitos.

Kadangi visi tuo metu gaminami laikrodžiai buvo paremti švytuoklės principu, laivo sukinėjimas įvairiomis kryptimis ir pastovus bangų mušimas trukdė laikrodžiam pasiekti net ir minimalų tikslumą. Tačiau, pagal išsilavinimą dailide buvęs G. Harrisonas ėmė taikyti genialius sprendimus ir pasauliui pristatė išties nepaprastus laiko matavimo instrumentus.

John Harrison

Stebinantis prototipas

1730 metais, nubraižęs pirmą chronometro prototipą, Johnas išvyko į Londoną siekdamas gauti finansinę paramą. Jis tikėjosi, kad turint lėšų teorinę idėją pavyks realizuoti praktiškai. Įstabu tai, kad Harrisonui kilo mintis tam tikras laikrodžio detales pagaminti iš medžio (kuris buvo natūraliai alyvuotas) – todėl besiliečiantys mazgai buvo natūraliai sutepami ir nereikalavo visiškai jokios priežiūros.

Tikėdamas savo sėkme, jis brėžinius pristatė garsiam astronomui Edmondui Halley`ui, kuris buvo taip maloniai nustebęs savamokslio idėjomis, kad jį rekomendavo garsiausiam šalies laikrodininkui – Georgui Grahamui. Grahamas savo ruožtu paskolino pinigų prototipo gamybai.

Pirmasis instrumentas, publikai pristatytas 1735 metais, buvo pavadintas H1. Nepaprasto grožio, didelių išmatavimų ir svorio (40 kg) mašina buvo pirmasis laikrodis, kuris pilnai kompensuodavo laivo siūbavimus (dėl dviejų ypatingų balansinių svertų, sujungtų spyruokle); taip pat buvo pirmasis, naudojęs šiluminio kompensavimo mechanizmą (prisiminkime, kad laivo laikrodis turi veikti nepaisydamas didelių temperatūros svyravimų).

Kas svarbiausia, dėl ypatingos konstrukcijos, jo nereikėjo sutepinėti – tai buvo itin aktualus dalykas laive, kur egzistuoja nuolatinė drėgmė, druska ir pan. Pristačius jį Karališkąjai Draugijai (Royal Society), kuri vėliau kalbėjo Harrisono vardu „Geografinės Ilgumos draugijai”, buvo nuspręsta, kad išradimas yra vertas išbandymo jūroje. 1736 metais chronometras, patalpintas „HMS Centurion” laive, išplaukė iš Londono į Lisaboną, o vėliau, perkeltas į kitą laivą, sėkmingai grįžo.

Deja, laikrodis puikiai pasirodė tik atgalinės kelionės metu. Reikia paminėti, kad tiek navigatoriai, tiek pats kapitonas apie Harrisono išradimą atsiliepė itin pozityviai. Chronometras net ir veikdamas ne pilnu pajėgumu, platumą nustatė gerokai tiksliau (net 60 km), nei tą padarė senieji metodai. „GID“ draugija rezultatu buvo patenkinta ir suteikė papildomus 500 svarų laikrodžiui patobulinti.

Pirmasis Johno Harrisono chronometras H1 (šaltinis: http://collections.rmg.co.uk/)

Nesibaigiantys bandymai

Po trejų metų gamybos ir dvejų metų testavimo, Johnas Harissonas pristatė patobulintą chronometro modelį – H2, kuris buvo gerokai kompaktiškesnis ir patvaresnis. Deja, prasidėjęs Britanijos – Ispanijos karas sutrukdė išbandyti naują agregatą.

Buvo nuspręsta, kad išradimas yra pernelyg brangus, kad pakliūtų į priešo rankas, todėl jūrose testuojamas nebus. Vienok, išradimo autorius, suradęs rimtą klaidą mechanizme, nutraukė bandymus, laukdamas, kol pasibaigs karas, ir pradėjo dirbus ties trečiuoju projektu – H3.

Patobulintas сhronometras H2 (šaltinis: http://collections.rmg.co.uk/)

H3 buvo gaminamas net 17 metų, tačiau G. Harissonas nebuvo iki galo patenkintas gaunamu rezultatu. Didžiausia problema buvo technologinės pažangos nebuvimas. Norint pagerinti laikrodžio darbą buvo būtina patobulinti balansines spyruokles. Tuo metu žmonės neturėjo pakankamų įgūdžių suprasti, kaip tiksliai elgiasi vienokie ar kitokie metalų lydiniai prie konkrečių aplinkybių, todėl viskas buvo daroma paprastuoju – konstravimo – bandymo – taisymo būdu.

Modelis H3 (šaltinis: http://collections.rmg.co.uk/)

1758 Harisson persikėlė į Londoną, kuriame aptiko, kad garsiojo Grahamo mokinys Thomas Mudgetas gamina kompatiškus laikrodžius, kurie pasižymi panašiu tikslumu, kaip jo „didžiosios mašinos“. Mudgetas savo kūriniuose panaudojo naujausią metalo lydinį, vadinamą „Huntsman“ plienu (išradėjo Benjamino Huntsmano garbei). Johno Harrisono pasaulis apsivertė aukštyn kojom – jis suprato, kad net gana nedideli prietaisai gali būti itin tikslūs ir puikiausiai panaudoti kaip laivo chronometrai. Jis entuziastingai kibo braižyti naujus planus ir brėžinius siekdamas suprojektuoti kompatišką chronometrą.

Pirmasis tiksliai veikiantis chronometras H4 (šaltinis: http://collections.rmg.co.uk/)

Nr. 1 sėkmė

1750 metais garsus laikrodininkas John Jefferys pagamino itin pažangų laikrodį, kuris turėjo gausybę technologinių naujienų: pirmasis kompatiškas laikrodis su termo kompensavimo mechanizmu, pirmasis, kuris nesustoja, kai jį reikia užvedinėti ir t.t. Pavadintas tiesiog „Nr.1” arba „H4”, šis modelis laikomas pirmuoju tiksliai veikiančiu jūriniu chronometru, kurio pagalba buvo galima nustatyti geografinę ilgumą.

Išties, „H4” buvo šedevras – gražus, pažangus ir itin tikslus. Korpusas (13 cm) pagamintas iš sidabro, o viduje panaudoti tikri deimantai (tai rodo, kaip toli pažengė to laikmečio manufaktūra). Ciferblatas yra emaliuotas, o rodyklės pagamintos iš aukštoje temperatūroje kaitinto plieno, kuris įgauna unikalią mėlyną spalvą. Šį modelį pagaminti užtruko net 6 metus, tačiau pasiekti įspūdingi rezultatai garantavo, kad jis bus bandomas Trans-Atlantinėje kelionėje. Patalpintas 50 pabūklų HMS Deptford laive, išvyko į kelionę – iš Portsmouto į Kingstoną (Jamaikoje). Deja, pats laikrodžio išradėjas J. Harrisonas, būdamas silpnos sveikatos (68 metų), į kelionę nevyko – išleido savo sūnų.

Prieš išplaukiant buvo nustatyta, kad chronometro tikslumas yra -2,66 sekundės per dieną, t.y. laikrodis kas dieną atsilieka 2,66 sekundės – puikus rezultatas net ir šių dienų mechaniniams laikrodžiams (palyginimui – autoriaus asmeninio mechaninio laikrodžio „Orient“ tikslumas siekia -12/+22 sekundes per dieną). Po 81 dienos, atplaukus į Kingstoną paiškėjo, kad laikrodis skaičiuodamas ilgumą apsiriko tik 1,25 minutes.

Parplaukus atgal, Harrisonas vylėsi gauti apdovanojimą, nes buvo akivaizdu, kad jo sukonstruotas chronometras veikia puikiai. Tačiau prasidėjo politika – draugija teigė, kad laikrodžio tikslumas gali būti atsitiktinis ir privalu padaryti dar vieną bandymą; taip pat argumentavo, kad laikrodžio gamybai trunkant net šešerius metus, jis yra itin nepraktiškas ir netinkamas masinei gamybai.

Nauji metodai užgožė sėkmę

Tuo metu palengva pradėjo populiarėti vadinamasis prancūziškas metodas, t.y. geografinės platumos skaičiavimas, remiantis Mėnulio atstumu iki Žemės. Kadangi Mėnulis Žemės atžvilgiu juda gana greitai, ~13 laipsnių per dieną, tai leidžia sąlyginai lengvai apskaičiuoti kampą tarp jo ir kito dangiško kūno (dažniausiai Saulės). Naudojantis jūriniais almanachais ir žinant šį kampą, galima paskaičiuoti ir geografinę ilgumą. Tiesa, reikia paminėti, kad skaičiavimai užtrukdavo gana ilgai – pradžioje, kol nebuvo paruošti išsamūs žinynai, net iki 4 valandų.

Šio metodo aktyvus propaguotojas buvo Nevilas Maskelynas, kuris irgi tikėjosi gauti „GID“ premiją. Draugijai paskyrus dar vieną „H4” chronometro bandymą, laive kaip atsakingas asmuo plaukė ir Maskelynas, kuris platumą skaičiavo savo metodu. Vėlgi, chronometras parodė puikiai ir tikslumu smarkiai lenkė konkurento metodą, bet bandymų rezultatus pateikus draugijai, chronometro tikslumas buvo įvardintas kaip „atsitiktinis“.

Atstumo iki Mėnulio matavimo metodas (šaltinis: https://beta.sciencemuseum.org.uk/)

Karališka parama ir kaina

Harrisonui aktyviai reiškus protestą, įsikišo net parlamentas, kuris pasiūlė 10 000 svarų. Jei kitam laikrodininkui pavyks pagaminti prietaisą ir gauti analogiškus rezultatus – Johnas Harissonas gaus antra tiek. Tačiau chronometro kūrėjas su tuo nesutiko ir primygtinai siekė, kad jo rezultatas būtų pripažintas draugijos oficialiai. Jo nelaimei, pagrindinis konkurentas Nevilas Maskelynas buvo priimtas į draugiją ir vėl chronometro pasiekimas buvo prilygintas sėkmei.

Atrodytų viskas slydo iš rankų, bet Johnas pradėjo darbus ir ėmė konstruoti naują prietaisą, žinomą kaip Nr.2 arba „H5“. Šį sykį laikrodį jis perdavė D. Britanijos karaliui Jurgiui III, kuris mėgo technologijas ir buvo nepatenkintas „GID“ veikla. Karalius pats asmeniškai testavo prietaisą net dvi savaites ir liko itin patenkintas gautais rezultatais. Turėdamas karaliaus užnugarį, Johnas Harrisonas, būdamas 80 metų, gavo beveik 9 tūkstančių svarų išmoką, tačiau niekada negavo oficialaus apdovanojimo.

Galutinis chronometro pripažinimas buvo jo panaudojimas garsiosiose Jameso Cooko ekspedicijose (2 ir 3). Cooko dienoraščiuose randama daugybė įrašų, liaupsinančių chronometro tikslumą, o visi Ramiojo vandenyno pietinės dalies žemėlapiai sudaryti remiantis Harrisono išradimu.

Reikia pastebėti, kad pirminė chronometrų kaina buvo nepaprastai didelė – siekė net 30% viso laivo kainos, todėl dauguma keliautojų iki pat XVIII a. pabaigos naudojo Mėnulio atstumo skaičiavimo metodą geografinei ilgumai nustatyti. Chronometrams atpigus, šis prietaisas užkariavo pasaulį ir jau XIXa. pradžioje keliauti be chronometro buvo laikoma „neprotinga“.

Nors Johno Harrisono brėžiniai vėliau buvo tobulinami, esminiai principai išliko. Chronometrų naudojimas leido nustatyti geografinę ilgumą itin tiksliai. Dėl to kelionės tapo saugesnės ir patikimesnės. Reikia pastebėti, kad net ir negavęs pilnos išmokos, Johnas Harrisonas baigė savo gyvenimą būdamas itin turtingu ir tapęs žinomu žmogumi-genijumi, išsprendusiu „svarbiausią tūkstantmečio problemą“.

-----

Norintiems sužinoti daugiau apie šią nepaprastą istoriją siūlau paskaityti puikią knygą:
Dava Sobel – Longitude: The true story of a lone genius who solved the greatest scientific problem of his time
Taip pat:
http://collections.rmg.co.uk/collections/objects/79139.html
https://beta.sciencemuseum.org.uk/stories/2016/11/1/where-in-the-world
https://cudl.lib.cam.ac.uk/collections/longitude
https://www.instagram.com/pendulumgeek/

Techo naujienos į Jūsų el. pašo dėžutę: