Проблема длины

Выражение « проблема долготы» или « проблема долготы» означает, например, давно нерешенную проблему определения географической долготы корабля в открытом море.

В то время как географическую широту можно относительно легко измерить с помощью звездного неба с достаточной точностью для мореплавания , сравнительно точное определение долготы намного сложнее. Это потому, что круги широты имеют физический смысл из-за вращения Земли, в то время как круги долготы представляют собой чисто произвольное деление. Чтобы определить протяженность любого места, в качестве ориентира требуется точное солнечное время в месте с известной протяженностью. Разница в длине связана с разницей в местное время корабля. Проблема заключалась в определении этого точного эталонного времени до тех пор, пока достаточно точные часы не были технически возможны.

Без возможности точного определения географической долготы было рискованно направляться в отдаленный пункт назначения по кратчайшему пути, поскольку отклонения от курса не могли быть обнаружены. Широкое плавание использовалось как надежный косвенный метод навигации , который, однако, значительно увеличивал расстояние и, следовательно, продолжительность путешествия. Вот почему король Испании уже предложил цену за решение в 1600 году, в то время неудачное.

Проблема длины была удовлетворительно решена только после 1750 года с очень точными корабельными часами Харрисона .

Только после появления спутникового измерения местоположения в 1960-х годах стало возможным определять точную длину в открытом море независимо от измерений времени.

Панъевропейская проблема

Создание Королевской обсерватории в Гринвиче на Карле II в 1675 году был первым шагом Англии в поиске точного измерения длины. Обсерватории были созданы также в Париже ( Парижская обсерватория ) и Санкт-Петербурге.

После кораблекрушения на островах Силли в 1707 году , когда военно-морское соединение под командованием адмирала Клодесли Шовелла село на мель на островах Силли во время плавания из Гибралтара в Портсмут и потеряло четыре из 21 корабля с 1450 моряками, возникла проблема точная победа. Позиционирование в открытом море становится все более актуальным. Согласно петиции Уильяма Уистона и Хамфри Диттона (поддержанной заявлениями Исаака Ньютона и Эдмонда Галлея ), в 1714 году британский парламент предложил высокую денежную премию за практически жизнеспособное решение проблемы длины: с точностью не более половины отклонение в градусах 20 000 фунтов стерлингов и 20 000 фунтов стерлингов; погрешность до одного градуса отклонения 10 000 фунтов стерлингов. Один градус длины соответствует 60 морским милям (около 111 км) на экваторе и уменьшается к полюсам. Один градус долготы соответствует примерно 40 морским милям (около 74 км) по ширине Ла-Манша. Часы не должны показывать неправильно более 4 минут, чтобы гарантировать, что эта точность все еще слишком низкая для мореплавания.

В то время призовой фонд означал внушительное состояние, сопоставимое с сегодняшней двузначной суммой в миллион. Мореходное судно среднего размера стоило от 1500 до 2500 фунтов стерлингов, простой рабочий жил на 10 фунтов в год. «Комиссия по длине», Совет по долготе , к которому принадлежали самые важные астрономы и математики Англии, а также президент Королевского общества , Королевского общества развития науки, была основана для управления призовыми деньгами и оценить поданные предложения .

Возможные решения

Относительная долгота позиции (по Гринвичу) может быть определена только с опорным временем (UTC / GMT).

Все возможные решения основаны на измерениях времени. Местное солнечное время определяется на корабле, что относительно легко, основываясь на курсе солнца. Кроме того, текущее солнечное время места с известной географической долготой требуется в качестве эталонного времени. По разнице во времени вы можете рассчитать длину вашего собственного положения, потому что она связана с 24 часами, как разница в длине до 360 °.

Пример: на корабле полдень, а по Гринвичу 15:30 (0 ° долготы). Таким образом, разница во времени составляет 3,5 часа. Тогда вы находитесь на долготе, а именно на западной долготе, так как это позже в Гринвиче, чем в вашей собственной позиции. ${\ displaystyle \ textstyle {\ frac {3 {,} 5h} {24h}} \ cdot 360 ^ {\ circ} = 52 {,} 5 ^ {\ circ}}$

Проблема заключалась в том, чтобы знать точное базовое время, как в приведенном выше примере, узнать, который час по Гринвичу. Полезные методы для этого состоят либо в наблюдении за астрономическими событиями, время которых может быть точно рассчитано заранее и занесено в таблицу, либо в использовании часов длины, которые показывают местное время опорного местоположения в течение всего путешествия - процедура, которая Джемма Р. Фризиус уже осуществил в 1530 году. Однако в начале 18 века было технически невозможно построить часы, которые двигались бы с достаточной точностью на движущемся корабле в меняющихся климатических условиях, поэтому первоначально использовались астрономические наблюдения.

Спутники Юпитера

В лун Юпитера, обнаруженных на Галилео (1564-1642), орбиты Юпитера настолько быстро , что около 1000 раз в год луна появляется или исчезает , что можно точно рассчитать заранее. Эти события можно наблюдать практически одновременно во всех точках наблюдения на Земле, и поэтому они подходят в качестве глобальных «отметок времени». Однако это решение зависело от стационарного телескопа и поэтому могло надежно использоваться только на суше.

Тем не менее, ученые из разных стран пытались хотя бы на материке, наблюдая за лунами Юпитера, определить точную долготу. Среди них были Джованни Доменико Кассини , Эразм Бартолин , Оле Рёмер и Жан-Филипп Баратье .

Луна

Луну Земли , с другой стороны, легко наблюдать, хотя ее движение можно предсказать только с помощью сложных расчетов, основанных на точных наблюдениях. Однако лунные затмения можно было рассчитать заранее гораздо раньше .

Лунные затмения

Многие из этих явлений можно наблюдать почти с половины поверхности Земли, и, сравнивая время входа и выхода земной тени на Луну, можно определить различия в географической длине отдельных наблюдателей. Эту процедуру наглядно использовали Плиний (ок. 23–79) и Птолемей (ок. 100– ок. 175).

Затмение 24 мая 997 года наблюдалось Аль-Бируни в Хиве и Абу-л-Вафа в Багдаде, чтобы определить разницу в длине.
У Христофора Колумба были предварительные расчеты по Региомонтану , но он дважды пытался в Карибском море определить свою географическую долготу, наблюдая затмения (1494, 1504).

Лунные расстояния

Луна совершает полный круг на фоне звездного фона за добрые 27 дней и движется так быстро (около полградуса в час), что точное измерение ее углового расстояния до яркой неподвижной звезды рядом с ее орбитой дает хорошее представление о времени. .

Впервые этот метод был упомянут Иоганнесом Вернером в его работе «In hoc opere haec continentur Nova translatio primi libri geographiae Cl 'Ptolomaei ...» (Нюрнберг, 1514 г.), но привлек внимание только тогда, когда Питер Апиан использовал его в своей книге «Cosmographicus liber .. . »(Ландсхут 1524 г.) обсуждается более подробно. Многие обсерватории, в том числе и в Гринвиче, были основаны специально с целью измерения курса Луны с такой точностью, чтобы можно было рассчитать точные расстояния до Луны за несколько месяцев.

Эдмонд Галлей , совершивший два путешествия в связи с проблемой длины в 1698 и 1700 годах, потерпел неудачу из-за неадекватности его лунных таблиц, рассчитанных Томасом Стрит в 1661 году, и был одним из немногих ученых, которые поддержали подход Джона Харрисона с его корабельными часами. , но не дожил до своего прорыва.

Метод лунного расстояния был популяризирован немецким картографом и математиком Тобиасом Майером (1723–1762), который в возрасте 28 лет получил кафедру математики в Геттингене, не закончив регулярного обучения. Работая на картографического издателя в Нюрнберге , он разработал первые полезные лунные таблицы на основе математических расчетов. Они были переведены и отредактированы сэром Невилом Маскелином (1732–1811) и долгое время предлагали дешевый метод определения времени.

Джеймс Кук получил доступ к редактированию таблиц Майера Маскелайном во время его первого путешествия к Южным морям (1768–1771). В 1767 году впервые были опубликованы Морской альманах и астрономические эфемериды , которые впоследствии выходили ежегодно , в которых были напечатаны лунные таблицы, в которых указывались угловые расстояния Луны до семи неподвижных звезд каждый полный час. На борту Кука также был астроном.

Маскелайн опубликовал объяснения своего сложного метода расчета. В последующие десятилетия появилось множество более простых методов аппроксимации. В частности, метод, предложенный Натаниэлем Боудичем (1773–1838), нашел широкое применение в его знаменитом (до сих пор опубликованном) руководстве по навигации American Practical Navigator . «Боудич» хранил соответствующие вспомогательные таблицы по крайней мере до 1914 года, хотя Морской альманах уже не содержал лунных расстояний несколькими годами ранее.

Преимущество метода лунного расстояния заключалось в том, что он был недорогим в реализации: секстанты уже были доступны на кораблях, потому что они в любом случае были необходимы для измерения широты. Таким образом, нужно было скопировать и распространить только предварительно рассчитанные таблицы расстояний. Недостатком было то, что определение расстояния до Луны было возможно только в достаточно ясную ночь при видимой луне; около новолуния метод был практически неприменим.

Корабельные часы

Обученный плотник Джон Харрисон пошел совершенно другим и в конечном итоге успешным путем : особенно точные часы на борту позволили бы «взять» любое эталонное время во время путешествия и прочитать его в любое время.

Этот метод сделал ненужными все трудоемкие наблюдения, прогнозы и таблицы. Проблема заключалась в точности часов: примерно до 1700 года часы с отклонением всего в одну минуту в день считались высокоточными и технически малопригодными - это верно для стационарных часов на твердой почве. Каждый механизм снижает точность хода механических часов, а отклонение времени в десять минут соответствует 2,5 градусам долготы или примерно 280 км по экватору. На корабле часы постоянно находятся в движении, а также подвержены изменению климата и температуры, что влияет на их точность. Создание часов, отклоняющихся всего на несколько минут в реальных условиях месячного плавания, казалось невозможным.

Чтобы решить эту проблему, Харрисон разработал различные концепции часов с механизмами встречного вращения, погрешности которых компенсировали друг друга при колебаниях механизма, и представил первую концепцию Комиссии по долготе в 1728 году и первые работающие часы в 1735 году. Но комитет откладывал оценку и признание своей работы на десятилетия, отчасти по политическим и стратегическим причинам, но также и потому, что ведущие ученые не хотели принимать всерьез предложение простого мастера. Ньютон в корне сомневался в технической возможности создания достаточно точных часов, хотя Харрисон еще в 1725 году создал механические «дедушкины» часы с очень низкой погрешностью хода. Астроном сэр Невил Маскелайн , который сам пропагандировал метод лунного расстояния, изменил интерпретацию тендера в ущерб Харрисону, особенно после того, как он стал королевским астрономом в 1765 году. Харрисону также мешали его собственная изобретательность и перфекционизм: все его часы сильно отличались от предыдущих, поэтому он продолжал придумывать новые концепции, что подорвало его авторитет. Например, его попросили передать свои планы другим часовщикам и поручить им изготовить модели, чтобы исключить мошенничество.

Карманные часы с новым типом привода, которые Харрисон сделал для себя в 1753 году, окончательно перевели его на совершенно новую четвертую концепцию, над которой он работал до 1759 года. Это стало прорывом после более чем трех десятилетий: во время испытания во время морского путешествия на Ямайку, которое длилось несколько месяцев, ошибка хода часов, позже известных как «H4», составила менее двух минут.

Другие предложения

Из-за высокого призового фонда также были подняты и частично обсуждены публично неподходящие и абсурдные идеи для решения проблемы длины. Очень абсурдное предположение уже было опубликовано в 1687 году в листовке « Любопытные запросы» :

Прежде всего, собаку ранят ножом перед началом пути. Собака отправляется в путь, нож остается в порту приписки. Затем в порту приписки на этот нож каждый день в обеденное время наносится оружейная мазь , которая из-за сверхъестественной связи между оружием и раной заставляет собаку на борту корабля выть от боли и, таким образом, сообщает экипажу корабля, что полдень находится в порту приписки. ( Умберто Эко использовал этот метод в своем романе «Остров вчерашнего дня» .)

Математики Уильям Уистон и Хамфри Диттон предложили ставить корабли на якорь в море через регулярные промежутки времени, что должно помочь определять их положение несколько раз в день путем стрельбы : расстояние до боевого корабля можно рассчитать по разнице во времени между молнией и ударом. . Уистон, ученик Ньютона, предположил, что максимальная глубина океанов составляет 600 м. Было обнаружено, что этот метод неприменим в море, но на суше его применяли.

Серьезно рассматривалась оценка неоднородностей магнитного поля Земли, которой занимались Эдмонд Галлей , Уильям Уистон и Кристоф Семлер . Однако вскоре эти предложения оказались непрактичными.

Решение

Он не был до Джеймс Кук, после возвращения домой из своей второй поездки по всему миру, с энтузиазмом оценила полезность хранителя времени , который построил Larcum Кендалл по заказу Харрисона как точная копия часов с 1759, что большинство астрономов считают проблема длины должна быть решена. В бортовом журнале поначалу скептически настроенный Повар Кендалл назвал свое «непреходящее руководство»: часы «отсчитывали время порта отправления вместе с ними в рейсе». Три другие часы, которые Куку тоже пришлось испытать, не выдержали стрессов поездки.

После долгой борьбы Джон Харрисон получил последнюю причитающуюся ему часть призовых незадолго до своей смерти. Посмертно были также Тобиас Майер наградил £ 3000 и дал его вдове.

В 1780 году Джон Арнольд ввел термин « хронометр» для дальнейшего развития часов Харрисона . Лунные таблицы Маскелайна продолжали использоваться, пока каждый корабль не был оснащен одним из изначально очень дорогих хронометров. Сначала Британская Ост-Индская компания оснастила свои корабли хронометрами, преобразование Королевского флота длилось до 1840 года. Капитаны небольших торговых судов работали с лунными расстояниями в течение нескольких десятилетий, пока на рынке не появились более дешевые хронометры.

После того, как проблема была решена , Совет по долготе был распущен в 1828 году и заменен Постоянным комитетом по научным консультациям для Адмиралтейства .

литература

• Дава Собел и Уильям Дж. Х. Эндрюс: Долгота - Иллюстрированное издание . Подлинная история одинокого гения, решившего величайшую научную проблему своего времени. Berlin-Verlag, Берлин 2010, ISBN 3-8270-0970-7 (английский: долгота . Перевод Матиаса Файнборка и Дирка Мюльдера). 
• Иоганн Маттиас Хассенкамп: Краткая история попыток изобрести длину моря . Ринтельн 1769
• Физический словарь Иоганна Самуэля Трауготта Гелера . Vol. 6 Abth. 1, 1834 г.
• Питер Бой Андресен: История лунных расстояний . Марбах 1986 (перепечатка Гамбургского издания 1924 года)
• Уильям Дж. Х. Эндрюс (ред.): В поисках долготы . Кембридж, Массачусетс. 1996 г.
• Эрвин Рот: Тобиас Майер, 1723–1762 гг. Смотритель моря, земли и неба. Эсслинген 1985
• Умберто Эко : Остров вчерашнего дня .
• Джоан Дэш (перевод с американца Тамары Вильманн): Охота на долготу . Молодежная книга, изданная К. Бертельсманном, ISBN 3-570-12717-6
• Феликс Люнинг: Долгота. Критическое рассмотрение бестселлера . В: Вклад в историю астрономии, Том 10. Франкфурт а. М. 2010, стр 104-186 (Даве Собелу: долгота )
• Кёберер, Вольфганг: Инструмент унде Declinatie der Sünnen, старейшее нижненемецкое руководство по навигации Якоба Алдея с 1578 г. Факсимиле, транскрипция и комментарии, издание Stiedenrod, Wiefelstede 2009.

кинофильмы

Проблема долготы и ее решение Джоном Харрисоном также являются предметом художественного фильма под названием «Долгота» с Джонатаном Коем , Кристофером Ходсолом и Джереми Айронсом в главных ролях. Фильм снят по книге Давы Собеля « Ленгенград ».

веб ссылки

• Профессор Франк Сломка: Проблема долготы

Индивидуальные доказательства

1. ↑ Майк Дэш : Де Ондерганг Ван Де Батавиа . Singel Pockets, Амстердам 2005, ISBN 978-90-413-3124-3 .