La historia temprana del problema de la longitud se discute en nuestro artículo Longitud y la Academia Real. El presente artículo discute el ataque al problema de la longitud en Inglaterra que comenzó a mediados del siglo XVII.Grupos de científicos comenzaron a reunirse en Londres y Oxford a partir de 1645 y, sin duda, el problema de la longitud fue uno de los principales problemas que discutieron. Un poema escrito en 1661 describe el trabajo en curso en el Gresham College (ver ):-

El Colledge lo medirá todo el mundo, lo cual es la conclusión más imposible, Y los navegantes hacen un placer al descubrir la longitud.Cada Tarpalling deberá enviar fácilmente cualquier barco a los Antípodos.

En 1662 el grupo del Gresham College, que incluía a John Wilkins, John Wallis y Robert Hooke, y otros grupos de científicos, se convirtió en la Royal Society de Londres para la Promoción del Conocimiento Natural. La Royal Society recibió su carta por Carlos II y otro miembro del Gresham College group, Christopher Wren, escribió el preámbulo de la carta de la Royal Society. Uno de los objetivos declarados de la recién fundada Royal Society era encontrar la longitud.Jonas Moore, un profesor de matemáticas y agrimensor que estaba muy a favor de Carlos II, se convirtió en mecenas de John Flamsteed en 1670 después de conocer a Flamsteed durante una visita que Flamsteed hizo a la Royal Society de Londres. Jonas Moore fue capaz de proporcionar a Flamsteed instrumentos para llevar a cabo observaciones astronómicas. Tres años más tarde, Moore, junto con el famoso escritor de diarios Samuel Pepys, fundó la Royal Mathematical School dentro del Hospital de Cristo. Esta Escuela se creó con el objetivo específico de capacitar a los niños en técnicas de navegación para que pudieran servir al Rey en el mar.Se hicieron propuestas para resolver el problema de la longitud y en 1673 uno basado en la declinación magnética fue propuesto por un tal Henry Bond, véase . Carlos II creó un comité para examinar la propuesta, el comité incluyó entre sus miembros a Brouncker, el Presidente de la Royal Society, John Pell y Robert Hooke.Hooke había estado interesado durante mucho tiempo en los relojes y si podrían usarse para resolver el problema de la longitud. Después de investigar las dificultades, concluyó que conseguir un reloj para mantener la hora en el mar lo suficientemente precisa como para resolver el problema de longitud era prácticamente imposible:-

Las dificultades se proponían por la alteración de los climas, aires, calores y fríos, temperatura de los resortes, la naturaleza de las vibraciones, el desgaste de los materiales, el movimiento del barco …

Sin embargo, Hooke había dado conferencias en 1664 sobre 20 formas diferentes de usar un resorte para hacer el equilibrio de un reloj más uniforme y dijo que tenía algunos trucos bajo la manga que podrían permitirle producir un reloj suficientemente preciso. Hooke, por lo tanto, como casi todos los científicos de la época, era un juez sesgado de las soluciones de longitud, ya que esperaba resolver el problema por sí mismo.Jonas Moore, aunque deseoso de ver una solución al problema de la longitud, parece haber visto su papel como lo que hace posible que otros lo resuelvan en lugar de él mismo. Persuadió a Carlos II de conceder una orden para que Cambridge pudiera otorgar un máster a Flamsteed en 1674. Ese mismo año, la Royal Society comenzó a planear la creación de un observatorio que Moore ofreció financiar, pero otra propuesta vino de un francés Le Sieur de St Pierre que afirma haber resuelto el problema de longitud utilizando datos astronómicos. Carlos II creó una Comisión Real para examinar estas nuevas propuestas de San Pedro, compuesta por Brouncker, Pell, Hooke junto con Wren y otros tres.En febrero de 1675, Flamsteed llegó a Londres para quedarse con Moore y Moore arregló que Flamsteed fuera nombrado asistente de la Comisión Real que se acababa de establecer para examinar las propuestas de longitud de St Pierre. Flamsteed rápidamente hizo observaciones que indicaban que el método de San Pedro de predecir la posición de la luna, el método de distancia lunar para resolver el problema de la longitud, era de poca utilidad. Por supuesto, si se podía predecir la posición exacta de la luna, entonces el problema de la longitud se resolvió y los ingleses comenzaron a tratar esto como su principal ataque al problema de la longitud en contraste con los franceses que trabajaron en gran medida en el método de las lunas de Júpiter.Moore también hizo arreglos para que Flamsteed visitara al Rey y le contara sobre el trabajo de Jean Picard en el Observatorio de París y el ataque francés al problema de la longitud. Flamsteed, jugando la carta del «orgullo nacional», le hizo hincapié al Rey en que los franceses tenían un Observatorio Real para este trabajo y el Rey se movió rápidamente para que Inglaterra pudiera igualar a Francia. El 4 de marzo de 1675 nombró a Flamsteed su observador astronómico por Orden Real. De su salario de £100, tuvo que pagar £10 impuestos y también proporcionar todos sus propios instrumentos para que pudiera: –

… aplícate con el cuidado y la diligencia más exactos para rectificar las tablas de los movimientos de los cielos y los lugares de las estrellas fijas, a fin de encontrar la longitud tan deseada de los lugares para perfeccionar el arte de la navegación.

Flamsteed fue informado de su nombramiento por Moore, pero estaba lejos de entusiasmarse con el salario propuesto, especialmente cuando se enteró de que tenía que dar lecciones a dos niños en la Escuela Real de Matemáticas en el Hospital de Cristo como parte de sus deberes. A los dos días de la designación de Flamsteed, Greenwich había sido aceptado como sitio para el nuevo observatorio, el sitio fue elegido por Wren. El edificio del Observatorio Real de Greenwich comenzó en 1675 diseñado por Wren y dirigido por Hooke. Flamsteed y Halley asesoraron sobre los requisitos para los instrumentos y la observación comenzó en 1676.Uno de los primeros proyectos de Flamsteed en el Observatorio Real fue intentar probar que la Tierra giraba sobre su eje a una velocidad constante. Esto había sido asumido por Copérnico cuando presentó por primera vez su teoría del sistema solar, pero nunca se había demostrado. También fue un ingrediente vital en todos los métodos propuestos para determinar la longitud, lo que supuso que la Tierra rota una cantidad fija en cada minuto.Moore compró dos relojes para Flamsteed con péndulos de 4 m de largo que colgaban sobre las esferas de los relojes. El Sol no se puede utilizar como un cronometrador ya que el hecho de que la órbita de la Tierra no es circular significa que la hora del reloj de sol estaría por delante de la hora exacta del reloj durante parte del año y detrás de ella en otros momentos. Esta variación entre la hora del reloj y la hora del reloj de sol se conoce como la Ecuación del Tiempo o la Ecuación de los Días Naturales y había sido conocida por los griegos y árabes muchos siglos antes (aunque, por supuesto, la razón de la variación no se entendía entonces).Puedes ver una foto del observatorio en ESTE ENLACE. Hay dos diales a la izquierda con las bobinas del péndulo visibles sobre los diales.Flamsteed usó la estrella Sirio como un cronometrador que corrigía el tiempo sideral obtenido de tránsitos sucesivos de la estrella hacia el tiempo solar, la diferencia, por supuesto, se debe a la rotación de la Tierra alrededor del Sol. Flamsteed escribió en una carta en 1677: –

… nuestros relojes guardaban tan buena correspondencia con los Cielos que no lo dudo, pero probarían que las revoluciones de la Tierra eran isocrónicas…

Se requiere un año para completar el experimento, pero esto sólo sería posible si la artillería que pagó su salario:-

… no me mates de hambre, porque mi mesada, sabes, es pequeña y ahora me deben las tres cuartas partes. Me temo que debo ir al campo a buscar una vicaría pobre, y luego despedirme de un experimento.

Sin embargo, Flamsteed no murió de hambre y para marzo de 1678 había demostrado la rotación isócrona de la Tierra. Así se resolvió una parte del problema de la longitud, aunque nadie dudaba realmente de que la Tierra girara a una velocidad constante. (Por supuesto, ahora sabemos que con mediciones más precisas podemos detectar que la velocidad de rotación de la Tierra cambia y se agregan segundos intercalares en varias ocasiones para corregir esto.El Observatorio Real de Greenwich tuvo que proporcionar grandes cantidades de datos y Flamsteed pasó 15 años de 1689 a 1704 compilando tablas de la luna para el método de distancia lunar para encontrar la longitud. Newton también necesitaba datos sobre la luna para poder perfeccionar su comprensión de la órbita en términos de su nueva teoría de la gravitación.Entre 1690 y 1707 hubo una serie de incidentes en los que los buques de la marina inglesa se perdieron en el mar porque habían perdido sus posiciones. En el incidente más grave de 1707, más de 2000 hombres se perdieron cuando cuatro barcos encallaron en las Islas Scilly mientras regresaban a Inglaterra. Cada vez había más presión para encontrar una solución al problema de la longitud, ya que el fracaso continuo para resolverlo le costaba a Inglaterra grandes sumas de dinero. Todo el mundo creía que los matemáticos y los astrónomos proporcionarían la solución, pero no lo será. Sin embargo, tanto las ingeniosas propuestas serias como las cómicas continuaron presentándose.
Una propuesta cómica, basada en el entendimiento correcto de que un conocimiento del tiempo universal permitiría calcular la longitud, se describe en: –

implicó el uso de … el ‘polvo de simpatía’. … la pólvora de simpatía se aplicó, no a la herida, sino al arma que la infligió. … antes de navegar, cada barco debe estar equipado con un perro herido. Un observador confiable en tierra, equipado con un reloj estándar y un vendaje de la herida del perro lo haría … cada hora, en punto, sumergir el vendaje en una solución de polvo de simpatía y el perro a bordo gritaría la hora.

Una propuesta más seria vino de William Whiston y Humphrey Ditton en 1714. Propusieron, ver: –

… a intervalos regulares, se anclarán varios buques ligeros en las principales rutas marítimas… Las naves de luz dispararían a intervalos regulares un proyectil estelar programado para explotar a 6440 pies. Los capitanes de mar podían calcular fácilmente su distancia desde la nave luz más cercana simplemente cronometrando el intervalo entre el destello y el informe.

El Parlamento creó un Comité cuyos miembros incluían a Newton y Halley para examinar las propuestas de Whiston-Ditton e informar en general sobre el problema de la longitud. Newton informó al Comité de que la mayoría de las propuestas de longitud eran correctas en teoría, pero fracasaron en la práctica. Newton no estaba a favor del método francés de usar las lunas de Júpiter y señaló que el método Whiston – Ditton no permitía encontrar longitud en el mar si alguna vez se perdía. Newton consideró el método de reloj que finalmente tendría éxito: –

Uno es, por un reloj para mantener el tiempo exactamente: pero debido al movimiento de la nave, la variación en el calor y el frío, húmedo y seco, y la diferencia en la gravedad en diferentes latitudes, tal reloj aún no se había hecho.

El Parlamento pensó que había llegado el momento de hacer un movimiento radical y, el 16 de junio de 1714, aprobaron una ley:-

… por proporcionar una recompensa pública a la persona o personas que descubran la longitud… a una suma de diez mil libras, si determina dicha longitud a un grado de un gran círculo, o sesenta millas geográficas, a quince mil libras, si determina lo mismo a dos tercios de la distancia, y a veinte mil libras, si determina lo mismo a la mitad de la misma distancia…

Para entender el valor de este premio, uno solo tiene que recordar el salario anual de poor Flamsteed de £100 para ganarse la vida y comprar sus instrumentos. Se nombraron comisionados, conocidos como la Junta de Longitud, para que juzgaran si las propuestas cumplían las condiciones y otorgaran anticipos en efectivo para las propuestas prometedoras. Los Comisionados se incluyen los miembros del Almirantazgo, el Astrónomo Real, el Savilian, Lucasiano, y Plumian profesores de matemáticas en Oxford y Cambridge y diez miembros del Parlamento.Por supuesto, hubo una avalancha de propuestas esperanzadoras presentadas, una de Wren entre ellas. La Comisión contrató a un secretario para que se ocupara del gran número de sugerencias imposibles y se reunió tres veces al año para examinar aquellas que, a juicio del secretario, merecían que la Comisión estudiara más a fondo. Se hicieron muchos premios pequeños, pero no se presentó ninguna propuesta de mérito real.Antes de describir la contribución de John Harrison al problema de la longitud, y su resolución final del problema, hay otro ingrediente importante que debe mencionarse. John Hadley, que fue vicepresidente de la Royal Society, describió en una comunicación a la Sociedad en mayo de 1731, dos nuevos instrumentos que se basaban en el principio de la doble reflexión. Estos instrumentos permitidos, ver: –

… ambos cuerpos (para distancias lunares) o el cuerpo y el horizonte (para altitudes) para ser vistos por el observador simultáneamente, haciendo que las observaciones en una nave en movimiento sean practicables.

De hecho, Thomas Godfrey en Pensilvania había hecho el mismo invento casi exactamente al mismo tiempo que Hadley, y más tarde se descubrió en los documentos de Halley que Newton tenía una idea similar en 1700, pero Halley le había dicho que no era práctica.John Harrison construyó su primer reloj en 1715, un año después de que se aprobara la Ley de Longitud. En 1727 había hecho un reloj muy fino con un péndulo de cuadrícula que consistía en nueve varillas de acero y latón alternadas para eliminar los efectos de los cambios de temperatura. En 1730, Harrison visitó Londres, llevándose consigo su péndulo de rejilla y el escape de saltamontes que había desarrollado, y allí aprendió exactamente lo que se necesitaba para ganar el premio de longitud. Habló con Halley, el Astrónomo Real, quien le aconsejó que no buscara financiación de la Junta de Longitud, sino que primero buscara dinero de otras fuentes.Este Harrison lo hizo y se le dio dinero para que pudiera hacer su primer reloj, especialmente diseñado para mantener la hora exacta en el mar. Halley le aconsejó que se acercara al Tablero después de que se construyera su reloj. Harrison completó el reloj, ahora llamado H1, en 1735. Era un reloj grande de unos 35 kg de peso, que no parecía bonito, pero con muchas características ingeniosas. Lo llevó a Londres, donde fue examinado por cinco miembros de la Royal Society, incluido Halley, y estaban entusiasmados con el reloj y le dieron a Harrison un certificado que básicamente significaba que la Junta de Longitud no tenía más opción que ordenar una prueba de mar.
Una foto de H1 está en ESTE ENLACE.Harrison acompañó al H1 a bordo del Hm S Centurian a Lisboa y regresó en el Hm S Oxford. Fue una extraña elección de ruta, ya que era en gran parte norte/sur, pero el H1 se comportó bien y Harrison pudo decirle al capitán en el viaje de regreso que el barco estaba 150 km más al oeste de lo que el capitán creía.Sin embargo, Harrison no estaba contento con H1 y se acercó a la Junta de Longitud en 1737. Las actas del registro de la Junta Directiva: –

El Sr. John Harrison produjo una nueva máquina inventada, en forma de mecanismo de relojería, por la que se propone mantener el tiempo en el mar con más exactitud que cualquier otro instrumento de método conocido hasta ahora… y se propone hacer otra máquina de dimensiones más pequeñas dentro de dos años, con lo que se esforzará por corregir algunos defectos que ha encontrado en la preparada…

H2 fue construido con £250 de la Tabla de Longitud (con la promesa de otras £250 cuando fue entregado para pruebas), pero a pesar de la intención, resultó ser más pesado que H1. Sin embargo, tenía una serie de características innovadoras adicionales. Harrison completó el H2 en 1739, como había prometido, pero pasó dos años probándolo él mismo. Las pruebas de mar fueron difíciles ya que Inglaterra estaba en guerra con Francia: la Guerra de los Siete Años ciertamente interrumpió el avance científico.Harrison decidió construir un tercer reloj, H3, y escribió a la Junta de Longitud en 1741. Se le otorgaron otras £500. Claramente, la Royal Society quedó impresionada con el trabajo de Harrison, ya que le otorgaron su Medalla Copley en 1749, un evento notable teniendo en cuenta el hecho de que Harrison no tenía antecedentes académicos ni formación. La Royal Society proclamó a Harrison como: –

… el autor del descubrimiento científico más importante o contribución a la ciencia por experimento o de otra manera…

El trabajo en H3 no fue tan bien como Harrison había esperado y recibió una serie de avances adicionales de la Junta de Longitud antes de que finalmente decidiera en 1757 no probar H3, sino construir un reloj mucho más pequeño.H4 se inició en 1757 y se completó en dos años.
Una foto de H4 está en ESTE ENLACE.Tenía unos 12 cm de diámetro y el propio Harrison tenía toda la razón cuando dijo:-

Creo que puedo atreverme a decir que hay cualquier otra cosa mecánica o matemática en el mundo que sea más hermosa o curiosa en textura que este mi reloj o cronometrador para la longitud …

En 1761 Harrison solicitó una prueba en el mar para H4. Desde 1741 había recibido £3000 de la Junta de Longitud para ayudarlo a completar su trabajo y ahora le dieron otras £500 para completar el ajuste de H4.Aunque hasta este momento Harrison había sido tratado bastante bien por la Junta de Longitud, ahora le resultaba casi imposible convencerlos de que H4 cumplía con las condiciones para la concesión del premio de £20000. Se organizó un juicio y se puso a H4 en el Deptford con el hijo de John Harrison, William Harrison, cuidando de él. Las condiciones del premio se cumplieron por completo cuando el Deptford llegó a Jamaica, H4 solo perdió 5 segundos en todo el viaje. En el regreso, que no era parte de la prueba, H4 con William Harrison estaban en la balandra Merlin. El clima era extremadamente malo y el Merlín fue golpeado durante todo el viaje, sin embargo, H4 siguió funcionando dentro de las condiciones establecidas para el premio de £20000.La Royal Society y la Junta de Longitud no estaban dispuestos a darle a Harrison las £20000 que merecía por cumplir con las condiciones. Había varias razones para ello. En primer lugar, las condiciones se habían establecido cuando había pocas perspectivas de que se cumplieran, por lo que no se habían pensado cuidadosamente. Ahora se argumentaba que podría haber sido casualidad lo que significaba que H4 cumplía con las condiciones. Quizás lo más significativo era que todavía había muchos miembros de la Royal Society que aún esperaban ganar el premio ellos mismos.James Bradley, que había sucedido a Halley como astrónomo Real en 1742, y Tobias Mayer estaban convencidos de que el método de la distancia lunar llevaría a la solución del problema de la longitud. Mayer había enviado sus tablas lunares al Tablero de Longitud en 1756, pero la Guerra de los Siete Años con Francia había impedido las pruebas adecuadas. En 1761, Maskelyne, otra gran creyente en el método de la distancia lunar, fue enviada a Santa Elena en Prince Henry para probar el método de la distancia lunar para el Tablero de Longitud y, en particular, para probar las tablas de Mayer. En Howse describe el trabajo de Maskelyne sobre el método de la distancia lunar en este viaje: –

Sintió que había demostrado la utilidad de las tablas de Mayer y del método en general en el viaje de ida. De regreso a casa, por lo tanto, él mismo tomó pocas observaciones… Lo que hizo, sin embargo, fue animar a los oficiales de la nave a tomar tales observaciones y mostrarles cómo hacer los cálculos laboriosos…

Maskelyne afirmó: –

La longitud siempre se puede encontrar dentro de un grado, o muy poco más, que responde a unas 40 millas geográficas en la latitud del Canal de la Mancha.

Bradley afirmó que él y Tobias Mayer habrían compartido el premio de longitud de £10000 de no ser por el maldito reloj de Harrison. No era solo Harrison quien se sentía mal hecho.James Bradley y Mayer murieron en 1762, pero la viuda de Mayer más tarde recibió £3000 de la Junta de Longitud. Le quedaba a Harrison continuar su batalla, pero comenzó a temer que el informe de Mayer sobre su éxito con las mesas de Mayer pudiera ser visto como digno del premio, ya que su propio éxito había sido ignorado. Se organizó una segunda prueba para el H4 y el Hm S Tartar zarpó de Portsmouth el 28 de marzo de 1764 con William Harrison y el H4 a bordo. A su llegada a Barbados, William Harrison descubrió que Maskelyne había sido enviada por adelantado para juzgar el éxito del juicio.William Harrison se quejó de que Maskelyne no era un juez imparcial y que Maskelyne tuvo la gracia de pedir que alguien más hiciera las observaciones necesarias porque estaba enfermo. H4 perdió solo 54 segundos en los 5 meses de viaje y después de la corrección de errores, que Harrison había establecido antes del viaje, el error se redujo a 15 segundos.El argumento científico para que H4 ganara el premio de £20000 era indiscutible. Una copia de H4 hecha por Kendall, llamada K1, también se encontró que estaba bien dentro de las condiciones del premio y John Harrison, a la edad de 78 años, hizo otro reloj H5 en sus intentos de satisfacer otras condiciones establecidas por la Junta de Longitud. Sin embargo, se necesitó una petición de John Harrison al rey Jorge III antes de que recibiera su premio por resolver el problema de la longitud.
Una foto de K1 está en ESTE ENLACE.
En el desarrollo del cronómetro marino después de Harrison se describe: –

Se dejó a colegas más jóvenes diseñar cronómetros … lo suficientemente barato como para estar al alcance de los navegantes ordinarios. … La Compañía Británica de las Indias Orientales empezó a insistir en que todos sus barcos llevaran cronómetros. La Royal Navy era algo más lenta en el siguiente ejemplo: era 1840 o más tarde antes de que los barcos llevaran cronómetros en aguas domésticas… las pruebas anuales de cronómetros tuvieron lugar en Greenwich a partir de 1821, con premios para los mejores cronómetros presentados.