La storia antica del problema longitudine è discusso nel nostro articolo Longitudine e l’Académie Royale. Il presente articolo discute l’attacco al problema della longitudine in Inghilterra che ha avuto inizio intorno alla metà del 17 ° secolo.
Gruppi di scienziati ha iniziato incontro a Londra e Oxford dal 1645 e certamente la longitudine problema è stato uno dei principali problemi che hanno discusso. Un poema scritto nel 1661 descriveva il lavoro in corso al Gresham College (vedi ):-

Il Colledge misurerà il mondo intero,
Che la maggior parte impossibile concludere,
E i navigatori fanno un piacere
Scoprendo la longitudine.
Ogni Tarpalling deve quindi con facilità
Dire qualsiasi nave a th’Antipodes.

Nel 1662 il gruppo del Gresham College, che comprendeva John Wilkins, John Wallis e Robert Hooke, e altri gruppi di scienziati, divenne la Royal Society di Londra per la promozione della Conoscenza Naturale. La Royal Society è stato concesso la sua carta da Carlo II e un altro membro del gruppo Gresham College, Christopher Wren, ha scritto il preambolo alla carta della Royal Society. Uno degli obiettivi dichiarati della neonata Royal Society era trovare la longitudine.
Jonas Moore, un insegnante di matematica e geometra che è stato molto a favore di Carlo II, è diventato un patrono di John Flamsteed nel 1670 dopo aver incontrato Flamsteed durante una visita Flamsteed fatta alla Royal Society di Londra. Jonas Moore è stato in grado di fornire a Flamsteed strumenti per effettuare osservazioni astronomiche. Tre anni dopo Moore, insieme al famoso scrittore di diario Samuel Pepys, fondò la Royal Mathematical School all’interno dell’Ospedale di Cristo. Questa Scuola è stata creata con lo scopo specifico di addestrare i ragazzi nelle tecniche di navigazione in modo che potessero servire il re in mare.
Proposte sono state fatte per risolvere il problema della longitudine e nel 1673 uno basato sulla declinazione magnetica è stato proposto da un certo Henry Bond, vedi . Carlo II istituì un comitato per esaminare la proposta, il comitato includeva tra i suoi membri Brouncker, il presidente della Royal Society, John Pell e Robert Hooke.
Hooke era stato a lungo interessato agli orologi e se potessero essere utilizzati per risolvere il problema della longitudine. Dopo aver esaminato le difficoltà ha concluso che ottenere un orologio per mantenere un’ora sufficientemente precisa in mare per risolvere il problema della longitudine era praticamente impossibile: –

Le difficoltà sono state proposte dall’alterazione di climi, arie, riscaldamenti e raffreddori, temperatura delle molle, natura delle vibrazioni, usura dei materiali, movimento della nave …

Tuttavia Hooke aveva tenuto conferenze nel 1664 su 20 diversi modi di usare una molla per rendere più uniforme il bilanciamento di un orologio e disse che aveva alcuni trucchi nella manica che potevano permettergli di produrre un orologio sufficientemente preciso. Hooke, quindi, come quasi tutti gli scienziati di quel tempo era un giudice di parte delle soluzioni longitudine dal momento che sperava di risolvere il problema se stesso.
Jonas Moore, anche se desideroso di vedere una soluzione del problema longitudine, sembra aver visto il suo ruolo di rendere possibile per gli altri a risolvere piuttosto che se stesso. Persuase Carlo II a concedere un mandato in modo che Cambridge potesse assegnare un M. A. a Flamsteed nel 1674. Nello stesso anno la Royal Society ha iniziato a pianificare la creazione di un osservatorio che Moore ha offerto di finanziare, ma un’altra proposta è venuto da un francese Le Sieur de St Pierre sostenendo di aver risolto il problema longitudine utilizzando dati astronomici. Carlo II istituì una Commissione reale per esaminare queste nuove proposte da St Pierre composta da Brouncker, Pell, Hooke insieme a Wren e altri tre.
Nel febbraio 1675 Flamsteed è arrivato a Londra per stare con Moore e Moore ha organizzato che Flamsteed essere nominato assistente della Commissione Reale appena istituito per esaminare St Pierre longitudine proposte. Flamsteed fece rapidamente osservazioni che indicavano che il metodo di St Pierre per predire la posizione della luna, il metodo della distanza lunare per risolvere il problema della longitudine, era di scarsa utilità. Naturalmente, se la posizione esatta della luna poteva essere prevista, allora il problema della longitudine fu risolto e gli inglesi iniziarono a trattare questo come il loro attacco principale al problema della longitudine in contrasto con i francesi che lavoravano in gran parte sulle lune del metodo di Giove.
Moore ha anche organizzato per Flamsteed a visitare il re e dirgli di Jean Picard di lavoro in l’Osservatorio di Parigi e l’attacco francese sulla longitudine problema. Flamsteed, giocando la carta “orgoglio nazionale”, sottolineò al re come i francesi avessero un Osservatorio reale per questo lavoro e il re si mosse rapidamente in modo che l’Inghilterra potesse eguagliare la Francia. Il 4 marzo 1675 nominò Flamsteed suo osservatore astronomico con mandato reale. Dal suo stipendio di £100 ha dovuto pagare £10 tasse e anche fornire tutti i propri strumenti in modo che potesse:-

… applicarsi con la massima cura e diligenza a rettificare le tavole dei moti dei cieli e i luoghi delle stelle fisse, in modo da trovare la tanto desiderata longitudine dei luoghi per perfezionare l’arte della navigazione.

Flamsteed è stato informato della sua nomina da Moore, ma è stato tutt’altro che eccitato dal salario proposto, in particolare quando ha imparato che ha dovuto dare lezioni a due ragazzi presso la Royal Mathematical School a Christ’s Hospital come parte dei suoi doveri. Entro due giorni dalla nomina di Flamsteed, Greenwich era stata accettata come sito per il nuovo osservatorio, il sito scelto da Wren. La costruzione dell’Osservatorio Reale di Greenwich iniziò nel 1675 progettato da Wren e diretto da Hooke. Flamsteed e Halley consigliarono i requisiti per gli strumenti e l’osservazione iniziò nel 1676.
Uno dei primi progetti di Flamsteed al Royal Observatory fu quello di provare che la Terra ruotava sul suo asse ad una velocità costante. Questo era stato assunto da Copernico quando ha presentato la sua teoria del sistema solare, ma non era mai stato dimostrato. Era anche un ingrediente vitale in tutti i metodi proposti per determinare la longitudine che ha fatto supporre che la Terra ruota una quantità fissa in ogni minuto.
Moore ha acquistato due orologi per Flamsteed con pendoli lunghi 4 m che sono stati appesi sopra i quadranti degli orologi. Il Sole non poteva essere usato come cronometrista poiché il fatto che l’orbita della Terra non è circolare significa che l’ora della meridiana sarebbe in anticipo sull’ora esatta dell’orologio per una parte dell’anno e dietro di essa in altri momenti. Questa variazione tra il tempo dell’orologio e il tempo della meridiana è nota come Equazione del tempo o Equazione dei giorni naturali ed era nota ai greci e agli arabi molti secoli prima (anche se ovviamente la ragione della variazione non era stata compresa).
Potete vedere una foto dell’osservatorio a QUESTO LINK. Ci sono i due quadranti a sinistra con il pendolo bob visibile sopra i quadranti.
Flamsteed ha usato la stella Sirius come cronometrista correggendo il tempo siderale ottenuto dai successivi transiti della stella nel tempo solare, la differenza ovviamente è dovuta alla rotazione della Terra attorno al Sole. Flamsteed scrisse in una lettera nel 1677:-

… i nostri orologi mantenevano una corrispondenza così buona con i Cieli che non ne dubito, ma dimostrerebbero che le rivoluzioni della Terra erano isocroniche…

Ha richiesto un anno per completare l’esperimento, ma questo sarebbe stato possibile solo se l’Ordnance che ha pagato il suo stipendio:-

… non affamarmi, perché la mia indennità lo sai è piccola e ora sono tre quarti del mio debito. Temo di dover scendere in campagna per cercare qualche povero vicariato, e poi addio a un esperimento.

Tuttavia Flamsteed non morì di fame e nel marzo 1678 aveva dimostrato la rotazione isocronica della Terra. Una parte del problema della longitudine è stata quindi risolta, anche se nessuno dubitava davvero che la Terra ruotasse a una velocità costante. (Naturalmente ora sappiamo che con misurazioni più accurate possiamo rilevare che la velocità di rotazione della Terra cambia e i secondi bisestili vengono aggiunti in varie occasioni per correggere questo.)
Il Greenwich Royal Observatory ha dovuto fornire grandi quantità di dati e Flamsteed ha trascorso 15 anni dal 1689 al 1704 la compilazione di tabelle della luna per il metodo di distanza lunare di trovare la longitudine. Newton ha anche richiesto dati sulla luna in modo che potesse perfezionare la sua comprensione dell’orbita in termini della sua nuova teoria della gravitazione.
Tra il 1690 e il 1707 ci furono una serie di incidenti in cui le navi navali inglesi furono perse in mare perché avevano perso le loro posizioni. Nel più grave incidente nel 1707 oltre 2000 uomini furono persi quando quattro navi si incagliarono sulle isole Scilly mentre tornavano in Inghilterra. Sempre più pressione stava montando per una soluzione al problema longitudine come il continuo fallimento di risolverlo stava costando Inghilterra ingenti somme di denaro. Tutti credevano che matematici e astronomi avrebbero fornito la soluzione, ma non è quello di essere. Tuttavia, sia le proposte ingegnose e serie che quelle comiche continuarono a farsi avanti.
Una proposta comica, basata sulla corretta comprensione che una conoscenza del tempo universale permetterebbe di calcolare la longitudine, è descritta in :-

implicava l’uso di … la ‘polvere di simpatia’. … la polvere di simpatia è stata applicata, non alla ferita ma all’arma che l’ha inflitta. … prima di navigare ogni nave dovrebbe essere fornita con un cane ferito. Un osservatore affidabile a terra, dotato di un orologio standard e una benda dalla ferita del cane sarebbe … ogni ora, sul punto, immergere la benda in una soluzione della polvere di simpatia e il cane a bordo avrebbe guaito l’ora.

Una proposta più seria venne da William Whiston e Humphrey Ditton nel 1714. Hanno proposto, vedi: –

… un certo numero di navi leggere essere ancorati nelle principali rotte di navigazione a intervalli regolari… Le navi faro avrebbero sparato a intervalli regolari un guscio stellare temporizzato per esplodere a 6440 piedi. I capitani di mare potevano facilmente calcolare la loro distanza dalla nave luce più vicina semplicemente cronometrando l’intervallo tra il flash e il rapporto.

Il Parlamento ha istituito una Commissione i cui membri includevano Newton e Halley per esaminare le proposte Whiston – Ditton e riferire in generale sul problema della longitudine. Newton riferì al Comitato che la maggior parte delle proposte di longitudine erano corrette in teoria, ma caddero nella pratica. Newton non favorì il metodo francese di utilizzare le lune di Giove e notò che il metodo Whiston – Ditton non permetteva di trovare la longitudine in mare se mai fosse stato perso. Newton considerò il metodo dell’orologio che alla fine avrebbe avuto successo:-

Uno è, da un orologio per mantenere esattamente il tempo: ma a causa del movimento della nave, della variazione di caldo e freddo, umido e secco, e della differenza di gravità a diverse latitudini, un tale orologio non era ancora stato fatto.

Il parlamento pensò che fosse giunto il momento di fare una mossa radicale e, il 16 giugno 1714, approvarono un Atto:-

… per fornire una ricompensa pubblica per tale persona o persone che scopriranno la longitudine… per una somma di diecimila sterline, se determina la longitudine detta a un grado di un grande cerchio, o sessanta miglia geografiche, a quindicimila sterline, se determina lo stesso a due terzi della distanza, e a ventimila sterline, se determina lo stesso a metà della stessa distanza…

Per capire il valore di questo premio basta ricordare lo stipendio annuale del povero Flamsteed di £100 per fornire sia una vita che per acquistare i suoi strumenti. I commissari sono stati nominati, noto come il Consiglio di Longitudine, per giudicare se le proposte avevano soddisfatto le condizioni e di fornire anticipi di cassa per le proposte promettenti. I Commissari includevano membri dell’Ammiragliato, l’Astronomo reale, i professori Savilian, Lucasian e Plumian di matematica a Oxford e Cambridge e dieci membri del Parlamento.
Naturalmente c’era una marea di proposte di speranza presentate, uno da Wren essere tra di loro. La Commissione ha impiegato un segretario per affrontare l’enorme numero di suggerimenti impossibili e si è riunita tre volte l’anno per considerare quelli che il segretario ha pensato che valesse la pena che la Commissione studiasse ulteriormente. Molti piccoli premi sono stati fatti, ma nessuna proposta di vero merito è venuto avanti.
Prima di descrivere il contributo di John Harrison al problema longitudine, e la sua infine risolvere il problema, c’è un altro ingrediente importante che dovrebbe essere menzionato. John Hadley, che era vice-presidente della Royal Society, descritto in una comunicazione alla Società nel maggio 1731, due nuovi strumenti che si basavano sul principio della doppia riflessione. Questi strumenti consentiti, vedi: –

… entrambi i corpi (per le distanze lunari) o il corpo e l’orizzonte (per le altitudini) devono essere visti dall’osservatore contemporaneamente, rendendo praticabili le osservazioni in una nave in movimento.

In effetti Thomas Godfrey in Pennsylvania aveva fatto la stessa invenzione quasi esattamente nello stesso momento di Hadley, e fu poi scoperto nei documenti di Halley che Newton aveva un’idea simile nel 1700, ma Halley gli aveva detto che non era pratico.
John Harrison costruì il suo primo orologio nel 1715, l’anno dopo la Longitudine Act è stata approvata. Dal 1727 aveva fatto un orologio molto fine con un pendolo ‘gridiron’ che consisteva di nove barre di acciaio e ottone alternati per eliminare gli effetti delle variazioni di temperatura. Nel 1730 Harrison visitò Londra, portando con sé il suo pendolo gridiron e lo scappamento cavalletta che aveva sviluppato, e lì imparò esattamente ciò che era necessario per vincere il premio longitudine. Parlò con Halley, l’astronomo Reale, che gli consigliò di non cercare finanziamenti dal Consiglio di Longitudine, ma piuttosto prima di cercare denaro da altre fonti.
Questo Harrison ha fatto ed è stato dato i soldi per permettergli di fare il suo primo orologio, appositamente progettato per mantenere l’ora esatta in mare. Halley gli consigliò di avvicinarsi alla Tavola dopo che il suo orologio fu costruito. Harrison completò l’orologio, ora chiamato H1, nel 1735. Era un grande orologio del peso di circa 35 kg, dall’aspetto tutt’altro che bello ma con molte caratteristiche ingegnose. Lo portò a Londra dove fu esaminato da cinque membri della Royal Society, tra cui Halley, e furono entusiasti dell’orologio e diedero a Harrison un certificato che fondamentalmente significava che il Consiglio di Longitudine aveva poca scelta se non quella di ordinare una prova in mare.
Una foto di H1 è a QUESTO LINK.
Harrison accompagnato H1 a bordo H M S Centurian a Lisbona ed è tornato su H M S Oxford. Fu una strana scelta di un percorso poiché era in gran parte nord / sud, ma H1 si comportò bene e Harrison fu in grado di dire al capitano durante il viaggio di ritorno che la nave era 150 km più a ovest che il capitano credeva.
Tuttavia Harrison non era felice con H1 e si avvicinò al Consiglio di Longitudine nel 1737. Il verbale della scheda registra:-

Il signor John Harrison ha prodotto una nuova macchina inventata, nella natura di un orologio, con cui propone di mantenere il tempo in mare con più esattezza di qualsiasi altro strumento di metodo finora conosciuto… e propone di fare un’altra macchina di dimensioni più piccole entro due anni, per cui cercherà di correggere alcuni difetti che ha trovato in quello preparato…

H2 è stato costruito con £250 dal Consiglio di Longitudine (con la promessa di un altro £250 quando è stato consegnato per il test), ma nonostante l’intenzione, si è rivelato essere più pesante di H1. Tuttavia, aveva una serie di ulteriori caratteristiche innovative. Harrison completò H2 nel 1739, come promesso, ma trascorse due anni a testarlo da solo. Le prove in mare erano difficili poiché l’Inghilterra era in guerra con la Francia: la guerra dei sette anni ha certamente sconvolto il progresso scientifico.
Harrison ha deciso di costruire un terzo orologio, H3, e ha scritto al Consiglio di Longitudine nel 1741. Gli è stato assegnato un altro £500. Chiaramente la Royal Society fu impressionata dal lavoro di Harrison dal momento che gli assegnarono la Medaglia Copley nel 1749, un evento notevole considerando il fatto che Harrison non aveva un background accademico o una formazione. La Royal Society proclamò Harrison come:-

… l’autore della più importante scoperta scientifica o contributo alla scienza per esperimento o in altro modo…

Il lavoro su H3 non andò bene come Harrison aveva sperato e ricevette una serie di ulteriori progressi dal Board of Longitude prima che alla fine decidesse nel 1757 di non testare H3 ma di costruire un orologio molto più piccolo.
H4 è stato avviato nel 1757 e completato in due anni.
Una foto di H4 è a QUESTO LINK.
Era di circa 12 cm di diametro e Harrison stesso era perfettamente corretto quando ha detto:-

Penso di poter dire in grassetto che c’è qualsiasi altra cosa meccanica o matematica al mondo che sia più bella o curiosa nella trama di questo mio orologio o cronometrista per la longitudine …

Nel 1761 Harrison chiese una prova in mare per H4. Dal 1741 aveva ricevuto £3000 dal Consiglio di Longitudine per aiutarlo a completare il suo lavoro e ora gli hanno dato un altro £500 per completare la regolazione H4.
Anche se fino a questa fase Harrison era stato trattato abbastanza bene dal Consiglio di Longitudine era ora di trovare quasi impossibile convincerli che H4 soddisfatto le condizioni per l’assegnazione del premio £20000. Un processo è stato organizzato e H4 è stato messo sul Deptford con il figlio di John Harrison, William Harrison, prendersi cura di esso. Le condizioni del premio furono completamente soddisfatte quando il Deptford raggiunse la Giamaica, H4 avendo perso solo 5 secondi durante l’intero viaggio. Al ritorno, che non faceva parte del processo, H4 con William Harrison erano sullo sloop Merlin. Il tempo era estremamente brutto e il Merlin è stato buffeted per tutto il viaggio ancora H4 ancora eseguito entro le condizioni stabilite per il premio £20000.

La Royal Society e il Consiglio di Longitudine erano disposti a dare Harrison il £20000 che meritava per soddisfare le condizioni. C’erano una serie di ragioni per questo. In primo luogo, le condizioni erano state stabilite quando c’era poca prospettiva che sarebbero state soddisfatte, quindi non erano state attentamente pensate. Ora è stato sostenuto che avrebbe potuto essere il caso che significava che H4 soddisfaceva le condizioni. Forse più significativamente c’erano ancora molti membri della Royal Society che speravano ancora di vincere il premio da soli.
James Bradley, che era succeduto ad Halley come Astronomo reale nel 1742, e Tobias Mayer erano convinti che il metodo della distanza lunare avrebbe portato alla soluzione del problema della longitudine. Mayer aveva inviato le sue tavole lunari al Consiglio di Longitudine nel 1756, ma la guerra dei sette anni con la Francia aveva impedito prove adeguate. Nel 1761 Maskelyne, un altro forte sostenitore del metodo della distanza lunare, fu inviato a Sant’Elena sul principe Enrico per testare il metodo della distanza lunare per il Consiglio di Longitudine e in particolare per testare le tabelle di Mayer. In Howse descrive il lavoro di Maskelyne sul metodo della distanza lunare in questo viaggio:-

Sentiva di aver dimostrato l’utilità delle tabelle di Mayer e del metodo in generale durante il viaggio di andata. Verso casa, quindi, egli stesso fece poche osservazioni… Ciò che fece, però, fu incoraggiare gli ufficiali della nave a fare tali osservazioni e mostrare loro come fare i laboriosi calcoli…

Maskelyne ha affermato:-

La longitudine può sempre essere trovata entro un grado, o molto poco di più, che risponde a circa 40 miglia geografiche nella latitudine del Canale della Manica.

Bradley ha affermato che lui e Tobias Mayer avrebbero condiviso il premio di longitudine £10000 ma per l’orologio maledetto di Harrison. Non era solo Harrison che si sentiva duro fatto da.
James Bradley e Mayer entrambi morti nel 1762, ma la vedova di Mayer in seguito ha ricevuto £3000 dal Consiglio di Longitudine. Rimase per Harrison di continuare la sua battaglia, ma ha cominciato a temere che il rapporto di Mayer sul suo successo con le tabelle di Mayer potrebbe essere visto come degno del premio dal momento che il suo successo era stato ignorato. Una seconda prova per H4 è stato organizzato e H M S Tartar salpò da Portsmouth il 28 marzo 1764 con William Harrison e H4 a bordo. All’arrivo a Barbados William Harrison scoprì che Maskelyne era stato mandato avanti per giudicare il successo del processo.
William Harrison si lamentava che Maskelyne non era un giudice imparziale e Maskelyne aveva la buona grazia di chiedere che le osservazioni necessarie essere fatta da qualcun altro come era malato. H4 perse solo 54 secondi nei 5 mesi del viaggio e dopo la correzione per errori, che Harrison aveva esposto prima del viaggio, l’errore fu ridotto a 15 secondi.
Il caso scientifico per H4 vincere il premio £20000 era indiscutibile. Una copia di H4 fatta da Kendall, chiamato K1, è stato anche trovato a venire bene entro le condizioni del premio e John Harrison, all’età di 78, ha fatto un altro orologio H5 nei suoi tentativi di soddisfare ulteriori condizioni stabilite dal Consiglio di Longitudine. Tuttavia ci sono voluti una petizione di John Harrison al re Giorgio III prima di ricevere il suo premio per risolvere il problema di longitudine.
Una foto di K1 è a QUESTO LINK.
Nello sviluppo del cronometro marino dopo Harrison è descritto:-

È stato lasciato ai colleghi più giovani per progettare cronometri … abbastanza economico da essere alla portata dei normali navigatori. … La Compagnia britannica delle Indie Orientali insistette presto sul fatto che tutte le loro navi portassero cronometri. La Royal Navy era un po ‘ più lenta nel seguire l’esempio: era il 1840 o più tardi prima che le navi trasportassero cronometri nelle acque domestiche… le prove annuali di cronometro si sono svolte a Greenwich dal 1821, con premi per i migliori cronometri presentati.