Cronómetro marino - Marine chronometer
| Cronómetro marino | |
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 Un cronómetro marino de Charles Frodsham de Londres, que se muestra al revés para revelar el movimiento. Cronómetro circa 1844-1860.
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| Clasificación | Reloj |
| Industria | Transporte |
| Solicitud | Cronometraje |
| Motorizado | No |
| Inventor | John Harrison |
| Inventado | 1761 |
A marine chronometer is a precision timepiece that is carried on a ship and employed in the determination of the ship's position by celestial navigation. It is used to determine longitude by comparing Greenwich Mean Time (GMT) and the time at the current location found from observations of celestial bodies. When first developed in the 18th century, it was a major technical achievement, as accurate knowledge of the time over a long sea voyage is necessary for navigation, lacking electronic or communications aids. The first true chronometer was the life work of one man, John Harrison, spanning 31 years of persistent experimentation and testing that revolutionized naval (and later aerial) navigation and enabling the Age of Discovery and Colonialism to accelerate.
El término cronómetro fue acuñado de las palabras griegas χρόνος (chronos) (que significa tiempo) y metro (que significa medida) en 1713 por William Derham . Recientemente, se ha vuelto más comúnmente utilizado para describir relojes probados y certificados para cumplir con ciertos estándares de precisión. Los relojes fabricados en Suiza pueden mostrar la palabra "cronómetro certificado" o "cronómetro certificado oficialmente" solo si están certificados por el COSC (Instituto Oficial Suizo de Pruebas de Cronómetros) .
Historia
Para determinar una posición en la superficie terrestre, es necesario y suficiente conocer la latitud , longitud y altitud . Naturalmente, las consideraciones relativas a la altitud pueden ignorarse en el caso de los buques que operan al nivel del mar . Hasta mediados de la década de 1750, la navegación precisa en el mar fuera de la vista de la tierra era un problema sin resolver debido a la dificultad para calcular la longitud. Los navegantes podían determinar su latitud midiendo el ángulo del sol al mediodía (es decir, cuando alcanzó su punto más alto en el cielo, o culminación ) o, en el hemisferio norte, midiendo el ángulo de Polaris (la estrella del norte) desde el horizonte ( generalmente durante el crepúsculo ). Sin embargo, para encontrar su longitud , necesitaban un estándar de tiempo que funcionara a bordo de un barco. La observación de movimientos celestes regulares, como el método de Galileo basado en la observación de los satélites naturales de Júpiter , generalmente no era posible en el mar debido al movimiento del barco. El método de distancias lunares , propuesto inicialmente por Johannes Werner en 1514, se desarrolló en paralelo con el cronómetro marino. La científica holandesa Gemma Frisius fue la primera en proponer el uso de un cronómetro para determinar la longitud en 1530.
El propósito de un cronómetro es medir con precisión la hora de una ubicación fija conocida, por ejemplo, la hora media de Greenwich (GMT). Esto es particularmente importante para la navegación. Saber GMT al mediodía local permite a un navegante utilizar la diferencia horaria entre la posición del barco y el meridiano de Greenwich para determinar la longitud del barco. A medida que la Tierra gira a un ritmo regular, la diferencia de tiempo entre el cronómetro y la hora local del barco se puede utilizar para calcular la longitud del barco en relación con el meridiano de Greenwich (definido como 0 °) mediante trigonometría esférica . En la práctica moderna, un almanaque náutico y tablas trigonométricas de reducción de la vista permiten a los navegantes medir el Sol , la Luna , los planetas visibles o cualquiera de las 57 estrellas seleccionadas para la navegación en cualquier momento en que el horizonte sea visible.
La creación de un reloj que funcionara de manera confiable en el mar fue difícil. Hasta el siglo XX, los mejores cronometradores eran los relojes de péndulo , pero tanto el balanceo de un barco en el mar como las variaciones de hasta el 0,2% en la gravedad de la Tierra hicieron que un simple péndulo basado en la gravedad fuera inútil tanto en teoría como en la práctica.
Primeros ejemplos
Christiaan Huygens , tras su invención del reloj de péndulo en 1656, hizo el primer intento de cronómetro marino en 1673 en Francia , con el patrocinio de Jean-Baptiste Colbert . En 1675, Huygens, que recibía una pensión de Luis XIV , inventó un cronómetro que empleaba una rueda de equilibrio y un resorte en espiral para la regulación, en lugar de un péndulo, abriendo el camino a los cronómetros marinos y los relojes de bolsillo y de pulsera modernos. Obtuvo una patente para su invento de Colbert, pero su reloj seguía siendo impreciso en el mar. El intento de Huygens en 1675 de obtener una patente inglesa de Carlos II estimuló a Robert Hooke , quien afirmó haber concebido un reloj impulsado por resorte años antes, a intentar producir uno y patentarlo. Durante 1675, Huygens y Hooke entregaron dos de estos dispositivos a Charles, pero ninguno funcionó bien y ni Huygens ni Hooke recibieron una patente inglesa. Fue durante este trabajo que Hooke formuló lo que se conoce como la Ley de Hooke .
El primer uso publicado del término fue en 1684 en Arcanum Navarchicum , un trabajo teórico del profesor de Kiel Matthias Wasmuth. Esto fue seguido por una descripción teórica adicional de un cronómetro en las obras publicadas por el científico inglés William Derham en 1713. La obra principal de Derham, Fisico-teología, o una demostración del ser y atributos de Dios a partir de sus obras de creación , también propuso el uso de sellado al vacío para garantizar una mayor precisión en el funcionamiento de los relojes. Jeremy Thacker en Inglaterra en 1714 y Henry Sully en Francia dos años más tarde comenzaron los intentos de construir un cronómetro marino funcional . Sully publicó su trabajo en 1726 con Une Horloge inventée et ejecutée par M. Sulli , pero ni sus modelos ni los de Thacker pudieron resistir el movimiento de los mares y mantener la hora precisa mientras se encontraban a bordo.
En 1714, el gobierno británico ofreció un premio de longitud por un método para determinar la longitud en el mar, con premios que van desde £ 10,000 a £ 20,000 (£ 2 millones a £ 4 millones en términos de 2021) dependiendo de la precisión. John Harrison , un carpintero de Yorkshire, presentó un proyecto en 1730 y en 1735 completó un reloj basado en un par de vigas ponderadas contra-oscilantes conectadas por resortes cuyo movimiento no estaba influenciado por la gravedad o el movimiento de un barco. Sus dos primeros relojes marinos H1 y H2 (completados en 1741) utilizaron este sistema, pero se dio cuenta de que tenían una sensibilidad fundamental a la fuerza centrífuga , lo que significaba que nunca podrían ser lo suficientemente precisos en el mar. La construcción de su tercera máquina, designada H3, en 1759 incluyó novedosas balanzas circulares y la invención de la tira bimetálica y los rodamientos de rodillos enjaulados , invenciones que todavía se utilizan ampliamente. Sin embargo, los balances circulares de H3 todavía demostraron ser demasiado inexactos y finalmente abandonó las máquinas grandes.
Harrison resolvió los problemas de precisión con su diseño de cronómetro H4 mucho más pequeño en 1761. H4 se parecía mucho a un gran reloj de bolsillo de cinco pulgadas (12 cm) de diámetro. En 1761, Harrison presentó H4 para el premio de longitud de 20.000 libras esterlinas. Su diseño utilizaba un volante de balanceo rápido controlado por un resorte en espiral con compensación de temperatura. Estas características se mantuvieron en uso hasta que los osciladores electrónicos estables permitieron fabricar relojes portátiles muy precisos a un costo asequible. En 1767, el Board of Longitude publicó una descripción de su trabajo en The Principles of Mr. Harrison's time-keeper . Una expedición francesa dirigida por Charles-François-César Le Tellier de Montmirail realizó la primera medición de longitud utilizando cronómetros marinos a bordo de Aurore en 1767.
Desarrollo moderno
En Francia, en 1748, Pierre Le Roy inventó el escape de retención característico de los cronómetros modernos. En 1766, creó un cronómetro revolucionario que incorporaba un escape de retención , el equilibrio de temperatura compensada y el resorte de equilibrio isócrono : Harrison mostró la posibilidad de tener un cronómetro confiable en el mar, pero estos desarrollos de Le Roy son considerados por Rupert Gould como la base del cronómetro moderno. Las innovaciones de Le Roy hicieron del cronómetro una pieza mucho más precisa de lo que se había anticipado.
Ferdinand Berthoud en Francia, así como Thomas Mudge en Gran Bretaña, también produjeron cronometradores marinos con éxito. Aunque ninguno era simple, demostraron que el diseño de Harrison no era la única respuesta al problema. Los mayores avances hacia la practicidad llegaron de la mano de Thomas Earnshaw y John Arnold , quienes en 1780 desarrollaron y patentaron escapes simplificados, separados, de "retención de resorte" , movieron la compensación de temperatura a la balanza y mejoraron el diseño y la fabricación de los resortes de equilibrio . Esta combinación de innovaciones sirvió de base a los cronómetros marinos hasta la era electrónica.
La nueva tecnología era inicialmente tan cara que no todos los barcos llevaban cronómetros, como lo ilustra el fatídico último viaje del East Indiaman Arniston , que naufragó con la pérdida de 372 vidas. Sin embargo, en 1825, la Royal Navy había comenzado a suministrar cronómetros de forma rutinaria a sus buques.
Era común que los barcos en ese momento observaran una bola del tiempo , como la del Observatorio Real de Greenwich , para verificar sus cronómetros antes de partir en un viaje largo. Todos los días, los barcos anclaban brevemente en el río Támesis en Greenwich, esperando que la bola en el observatorio cayera exactamente a la 1 pm. Esta práctica fue en pequeña parte responsable de la posterior adopción de la hora media de Greenwich como estándar internacional. (Las bolas de tiempo se volvieron redundantes alrededor de 1920 con la introducción de señales de tiempo de radio , que han sido reemplazadas en gran medida por la hora del GPS ). Realización de observaciones lunares o solares. En el uso típico, el cronómetro se instalaría en un lugar protegido debajo de las cubiertas para evitar daños y exposición a los elementos. Los marineros usarían el cronómetro para configurar un llamado reloj pirata , que se llevaría a cubierta para realizar las observaciones astronómicas. Aunque es mucho menos preciso (y caro) que el cronómetro, el reloj pirata sería satisfactorio durante un breve período de tiempo después de configurarlo (es decir, lo suficiente para realizar las observaciones).
Aunque los métodos de producción industrial comenzaron a revolucionar la relojería a mediados del siglo XIX, la fabricación de cronómetros se mantuvo basada en la artesanía durante mucho más tiempo. A principios del siglo XX, los fabricantes suizos como Ulysse Nardin hicieron grandes avances hacia la incorporación de métodos de producción modernos y el uso de piezas totalmente intercambiables, pero fue solo con el inicio de la Segunda Guerra Mundial que Hamilton Watch Company en los Estados Unidos perfeccionó el proceso de producción en masa , que le permitió producir miles de sus cronómetros Hamilton Modelo 21 y Modelo 22 de la Segunda Guerra Mundial para la Armada y el Ejército de los Estados Unidos y otras armadas aliadas . A pesar del éxito de Hamilton, los cronómetros fabricados a la antigua nunca desaparecieron del mercado durante la era de los cronometradores mecánicos. Thomas Mercer Chronometers se encuentra entre las empresas que continúan haciéndolos.
Sin su exactitud y la exactitud de las hazañas de navegación que permitían los cronómetros marinos, es discutible que la supremacía de la Royal Navy , y por extensión la del Imperio Británico , no hubiera ocurrido de manera tan abrumadora; la formación del imperio por guerras y conquistas de colonias en el extranjero tuvo lugar en un período en el que los barcos británicos tenían una navegación confiable debido al cronómetro, mientras que sus oponentes portugueses, holandeses y franceses no. Por ejemplo: los franceses estaban bien establecidos en la India y otros lugares antes de Gran Bretaña, pero fueron derrotados por las fuerzas navales en la Guerra de los Siete Años .
La colección internacional más completa de cronómetros marinos, incluidos los de Harrison H1 a H4, se encuentra en el Royal Observatory, Greenwich , en Londres , Reino Unido.
Caracteristicas
El problema crucial fue encontrar un resonador que no se viera afectado por las condiciones cambiantes que enfrenta un barco en el mar. El volante , acoplado a un resorte, resolvió la mayoría de los problemas asociados con el movimiento del barco. Desafortunadamente, la elasticidad de la mayoría de los materiales de los resortes de equilibrio cambia en relación con la temperatura. Para compensar la resistencia del resorte en constante cambio, la mayoría de las balanzas de cronómetro usaban tiras bimetálicas para mover pesos pequeños hacia y lejos del centro de oscilación, alterando así el período de la balanza para que coincida con la fuerza cambiante del resorte. El problema del resorte de equilibrio se resolvió con una aleación de níquel-acero llamada Elinvar por su elasticidad invariable a temperaturas normales. El inventor fue Charles Édouard Guillaume , quien ganó el Premio Nobel de Física de 1920 en reconocimiento a su trabajo metalúrgico.
El escape tiene dos propósitos. Primero, permite que el tren avance fraccionalmente y registre las oscilaciones de la balanza. Al mismo tiempo, proporciona cantidades mínimas de energía para contrarrestar las pequeñas pérdidas por fricción, manteniendo así el impulso del equilibrio oscilante. El escape es la parte que hace tictac. Dado que la resonancia natural de una balanza oscilante sirve como el corazón de un cronómetro, los escapes del cronómetro están diseñados para interferir con la balanza lo menos posible. Hay muchos diseños de escape de fuerza constante y separados, pero los más comunes son el retén de resorte y el retén giratorio. En ambos, un pequeño retén bloquea la rueda de escape y permite que la balanza oscile completamente sin interferencias, excepto por un breve momento en el centro de oscilación, cuando es menos susceptible a las influencias externas. En el centro de oscilación, un rodillo en la vara de equilibrio desplaza momentáneamente el retén, permitiendo que pase un diente de la rueda de escape. A continuación, el diente de la rueda de escape imparte su energía a un segundo rodillo de la vara de equilibrio. Dado que la rueda de escape gira en una sola dirección, la balanza recibe impulso en una sola dirección. En la oscilación de retorno, un resorte de paso en la punta del retén permite que el rodillo de desbloqueo del personal se mueva sin desplazar el retén. El eslabón más débil de cualquier cronometrador mecánico es la lubricación del escape. Cuando el aceite se espesa con el paso del tiempo o la temperatura o se disipa a través de la humedad o la evaporación, la velocidad cambiará, a veces drásticamente a medida que el movimiento de equilibrio disminuye debido a una mayor fricción en el escape. Un escape de retención tiene una gran ventaja sobre otros escapes, ya que no necesita lubricación. Un impulso de la rueda de escape al rodillo de impulso es casi inactivo, lo que significa que hay poca acción de deslizamiento que necesita lubricación. Las ruedas de escape del cronómetro y los resortes de paso suelen ser de oro debido a la menor fricción de deslizamiento del metal sobre el latón y el acero.
Los cronómetros a menudo incluían otras innovaciones para aumentar su eficiencia y precisión. Las piedras duras como el rubí y el zafiro se usaban a menudo como cojinetes de joyas para disminuir la fricción y el desgaste de los pivotes y el escape. El diamante se usaba a menudo como piedra de remate para el pivote del personal de equilibrio inferior para evitar el desgaste de años de equilibrio pesado girando en el extremo del pivote pequeño. Hasta el final de la producción de cronómetros mecánicos en el tercer cuarto del siglo XX, los fabricantes continuaron experimentando con cosas como rodamientos de bolas y pivotes cromados.
Los cronómetros marinos siempre contienen una potencia de mantenimiento que mantiene el cronómetro en marcha mientras se le da cuerda, y una reserva de marcha para indicar cuánto tiempo seguirá funcionando el cronómetro sin que se le dé cuerda. Los cronómetros marinos son los relojes mecánicos portátiles más precisos jamás fabricados, alcanzando una precisión de alrededor de 0,1 segundos por día o menos de un minuto por año. Esto es lo suficientemente preciso como para localizar la posición de un barco dentro de 1 a 2 millas (2 a 3 km) después de un viaje por mar de un mes.
Calificación del cronómetro
En términos estrictamente relojeros, "calificar" un cronómetro significa que antes de que el instrumento entre en servicio, la tasa promedio de ganancia o pérdida por día se observa y se registra en un certificado de calificación que acompaña al instrumento. Esta tasa diaria se utiliza en el campo para corregir el tiempo indicado por el instrumento para obtener una lectura de tiempo precisa. Incluso el cronómetro mejor hecho con la mejor compensación de temperatura, etc. exhibe dos tipos de error, (1) aleatorio y (2) consistente. La calidad del diseño y la fabricación del instrumento mantiene pequeños los errores aleatorios. En principio, los errores consistentes deberían poder eliminarse mediante ajuste, pero en la práctica no es posible realizar el ajuste con tanta precisión que este error se elimine por completo, por lo que se utiliza la técnica de calificación. La tasa también cambiará mientras el instrumento esté en servicio debido, por ejemplo, al espesamiento del aceite, por lo que en expediciones largas, la tasa del instrumento se verificará periódicamente con el tiempo exacto determinado por observaciones astronómicas.
Hoy dia
Los barcos y las embarcaciones suelen utilizar ayudas electrónicas a la navegación, principalmente los sistemas globales de navegación por satélite . Sin embargo, la navegación celeste , que requiere el uso de un cronómetro preciso, sigue siendo un requisito para ciertas certificaciones de navegantes internacionales , como oficial a cargo de la guardia de navegación y oficiales de cubierta de capitán y primer oficial, y complementa a los capitanes de yates en alta mar en yates de crucero privados de larga distancia. . Los cronómetros marinos modernos pueden basarse en relojes de cuarzo que se corrigen periódicamente mediante señales de GPS o señales de tiempo de radio (ver radio reloj ). Estos cronómetros de cuarzo no siempre son los relojes de cuarzo más precisos cuando no se recibe ninguna señal, y sus señales se pueden perder o bloquear. Sin embargo, hay movimientos de cuarzo, incluso en relojes de pulsera como el Omega Marine Chronometer , que tienen una precisión de 5 o 20 segundos por año. Al menos un cronómetro de cuarzo hecho para navegación avanzada utiliza múltiples cristales de cuarzo que son corregidos por una computadora usando un valor promedio, además de las correcciones de la señal de tiempo del GPS.
Ver también
- Ulysse Nardin (reloj)
- Navegación celestial
- Sextante
- Relojero
- Thomas Earnshaw , inventor del escape cronómetro estándar
- Larcum Kendall
- Arma del mediodía
- Bola de tiempo
- Señal de tiempo
- Cronómetro de ferrocarril
- Rupert Gould , autor de una importante historia del cronómetro marino
- Reloj radiocontrolado
- Relojero
- Cronología de la invención
- Longitud (libro)
Referencias
enlaces externos
- Museo Marítimo Nacional, Greenwich
- Henri MOTEL n ° 258 Chronomètre de Marine 40 heures (en francés)
- Marine Chronometer Kaliber 100 - Presentación de cronómetros marinos de "Glashütter Uhrenbetriebe VEB" con imagen y explicación (en alemán)
- Un cronómetro en funcionamiento, Museo Nacional de Australia . Cortometraje en MPEG que muestra un cronómetro Barraud de 1825 en acción. (el enlace está desactualizado)