Timekeeper: Invention of Marine Chronometer

Timekeeper: Invention of Marine Chronometer

A  Up to the middle of the 18th century, the navigators were still unable to exactly identify the position at sea, so they might face a great number of risks such as the shipwreck or running out of supplies before arriving at the destination. Knowing one’s position on the earth requires two simple but essential coordinates, one of which is the longitude.

B  The longitude is a term that can be used to measure the distance that one has covered from one’s home to another place around the world without the limitations of naturally occurring baseline like the equator. To determine longitude, navigators had no choice but to measure the angle with the naval sextant between Moon centre and a specific star— lunar distance—along with the height of both heavenly bodies. Together with the nautical almanac, Greenwich Mean Time (GMT) was determined, which could be adopted to calculate longitude because one hour in GMT means 15-degree longitude. Unfortunately, this approach laid great reliance on the weather conditions, which brought great inconvenience to the crew members. Therefore, another method was proposed, that is, the time difference between the home time and the local time served for the measurement. Theoretically, knowing the longitude position was quite simple, even for the people in the middle of the sea with no land in sight. The key element for calculating the distance travelled was to know, at the very moment, the accurate home time. But the greatest problem is: how can a sailor know the home time at sea?

C  The simple and again obvious answer is that one takes an accurate clock with him, which he sets to the home time before leaving. A comparison with the local time (easily identified by checking the position of the Sun) would indicate the time difference between the home time and the local time, and thus the distance from home was obtained. The truth was that nobody in the 18th century had ever managed to create a clock that could endure the violent shaking of a ship and the fluctuating temperature while still maintaining the accuracy of time for navigation.

D  After 1714, as an attempt to find a solution to the problem, the British government offered a tremendous amount of £20,000, which were to be managed by the magnificently named ‘Board of Longitude’. If timekeeper was the answer (and there could be other proposed solutions, since the money wasn’t only offered for timekeeper), then the error of the required timekeeping for achieving this goal needed to be within 2.8 seconds a day, which was considered impossible for any clock or watch at sea, even when they were in their finest conditions.

E  This award, worth about £2 million today, inspired the self-taught Yorkshire carpenter John Harrison to attempt a design for a practical marine clock. In the later stage of his early career, he worked alongside his younger brother James. The first big project of theirs was to build a turret clock for the stables at Brockelsby Park, which was revolutionary because it required no lubrication. Harrison designed a marine clock in 1730, and he travelled to London in seek of financial aid. He explained his ideas to Edmond Halley, the Astronomer Royal, who then introduced him to George Graham, Britain’s first-class clockmaker. Graham provided him with financial aid for his early-stage work on sea clocks. It took Harrison five years to build Harrison Number One or HI. Later, he sought the improvement from alternate design and produced H4 with the giant clock appearance. Remarkable as it was, the Board of Longitude wouldn’t grant him the prize for some time until it was adequately satisfied.

F  Harrison had a principal contestant for the tempting prize at that time, an English mathematician called John Hadley, who developed the sextant. The sextant is the tool that people adopt to measure angles, such as the one between the Sun and the horizon, for a calculation of the location of ships or planes. In addition, his invention is significant since it can help determine longitude.

G  Most chronometer forerunners of that particular generation were English, but that doesn’t mean every achievement was made by them. One wonderful figure in the history is the Lancastrian Thomas Earnshaw, who created the ultimate form of chronometer escapement—the spring detent escapement—and made the final decision on format and productions system for the marine chronometer, which turns it into a genuine modem commercial product, as well as a safe and pragmatic way of navigation at sea over the next century and half.

Máy đo thời gian: Sự ra đời của Đồng hồ hàng hải

A  Cho đến giữa thế kỷ 18, các nhà hàng hải vẫn chưa thể xác định được chính xác vị trí trên biển, vì vậy họ có thể đối mặt với những rủi ro lớn như đắm tàu hoặc hết nhu yếu phẩm trước khi đến đích. Để biết vị trí của một người trên trái đất cần có hai tọa độ tuy đơn giản nhưng thiết yếu, một trong số đó là kinh độ.

B  Kinh độ là một thuật ngữ có thể được sử dụng để đo khoảng cách mà một người đã đi qua tính từ điểm xuất phát đến một nơi khác trên thế giới mà không gặp giới hạn của đường cơ sở tự nhiên nào như đường xích đạo. Để xác định kinh độ, các nhà hàng hải không có lựa chọn nào khác ngoài việc dùng kính lục phân hải quân đo góc giữa tâm Mặt trăng và một ngôi sao xác định – khoảng cách mặt trăng – cùng với chiều cao của cả hai thiên thể. Cùng với niên giám hàng hải, Giờ trung bình Greenwich (GMT) đã được xác định, có thể được sử dụng để tính kinh độ vì một giờ trong GMT tương ứng 15 độ theo kinh độ. Thật không may, phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, điều này mang lại sự bất tiện lớn cho các thành viên thủy thủ đoàn. Do đó, một phương pháp khác đã được đề xuất, đó là sử dụng sự chênh lệch thời gian giữa giờ tại điểm xuất phát và giờ địa phương phục vụ cho phép đo. Về mặt lý thuyết, việc biết vị trí kinh độ là khá đơn giản, ngay cả đối với những người đang ở giữa biển khơi nơi không xuất hiện đất liền trong tầm nhìn. Yếu tố quan trọng để tính toán quãng đường đã đi là phải biết chính xác thời gian tại điểm xuất phát. Tuy nhiên vấn đề lớn nhất là: làm thế nào để một thủy thủ có thể biết được giờ tại điểm xuất phát khi họ đang trên biển?

C  Câu trả lời đơn giản và hiển nhiên là mang theo một chiếc đồng hồ hoạt động chính xác, và đặt thành giờ tại điểm xuất phát trước khi rời đi. So sánh với giờ địa phương (dễ dàng xác định bằng cách kiểm tra vị trí của Mặt trời) sẽ cho biết chênh lệch thời gian giữa giờ tại điểm xuất phát và giờ địa phương, và nhờ đó, khoảng cách từ điểm xuất phát được tính ra. Sự thật là không có ai vào thế kỷ 18 đủ khả năng chế tạo ra một chiếc đồng hồ có thể chịu được sự rung lắc dữ dội của một con tàu và sự thay đổi nhiệt độ thất thường trong khi vẫn duy trì độ chính xác của thời gian để phục vụ dẫn đường.

D  Sau năm 1714, trong một nỗ lực để tìm ra giải pháp cho vấn đề này, chính phủ Anh đã treo thưởng một khoản tiền khổng lồ là 20.000 bảng Anh, được quản lý bởi ‘Hội đồng Kinh độ’ danh tiếng. Nếu dụng cụ đo thời gian là câu trả lời (và có thể có các giải pháp khác được đề xuất, vì tiền không chỉ được treo thưởng cho máy đo thời gian), thì sai số cần thiết trong việc đo thời gian để đạt được mục tiêu này là trong khoảng 2,8 giây một ngày, điều được coi là bất khả thi đối với bất kỳ loại đồng hồ hay dụng cụ xem giờ nào trên biển, ngay cả khi chúng hoạt động ở điều kiện tốt nhất.

E  Giải thưởng này, trị giá khoảng 2 triệu bảng Anh ngày nay, đã tạo cảm hứng cho người thợ mộc tự học John Harrison ở Yorkshire, Mỹ cố gắng thiết kế một chiếc đồng hồ hàng hải mang tính thực dụng. Trong giai đoạn sau của thời kỳ khởi nghiệp, ông đã làm việc cùng với người em trai James của mình. Dự án lớn đầu tiên của họ là xây dựng đồng hồ đặt trên tháp pháo cho các chuồng ngựa tại Công viên Brockelsby, đây là một dự án mang tính cách mạng vì chúng không yêu cầu tra dầu mỡ bôi trơn. Harrison đã thiết kế một chiếc đồng hồ hàng hải vào năm 1730, và ông đã đến London để tìm kiếm sự hỗ trợ về tài chính. Ông giải thích ý tưởng của mình với Edmond Halley, nhà thiên văn học Hoàng gia, người sau đó đã giới thiệu ông với George Graham, thợ đồng hồ hàng đầu của nước Anh. Graham đã hỗ trợ tài chính cho giai đoạn công việc đầu tiên của ông về đồng hồ biển. Harrison đã mất 5 năm để xây dựng Harrison Number One hay còn gọi là HI. Sau đó, ông đã tìm tòi cải tiến từ thiết kế thay thế và sản xuất ra H4 trong diện mạo một chiếc đồng hồ khổng lồ. Điểm đáng chú ý là Hội đồng Kinh độ đã trì hoãn không trao giải thưởng cho ông trong một thời gian cho tới khi nó thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu.

F  Harrison đã có một đối thủ chính cho giải thưởng hấp dẫn vào thời điểm đó, một nhà toán học người Anh tên là John Hadley, người đã phát triển kính lục phân. Kính lục phân là công cụ mà mọi người sử dụng để đo các góc, chẳng hạn như giữa Mặt trời và đường chân trời, để tính toán vị trí của tàu hoặc máy bay. Thêm vào đó, phát minh của ông rất có ý nghĩa vì nó có thể giúp xác định kinh độ.

G  Hầu hết các tiền nhiệm của đồng hồ độ chính xác cao trong thế hệ đặc biệt đó là người Anh, nhưng điều đó không có nghĩa là mọi thành quả đều do họ tạo ra. Một nhân vật tuyệt vời trong lịch sử là Lancastrian Thomas Earnshaw, người đã tạo ra mẫu tối ưu của bộ thoát đồng hồ độ chính xác cao — bộ thoát chốt lò xo — đồng thời đưa ra quyết định cuối cùng về định dạng và hệ thống sản xuất cho đồng hồ hàng hải độ chính xác cao, biến nó thành một sản phẩm thương mại hiện đại thực sự, cũng như một phương thức định hướng hàng hải an toàn và thực dụng trên biển trong một thế kỷ rưỡi tiếp theo.