jueves, 5 de enero de 2017

La invención del Cronómetro Marino

La dificultad que encontraron los antiguos navegantes para posicionarse en el mar se solucionó parcialmente por medio de instrumentos de observación astronómica que permitían determinar con precisión la posición de un barco en el mar, respecto a la latitud. Pero era completamente diferente en lo que respecta á la longitud, es decir, la distancia de cualquier lugar ó un determinado meridiano del Este ó del Oeste. 

La solución a este problema se solucionó con la invención del cronómetro marino, el cual consiste en un reloj mecánico de gran precisión, diseñado para funcionar a bordo de un buque en alta mar, y sin ver su precisión afectada de forma significativa por los movimientos que experimenta el buque durante su navegación, ni tampoco por los cambios de temperatura y humedad.

El desafío que representó la determinación de la longitud en la navegación oceánica requirió de la realización de un importante esfuerzo de investigación llevado a cabo durante siglos, y en la que las principales naciones de la antigüedad, ofrecieron importantes sumas de dinero por la obtención de un método práctico que permitiera conocer la longitud de un buque en el mar. El interés era muy grande ya que este método aportaría superioridad técnica en la navegación oceánica.
 
Para hacernos una idea de lo complicado del asunto, hay que mencionar que en el caso de longitud no hay un determinado lugar á que referirse. La rotación do la tierra hace imposible la existencia de tal lugar. La cuestión de longitud es puramente cuestión de tiempo. El circuito del globo Este, Oeste está sencillamente representado por veinticuatro horas. Cada lugar tiene su propio tiempo. Es muy fácil determinar el tiempo local en un lugar, por observaciones hechas en el mismo. Pero como el tiempo cambia constantemente, el conocimiento del tiempo local no dá idea de la actual posición, y aún menos en un objeto movible, en un barco en el mar. Pero si en una localidad conocemos, el tiempo local y también el de otra parte en el mismo momento, por ejemplo, el observatorio de Greenwich, podemos, comparando los dos tiempos locales, determinar la diferencia de estos tiempos, ó lo que es lo mismo la diferencia de longitud entre las dos partes. Por tanto era necesario al navegante estar en posesión de un cronómetro, capacitándose con él para determinar con exactitud la posición de su barco con respecto á la longtiud.
La invención del primer Cronómetro Marino supuso un considerable problema tecnológico que fue resuelto en 1760 por John Harrison (en sus orígenes un carpintero de Yorkshire sin apenas estudios) con su cronómetro marino; reloj que más tarde fue conocido como H-4.

Al tiempo que Harrison resolvía en Inglaterra el problema de la longitud en la mar, se producían progresos notables en Francia en el mismo sentido, con Ferdinand Berthoud (1727-1807) y Pierre Le Roy (1717-1785), aspirantes al premio señalado en su país en 1720 a quien diese un procedimiento seguro para hallar durante la navegación el punto de la nave con un error inferior al medio grado en seis semanas. Retirado el primero, la Academia francesa aprobó el modelo de Le Roy en 1773, aunque no recibió premio en metálico.

La historia de John Harrisón fue estudiada por Dava Sobel (Nueva York, 15 de junio de 1947) una reportera y divulgadora científica estadounidense, y además escritora de libros de divulgación científica. Fue reportera de ciencia del New York Times. En 1995 publicó "Longitude: The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time". Este libro tuvo gran éxito en todo el mundo y se puede conseguir gratuitamente en español.

 
John Harrison (historia)
John Harrison (24 de marzo de 1693–24 de marzo de 1776), nació en Foulby (Yorkshire) siendo el primero de los cinco hermanos hijos de un humilde carpintero.

Durante los treinta primeros años de su vida fue un modesto carpintero que pasó desapercibido por completo. Acabó su primer reloj de péndulo en 1713 (antes de cumplir veinte años), y no se sabe cómo se pudo meter en semejante proyecto, y menos qué conocimientos previos aplicó. Este primer reloj puede verse hoy en día en una vitrina del museo del "Excelentísimo Gremio de Relojeros" en Guildhall (Londres). Lo singular de este reloj no es que fuera el primero de John sino que fue construido íntegramente en madera de roble y boj. Harrison construyó después otros dos relojes de madera, en los años 1715 y 1717.

Durante el periodo de 1725 a 1727 se asoció con su hermano James y construyeron relojes de caja y de pie, casi todos firmados por James. En este periodo Harrison inventó los Péndulos de parrilla y el Escape saltamontes.

Sobre 1720 Harrison ya era un famoso constructor de relojes y Charles Pelham le contrató para que construyese un reloj sobre la torre de su casa en Brocklesby Park (este reloj funciona hoy en día). Lo insólito de este reloj es que contiene todos los inicios y ensayos sobre lo que con el tiempo serían sus más afamados cronómetros, capaces de poder dar solución al problema de la longitud.

Harrison pudo observar pronto que poco podía aumentarse la precisión de un péndulo cuando era sometido a los vaivenes de un buque navegando en una tormenta; tenía que olvidar la idea de utilizar péndulos.
 
Harrison diseñó un plan y lo expuso en Londres ante la Junta de Longitud en 1730. Por esta época esta institución tenía 15 años de vida y recibía constantemente solicitudes mediocres y carentes de interés. En Londres visitó a Halley y posteriormente al relojero George Graham, quien se convirtió en su mecenas.

La serie famosa de relojes:
A lo largo de más de 30 años, Harrison construyó cinco cronómetros, dos de los cuales fueron probados en el mar.
Cronómetro H-1:
El primer cronómetro fue el H-1 (Harrison primero) que funcionaba con ruedas dentadas de madera y cuyo aspecto no recordaba a ninguno de los relojes vistos hasta la fecha. Los hermanos Harrison hicieron un viaje por el río Humber para comprobar que funcionaba correctamente y en 1735 se entregó a George Graham, se convocó una expedición marítima hasta Lisboa para probar la precisión de la máquina y finalmente el 30 de junio de 1737 se reunió el Consejo (por primera vez en 23 años) para examinar la maquinaria. Harrison, en vez de dar por concluido su trabajo, solicitó más fondos. Este reloj pesa 34 Kg. fue el primero de la serie de cronómetros capaces de hacer  y pugnar por los requerimientos del problema de la longitud. El reloj posee cuatro esferas: una para las horas, otra para los minutos, la tercera para los segundos y la cuarta para el día de la semana. El reloj no aparece firmado. Hoy en día se conserva en el Museo Marítimo Nacional de Londres. Funciona correctamente, dándosele cuerda a diario.
 
 


Cronómetro H-2:
En el año 1741 presentó otra maquinaria al Consejo: la H-2, y es el propio Harrison quien convenció a los miembros de que su trabajo no estaba acabado, por lo que esta maquinaria no se hizo a la mar. Harrison regresó a sus trabajos, intentando mejorar con una versión perfeccionada de la H-2. Este reloj de bronce pesaba 39 kilos y era de menores proporciones que su predecesor. Superó las rigurosas pruebas realizadas por la Royal Society en 1741-1742.

Cronómetro H-3:
Harrison, que por entonces tenía 48 años y vivía en Londres, se encerró en su taller y no se supo casi nada de él en los veinte años que tardó en construir la H-3. Nadie se explica que tardara dos años en construir un reloj de torre (cuando apenas poseía experiencia), que en nueve años construyese dos innovadores relojes y que en el H-3 empleara cerca de 20 años. No hay que olvidar que durante esta época de construcción del H-3, su hijo William, un adolescente, es muy posible que le ayudara. El H3 Es el más ligero de los cronómetros marinos, pesa cerca de 27 Kg. (siete menos que el H-1) y posee 753 piezas internas. Se puede ver en el diseño que Harrison quería disminuir el tamaño del instrumento.
 

Cronómetro H-4:
Hubo un reloj más en la serie, el penúltimo, el H-4 de 1760, el más pequeño de la serie. El H-4 es mucho más pequeño comparado con los anteriores, de 127 mm de diámetro y muy ligero (1360 g), representa uno de los primeros relojes portátiles con una precisión aceptable (1 s por día) para la época. Está firmado por John Harrison y su hijo, y él mismo lo data en 1759. En este reloj empleó como asegurador de ejes una misteriosa combinación de rubíes y diamantes. El H-4 en la actualidad reside inmóvil en las vitrinas del Museo Marítimo de Londres debido al trato inadecuado al que fue sometida su maquinaria por investigadores del pasado, pero cuando se le da cuerda la energía le dura treinta horas.
Fin de la Historia:
El Consejo determinó en 1760 hacer las puebas marítimas de ambos relojes (el H-3 y el H-4) en una travesía marítima en la que iría su hijo William y los dos relojes rumbo a Jamaica. El H-4 se retrasó solo cinco segundos tras ochenta días navegando por alta mar. A la vuelta del viaje el reloj cumplió con las expectativas fijadas por el Consejo, pero hubo problemas de última hora que pusieron en duda las comprobaciones realizadas en Jamaica por William.

Se propuso realizar otra prueba: en el año 1764 zarparon hacia Barbados y volvió a superar con éxito los ensayos. El Consejo tardó en aceptar los datos de este segundo viaje, pero mientras tanto, otras expediciones (entre las que se puede encontrar la del capitán James Cook) se van sucediendo, y todas ellas con gran éxito en sus resultados.

Mientras se esperaba la decisión del Consejo, Harrison comenzó el diseño de su último reloj, el H-5. En aquellos días se consideraba rehén de la Junta por las numerosas e injustificadas negativas a otorgarle el premio acordado, y consideró que después de tres años de reclamaciones ya había tenido suficiente, puesto que se sentía "Extremadamente dolido al ser utilizado por unos caballeros de los que se podría haber esperado un mejor tratamiento".

En consecuencia, mientras se estaba probando en alta mar el primer ejemplar del H-5, decidió construir un segundo ejemplar del nuevo cronómetro, que presentó al rey Jorge III para solicitar su ayuda. Tras la audiencia con su hijo William, quien le explicó la situación de su padre y de sus relojes, el Rey se mostró extremadamente molesto con la actitud de la Junta de Longitud. Probó personalmente el segundo ejemplar del H-5 en palacio, y después de diez semanas de observaciones diarias (entre mayo y julio de 1772), el cronómetro mostró una precisión de un tercio de un segundo por día. Jorge III aconsejó entonces al Parlamento que se entregase el premio completo a Harrison, después de amenazar con comparecer ante la cámara para reprender personalmente a los parlamentarios. Finalmente, el 24 de abril de 1773, cuando ya tenía 80 años de edad, Harrison recibió del Parlamento un premio recompensando sus logros por la cantidad de 8.750 libras, pero no obtuvo el premio oficial (que nunca fue otorgado a nadie). Tan solo sobrevivió tres años más.



Métodos alternativos para determinar la longitud:
Tal y como está narrada la historia anterior, bien pudiera parecer que sin la obtención del cronómetro no sería posible calcular la longitud sobre la tierra, pues la realidad es que antes de disponer de cronómetros se conocían al menos dos métodos alternativos:

1 Método: Medir las diferencias horarias entre dos puntos mediante observaciones de eclipses. Si se conoce a qué hora tiene que ocurrir un eclipse en tierra firme en un punto y medimos la hora local de ese eclipse en alta mar podremos calcular la longitud. Los eclipses solares o lunares son escasos pero esto se solucionó después de que Galileo observara los satélites de Júpiter en 1610. Estos presentan eclipses unas mil veces al año. Galileo propuso que una observación en alta mar de estas apariciones y desapariciones daría una medida exacta de la longitud. El método era correcto y de hecho sirvió para determinar la longitud en tierra firme, aunque resultaba un método poco práctico para usar en los barcos. 

2 Método: Cálculo de la longitud por las distancias lunares. En 1755 Tobias Mayer encontró un método para determinar con gran aproximación la longitud midiendo el movimiento de libración de la Luna y usando los trabajos previos de Newton y Euler, el cálculo era tan laborioso que el gobierno británico se vio precisado a encargar al astrónomo Nevil Maskelyne en 1766 la elaboración de unas tablas anuales que hicieran innecesarios todos los cálculos. Sin embargo, la solución práctica al problema de la longitud lo obtuvo en 1787 el matemático y oficial de la marina española José de Mendoza y Ríos, que publicó varias tablas utilizando el método del semiverseno de su invención,​ para facilitar los cálculos de astronomía náutica y muy útiles en la navegación para calcular la latitud de un barco en el mar por dos medidas de altura del sol, y la longitud por el sistema de las distancias lunares de un cuerpo celeste. En la imagen siguiente se muestra el Cálculo de la hora en Greenwich en el mar por el método de las Distancias Lunares. La distancia lunar es el ángulo entre la Luna y el otro cuerpo celeste empleado. Las alturas de los dos astros se usan para corregir la distancia y obtener la hora. 

Modernamente, el problema del posicionamiento preciso de los navíos se ha solucionado gracias al GPS. El sistema GPS (Global Positioning System) está basado en la localización mediante señales que se reciben de un conjunto de satélites artificiales que orbitan alrededor de la Tierra. El receptor recibe las señales de estos satélites y mediante triangulación puede conocer su posición con tan solo unos metros de margen de error.


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