Navigations-historie

Længdegrads-problemet til søs

John Harrison - urmageren der vandt over videnskabsmænd

 

Af Louis Nielsen, cand. scient. Lektor ved Herlufsholm 

 

Hvor befinder vi os?

I vore dage kan man bestemme et hvilket som helst sted på Jorden ved hjælp af f.eks. det såkaldte GPS (Global Positioning System). GPS gør brug af den nyeste radiobaserede kommunikations-teknologi, såsom satellitter, atomure og computere. Med de nyeste metoder kan et steds koordinater på jordkloden bestemmes med centimeters nøjagtighed.

Historien med at finde vej og bestemme det nøjagtige sted på Jordkloden begyndte for flere hundrede år siden, ja for tusinder af år siden.

 

Da skibsfarten på verdenshavene blev mere og mere udbredt, blev det af livsvigtig betydning at kunne føre et skib fremad i den rigtige og ufarlige retning.

Ordet ’navigation’ er dannet af de latinske ord ’navis’, der betyder ’skib’ og ’agere’, der kan oversættes med ’føre fremad’. Ordet ’navigation’ betyder således: ’føre et skib fremad’. Siden er betegnelsen ’navigation’ også benyttet i luftfarten og rumfarten.

Det store spørgsmål i navigationen indtil 1760’erne var: Hvordan kan længdegraden bestemmes nøjagtigt ude på det åbne hav?

 

Tidligt i skibsfartens historie kunne man bestemme et steds breddegrad nogenlunde nøjagtigt. Dette kunne gøres ved f.eks. om natten at måle Nordstjernens højde (vinklen mellem horisonten og stjernen) eller om dagen at måle højden af Solen. Til disse astronomiske vinkelmålinger benyttede man allerede i oldtiden en såkaldt Jakobsstav. Denne består af en længere vinkelinddelt stok, hvorpå der kan forskydes en kortere stav. I 1500-årene og 1600-årene blev Jakobsstaven videreudviklet til forskellige typer af vinkelmålings-instrumenter, såsom astrolaber, kvadranter, oktanter og sekstanter.    

 

I det følgende lidt om længdegradsproblemets historie og den selvlærte urmager John Harrison, der løste problemet ved hjælp af genialt konstruerede og nøjagtigt gående ure.  

 

Jordens form og bevægelse

Siden de ældste tider har mennesker med kærlighed til viden, såkaldte filosoffer, spekuleret over Jordens form og bevægelsesforhold. Hvad Jordens geometriske form angår, så har der været flere spekulative forslag. Sansernes umiddelbare registrering giver den formodning, at Jorden er en ujævn flade, der dog i middel opfattes som en plan flade. Jorden blev altså betragtet som værende flad. Dette selv om det tidligt i menneskehedens historie kunne iagttages, at man for et skib der nærmede sig fra horisonten, først så det øverste af en skibsmast, siden mere og mere af denne, og i en bestemt afstand kunne se hele skibet.

 

Den græske naturfilosof Anaximandros (o. 610-547 f.v.t.) mente at Jorden havde form som en cylinder med en bredde, der var tre gange dens højde. I Anaximandros’ model svævede Jorden i et intet, men den bevægede sig ikke, fordi den befandt sig lige langt væk fra alt andet. Anaximandros, betragtes som geografiens grundlægger, idet han var en af de første der menes at have tegnet et kort over landområderne omkring Sortehavet. Han skal også have konstrueret en himmelglobus.

 

Pythagoras (o. 570-500 f.v.t.) var en af de første der argumenterede for, at Jorden er kugleformet, og at den roterer omkring sig selv. At Jorden har kugleform kunne man bl.a. se ved måneformørkelser, hvor Jorden danner en krum skygge på Månens overflade. Pythagoræerne hævdede også, at Jorden var et himmellegeme som de andre planeter, og at de alle bevæger sig omkring en ’central ild’, Solen. Formodningen om et heliocentrisk verdensbillede er således en ide, der allerede eksisterede i oldtiden. Ideen blev dog gennem mange århundrede tilbagevist og undertrykt og endog straffet af religiøse og kirkelige autoriteter. Ikke mindst udøvede den katolske kirke magtmisbrug i det meste af middelalderen. Så sent som i år 1600 henrettede den katolske kirke fritænkeren Giordano Bruno (1548-1600), fordi han hævdede, at verden ikke havde nogen grænse, men var uendelig i udstrækning. Efter otte år i fangenskab, blev han brændt på et bål i Rom. Også Galileo Galilei (1564-1642) måtte stå ’skoleret’ for den katolske kirkes domstol, da han i 1633 blev presset til at fornægte sin overbevisning om Jordens bevægelse omkring Solen. Den katolske kirke undskyldte og tilbagekaldte først sine overgreb mod Galilei i 1992!

 

Jordens geometri. Euklid, Eratosthenes og Hipparchos

Grundlaget for en opmåling og kortlægning af Jorden var den geometri, dvs. måling af Jorden, som blev udviklet af den græske matematiker Euklid (330-275 f.v.t.), der fungerede i oldtidens videnscenter i Alexandria.

Euklids geometri blev anvendt af den græske videnskabsmand Eratosthenes fra Kyrene (275-194 f. v.t.). Eratosthenes var den første, der ved målinger og beregninger bestemte Jordens omkreds med en nøjagtighed, der ikke afviger meget fra den korrekte.

Eratosthenes fremstillede også et lokal-geografisk kort bestående af længdecirkler og breddecirkler.

Eratosthenes blev år 246 f.v.t., af den Egyptiske konge Ptolemaios III (284-221 f.v.t.) (konge 246 f. v.t. til 221 f.v.t.), udnævnt til kongelig bibliotekar ved Egyptens berømte bibliotek i Alexandria. 

 

Astronomen Hipparchos fra Nikæa (o.160-125 f.v.t.) var den første, der forslog at angive et bestemt steds koordinater på jordkloden ved hjælp af breddegrader og længdegrader. Han foreslog at nul grader længdecirklen, nul-meridianen, skulle gå gennem Rhodos.

Med sine geometriske metoder kan Hipparchos anses for at være den sfæriske trigonometris grundlægger. 

 

Jordkloden med længdecirkler og breddecirkler.

Nul grader længdecirklen gennem Greenwich blev vedtaget i 1884

 

 

Eratosthenes bestemmelse af Jordens omkreds

Eratosthenes beregnede Jordens omkreds ved, på samme tid, at måle den vinkel som solstrålerne danner med lodret på to forskellige steder langs en meridian. Eratosthenes iagttog, at solstrålerne var lodrette i byen Syene (det nuværende Aswan) ved middagstid på sommersolhvervsdagen. I byen Alexandria der ligger næsten på samme meridian som Syene og ca. 790 km derfra, dannede solstrålerne, på samme dag, en vinkel på 7,2 grader. Af disse to værdier beregnede Eratosthenes, at Jordens omkreds er ca. 39500 km, tæt på den rigtige værdi.

Eratosthenes målte afstande i enheden stadie. Hvor mange meter et stadie er hersker der nogen uenighed om. Et stadie menes at være lig med ca. 158 meter. Da afstanden mellem Syene og Alexandria blev ’skridtet af’ til ca. 5000 stadier svarer dette til ca. 790 km. 

 

 

 

Det magnetiske kompas

At bestemme en bevægelses-retning i forhold til Jordens poler kan foretages med en i vandret plan frit drejelig magnetisk nål. Det magnetiske kompas til retningsbestemmelse på land er blevet benyttet helt tilbage i oldtiden. Filosoffen og historikeren Plutark (c.50-120) skrev, at ægypterne kaldte de modsatvirkende magnetkræfter for Horus og Typhon, der var symbolerne for frastødning og forening. Der har været flere forklaringer på, hvad der kunne være årsag til at magnetnålen indstiller sig i retningen nord/syd. En forklaring var, at det måtte være en tiltrækkende kræft fra Nordstjernen. En anden forklaring, at der måtte eksistere et stort ’magnetisk bjerg’ i nærheden af jordens nordpol. Teorier om, at det måtte være processer i Jordens indre, var på banen allerede i begyndelsen af 1500-årene.

Eksistensen af et ’magnetisk bjerg’ på nordpolen, blev modbevist af James Clark Ross (1800-1862), da han den 31. maj 1831, til fods, nåede nordpolen. På dette sted fandtes ikke noget ’magnetisk bjerg’. Derimod pegede en frit drejelig magnet-nål næsten lodret, mens en vandret magnet-nål var næsten ubevægelig.

      

Første jordomsejling

Til retningsbestemmelse på havet er magnetkompasset blevet benyttet allerede i 1100-årene. Ifølge forskellige kilder blev det magnetiske kompas først benyttet i Europa i begyndelsen af 1300-årene.

Kompasset blev det instrument, der sammen med vinkelmålings-instrumenterne og timeglas, satte gang i de store opdagelsesrejser til søs i slutningen af 1400-tallet. Dette gælder f.eks. de opdagelsesrejser, der blev foretaget af Christopher Columbus (1451-1506) og Vasco da Gama (1469-1524).

Den første jordomsejling blev sat i værk af Ferdinand Magellan (1480-1521). Magellan var øverstkommanderende på jordomsejlingen, der fandt sted fra 20. september 1519 til 6. september 1522. Fem skibe blev udrustet til ekspeditionen med et mandskab på tilsammen 234 mand. Af navigations-udstyr på skibene var: 6 passere, 23 pergament-kort, 21 kvadranter, 7 astrolaber, 35 kompasnåle og 18 timeglas. Magellan selv blev dræbt på Filippinerne den 18. marts 1521, og nåede således ikke hele vejen rundt om jorden. Det var ekspeditionens næstkommanderende Sebastian Del Cano, der med 22 mand i live fuldførte historiens første jordomsejling. I sandhed en farefuld opdagelsesrejse, der beviste at Jorden var rund.

 

Længdegrads-problemet

Efterhånden som søfart blev mere og mere almindeligt, og opdagelsesrejsende vovede sig ud på de store verdenshave trængte løsningen på et problem sig i forgrunden. Problemets grundlæggende spørgsmål var: Hvordan kan man bestemme et steds nøjagtige breddegrad og længdegrad? Hvordan kan man få viden om, hvor på Jordkloden man præcist befinder sig? Ikke mindst var disse spørgsmål relevante ude på det åbne hav, hvor der kun kan observeres vand til alle sider.

Et steds breddegrad kunne man relativt let bestemme ved måling af enten Solens eller Nordstjernens højde. Det store problem var: Hvordan bestemmer man, på den roterende Jord, sin nøjagtige længdegrad?

           

Metoder til bestemmelse af et steds længdegrad

Gennem et par hundrede år blev der foreslået forskellige metoder til bestemmelse af et steds længdegrad. Mange af tidens største videnskabsmænd, specielt astronomer og matematikere, deltog i løsningen af problemet. Af seriøse metoder blev foreslået bl.a. følgende:

 

 

 

 

Måneformørkelses-metoden

Et steds længdegrad kan bestemmes under en måneformørkelse. Der gælder nemlig, at for to iagttagere, der befinder sig på to forskellige steder af Jorden, vil en måneformørkelse observeres at indtræffe (næsten) samtidigt. Formørkelsestidspunkterne kan derfor tabelleres og benyttes som ’reference-tidspunkter’. Ved at udregne forskellen mellem et steds ’lokale tidspunkt’, bestemt astronomisk, og det forudberegnede ’formørkelses-tidspunkt’ er det muligt at beregne stedets længdegrad, idet der gælder at en tidsforskel på 4 minutter svarer til en længdegradsforskel på 1 grad.

Måneformørkelses-metoden er dog meget upraktisk, da måneformørkelser indtræffer alt for sjældent og ligeledes kræver det klart vejr.

Måneformørkelses-metoden blev dog benyttet i 1499 af den italienske opdagelsesrejsende Amerigo de Vespuccio (1451-1512). Han opdagede at det kontinent, som Christopher Columbus (1451-1506) troede var Indien, i virkeligheden var et nyopdaget landområde. Kontinentet fik siden navnet Amerika opkaldt efter Amerigo. Ved samtidigt at observere en måneformørkelse i Venezuela og Cadiz i Spanien kunne Vespuccio bestemme længdegraden af det nyopdagede kontinent - Amerika. 

 

Måneafstands-metoden

I en kommentar til sin oversættelse fra 1514 af Ptolemæus’ værk om geografi foreslog den tyske astronom, matematiker og geograf Johann Werner (1468-1522), at man kunne bestemme et steds længdegrad ved at måle den aktuelle vinkel mellem Månen og Solen eller mellem Månen og en kendt udvalgt klar fiksstjerne. Metoden bygger på den kendsgerning, at Månen bevæger sig relativt hurtigt i forhold til baggrundsstjernerne, og at den er omkring en time om at tilbagelægge en ’strækning’ svarende til dens observerede diameter. Vinkelafstanden mellem kendte stjerner og den aktuelle position af Månen skulle måles med et så nøjagtigt vinkelmålings-instrument som muligt. Johann Werner foreslog det instrument, der var konstrueret af Levi Ben Gersohn (1288-1344), og som var en forbedret udgave af den såkaldte Jakobsstav, der er blevet benyttet som vinkelmåler flere århundreder før vor tidsregnings begyndelse, men som sandsynligvis har fået sit navn efter astronomen Jakob van Mahir (1236-1304). 

 

Udover nøjagtige vinkelmålings-instrumenter kræver ’Måneafstands-metoden’ nøjagtige stjernekort og tabeller, der angiver Månens tidslige – også fremtidige – positioner i forhold til stjernehimmelen. Den teoretiske beregning af Månens bane er et kompliceret matematisk-fysisk tre-legeme problem, hvor Solens, Jordens og Månens tyngdekræfter er i vekselvirkning med hinanden.

De første empirisk baserede måne-tabeller, såkaldte Nautiske Almanakker, fik man først i sidste halvdel af 1700-årene. Den første Nautiske Almanak blev udgivet i 1766. Den var udarbejdet af den engelske astronom Nevil Maskelyne (1732-1811), der var den femte kongelige astronom og en af de videnskabsmænd, der ’kæmpede’ for anvendelsen af ’Måneafstands-metoden’. 

 

 

 

Nevil Maskelyne (1732-1811)

Maskelyne, der var Englands femte ’Kongelige Astronom’,

arbejdede ihærdigt for anvendelsen af ’Måneafstands-metoden’.

Han var en af John Harrisons argeste modstandere.

 

 

Jupiter-måne-metoden

I 1610 opdagede den italienske naturforsker Galileo Galilei (1564-1642), med sit selvbyggede og nu historiske teleskop, de fire største måner, der bevæger sig rundt om planeten Jupiter. Galilei indså at den regelmæssige formørkelse af månerne, når de bevæger sig bag Jupiter, kunne bruges som et ’himmel-ur’. For månerne udarbejdede Galilei tabeller, der viste på hvilket klokkeslæt de begyndte at bevæge sig bag Jupiter, og på hvilket klokkeslæt de igen kom til syne. Tabellerne var dog ikke særlig nøjagtige, hvilket ej heller gjaldt de tidsmålere man dengang havde til rådighed. Galilei opfandt også en ’himmel-hjelm’, kaldet celatonen. Hjelmen havde to kighuller, det ene med en kikkert. Gennem det ene hul skulle man kigge og fokusere på selve planeten Jupiter, og gennem hullet med kikkerten skulle man følge bevægelsen og formørkelsen af en Jupiter-måne. Forståeligt var celatonen meget upraktisk og unøjagtig, og den fik heller ingen praktisk anvendelse.

 

 

Galileo Galilei (1564-1642)

Galilei foreslog, at man som et ’himmel-ur’

kunne benytte formørkelserne af Jupiters måner

 

 

I 1668 udgav den italiensk-franske astronom Giovanni Domenico Cassini (1625-1712) forbedrede tabeller over bevægelserne af Jupiters måner, som han havde observeret gennem 16 år. Tabellerne blev benyttet til fremstilling af forbedrede kort over Jordens land - og havområder. Derimod fik de ingen praktisk betydning for navigationen til søs.    

 

Kronometer-metoden – metoden der vandt

I 1530 beskrev hollænderen Gemma Frisius (1508-1555), hvordan man kunne bestemme et steds længdegrad ved hjælp af nøjagtigt gående ure. Udfordringen var derfor, at få konstrueret transportable, robuste og nøjagtigt gående ure, der kunne medtages på skibe, der skulle på langfart.

Hvis man kan bestemme tidsforskellen mellem et bestemt steds lokal-tid og en defineret ’reference-tid’ ved nul-meridianen, så kan man beregne stedets længdegrad, da én omdrejning af Jorden svarer til 360 længdegrader og til 24 timer. En forskel i længdegrad på 1 grad svarer til 4 minutter. Metoden kræver dog nøjagtige transportable tidsmålere, og dette fik man ikke før midten af 1700-årene.

 

I øvrigt: Ordet ’kronometer’ betyder ’tidsmåler’ efter de græske ord ’chronos’, der betyder ’tid’ og ’metron’ der betyder ’måler’. Ordet ’kronometer’ blev, nærmest i spøg, indført i 1714 af englænderen Jeremy Thacker, der var en af de mange der konkurrerede om længdegrads-priserne, der var udlovet af det engelske parlament. Betegnelsen ’kronometer’ blev dog først almindeligt brugt i slutningen af 1700-årene, efter at Alexander Dalrymple (1737-1808) fra det britiske Ostindiske Kompani i 1779 foreslog at benytte det som navn for et nøjagtigt ur benyttet til søs. 

 

Priser for løsning af længdegrads-problemet.

Efterhånden som skibsfarten intensiveredes med handelsskibe, krigsskibe, opdagelsesrejsende og andre søfarende, blev behovet for at kunne navigerede præcist til havs større og større. Ikke mindst da det viste sig, at mange skibe forulykkede på grund af manglende metoder til nøjagtig bestemmelse af et steds koordinater, specielt længdegraden.

 

Problemet med at bestemme længdegraden til søs bevirkede at flere lande, specielt de store søfartsnationer som Spanien, Portugal, Frankrig og England udlovede priser til den eller dem, der kunne udtænke og praktisere en metode, med hvilken man kunne bestemme et steds længdegrad til søs.

Det første land der udlovede en pris var Spanien, hvor kong Philip II udlovede en pris i 1567. Senere, i 1598, blev prisen forøget af kong Philip III.

I Holland blev der i 1636 udlovet en stor pris til den, der kunne udtænke en praktiserbar metode til bestemmelse af længdegraden til søs. Flere prøvede at vinde prisen. Galileo Galilei (1564-1642) foreslog at anvende en metode baseret på Jupiters måner.

Galilei foreslog først for spanierne og siden for de mere lydhøre hollændere, at man kunne benytte formørkelserne af Jupiters måner som et ’himmel-ur’. Selv om Galilei observerede Jupiters måner gennem flere år og udarbejdede tabeller over deres bevægelser, så var metoden for usikker og upraktisk, så den vandt ingen pris.

Heller ikke Cassinis nøjagtigere Jupiter-måne-tabeller kom i anvendelse i søfarten. Derimod blev Jupiter-måne-metoden anvendt til nøjagtigere kortlægning af landjorden.  

 

Oprettelse af videnskabelige selskaber og observatorier

Mange lande, specielt de store søfartsnationer, eftersøgte metoder, der kunne gøre navigationen til søs nøjagtig, og dermed gøre søfart sikker. Forudsætningen for dette var en nøjagtig metode til beregning af et steds længdegrad og breddegrad. Og hvis der skulle navigeres efter Sol, Måne, planeter og stjerner, så krævede dette nøjagtig kendskab til himmellegemernes positioner og bevægelsesforhold.

Længdegrads-problemet blev således medvirkende til at sætte gang i oprettelsen af lærde naturvidenskabelige selskaber og astronomiske observatorier. Der var enighed om at mere viden i matematik, astronomi og naturvidenskab generelt kunne give løsninger til mange af tidsalderens problemer, herunder længdegrads-problemet.

 

Pariser-observatoriet

I Frankrig oprettedes i 1666 under Kong Louis XIV (1638-1715, konge 1638-1715), og tilskyndet af statsmanden Jean-Baptiste Colbert (1619-1683), Académie Royale des Sciences. Til dette videnskabs-akademi blev knyttet et astronomisk observatorium, Pariser-observatoriet, åbnet i 1667. Akademiet sendte invitationer til de bedste videnskabsmænd, bl.a. den danske astronom, fysiker og tekniker Ole Christensen Rømer (1644-1710). Ole Rømer tog imod invitationen og han opholdt sig i Frankrig i årene 1672 til 1681. I 1676 fremlagde Rømer sin opdagelse af lysets hastighed, ’lysets tøven’, for det franske videnskabs-akademi. Hans opdagelse var baseret på observationer af formørkelserne af Jupiters måner.

 

Royal Society og Royal Observatory i Greenwich

I 1663 oprettede Englands Kong Charles II (1630-1685, konge 1660-1685) det naturvidenskabelige selskab Royal Society. Og i 1676 blev Royal Observatory i Greenwich Park indviet. Lederen af Observatoriet blev udnævnt af kongen og fik titlen ’Astronomer Royal’, dvs. ’Kongelig Astronom’. Den første der blev ’Kongelig Astronom’ var astronomen John Flamsteed (1646-1719). Flamsteed fik til opgave at udarbejde tabeller over stjernernes positioner og Månens bevægelse i forhold til disse. Tabellerne skulle benyttes af søfarende til bestemmelse af et steds længdegrad. Gennem mere end 40 år foretog Flamsteed observationer af himlens objekter. Ved observationerne blev anvendt den tids teleskoper og ure. I 1725, altså efter Flamsteeds død, udkom trebindsværket ’Historia Coelestis Britannica’, der angav positionerne af næsten 3000 stjerner (2935 stjerner). Værket erstattede Tycho Brahes (1546-1601) stjernekatalog, der indeholdt langt færre stjerner, og hvor positionerne var mere end seks gange så unøjagtigt. Hvilket er forståeligt, eftersom kikkerten først blev opfundet efter Tycho Brahes død.

      

Skibskatastrofe satte gang i løsning af længdegrads-problemet

I 1707 skete en stor skibskatastrofe i den Engelske Kanal. Fire skibe under kommando af Admiral Sir Claudesley Shovel (1650-1707) forliste i nærheden af Scilly-øerne ud for den engelske kyst. Årsagen til forliset var blandt andet, at man endnu ikke havde brugbare metoder og instrumenter, der var pålidelige og nøjagtige nok til bestemmelse af et steds længdegrad.

 

Englands store længdegrads-priser

Den 16. juni 1714 udlovede det engelske parlament tre priser til den eller de, englændere eller udlændinge, der kunne udtænke og udvikle en nøjagtig og praktisk brugbar metode til bestemmelse af længdegraden til havs.

 

Den store 1. pris:

Med 20.000 pund (i dag svarende til flere millioner kroner) belønnes den metode, der kan bestemme et steds længdegrad med en usikkerhed på en halv grad af en storcirkel.

 

2. prisen:

Med 15.000 pund belønnes den metode, der kan bestemme et steds længdegrad med en usikker på to tredjedele grader af en storcirkel.

 

3. prisen:

Med 10.000 pund belønnes den metode, der kan bestemme et steds længdegrad med en usikker på en grad af en storcirkel.

 

For at vinde 1. prisen krævedes en praktisk anvendelig metode, der højst gav en navigationsfejl på omkring 50 km ved en sørejse over flere uger fra f.eks. England til Vest Indien.

 

Til bedømmelse af indkomne forslag blev der oprettet en Længdegrads-kommission (Board of Longitude) bestående af videnskabsmænd, søfartskyndige og medlemmer af det engelske parlament. Mange forslag, både seriøse som vandvittige, indkom til bedømmelse, men ingen blev taget seriøst før i 1735, da den selvlærte urmager John Harrison indleverede sit første mekaniske ur betegnet H1.

Længdegrads-kommissionen fungerede indtil 1828 som en officiel institution, der skulle stimulere og økonomisk støtte videnskabelig forskning og fattige opfindere. Da kommissionen blev opløst i 1828 havde den udbetalt over 100.000 pund.

 

For at vinde den store 1. pris ved hjælp af kronometer-metoden måtte et praktisk anvendeligt ur højst tabe eller vinde 3 sekunder på 24 timer. Dette betyder, at et ur højst må vise omkring to minutter fejl efter en sørejse på omkring seks uger. At det ville være muligt at konstruere et ur med den krævede nøjagtighed blev betvivlet af mange videnskabsmænd bl.a. Isaac Newton (1642-1727). Newton mente, at det ville være vanskeligt, måske umuligt, at konstruere et ur, der under varierende påvirkninger kunne måle tiden tilstrækkeligt præcist. Newton nævnte forhold som et skibs urolige bevægelser, ændringer i temperatur, fugtighed og tørke. Og for pendul-ure ville forskelle i tyngdekraften ændre på tidsmålingen.

Newton anså ’Måneafstands-metoden’ og ’Jupiter-måne-metoden’ for anvendelige. Men disse metoder krævede et meget detaljeret kendskab til Månens bevægelse i forhold til Solen og stjernerne og ligeledes skulle der benyttes nøjagtige stjernekort.

 

Newton nåede ikke at opleve, at det rent faktisk var et mekanisk ur, konstrueret af John Harrison, der løste længdegrads-problemet.    

 

 

 

Isaac Newton (1642-1727)

Newton tvivlede på, at det var muligt

at konstruere et robust og nøjagtigt gående

mekanisk ur, der kunne tåle en længere sørejse.

 

 

 

 

John Harrison – genial selvlært urmager

 

John Harrison blev født den 24. marts 1693 i Foulby i grevskabet Yorkshire i England. Han var ældste barn af ægteparret Elisabeth og Henry Harrison. Han blev storebror til fire søskende, heraf den elleve år yngre bror James, som senere i en periode hjalp storbroderen med at konstruere ure.  Da John Harrison blev født boede familien på godset Nostell Priory, som tilhørte en rig godsejer, og hvor faderen var ansat som tømrer og godsinspektør.

 

Da John Harrison var omkring fem år gammel flyttede familien til landsbyen Barrow i Lincolnshire, der lå på sydsiden af floden Humber. Her voksede John op. Af sin far lærte han snedker - og tømrerfaget. Han lærte også at spille på musikinstrumentet bratsch. Og han fik som job at ringe og at stemme kirkeklokkerne i Barrows sognekirker, hvor han siden også blev korleder.

 

Videbegærlig dreng. Selvlært urmager

Nogen længere skoleuddannelse fik John Harrison ikke, men han udviste stor videbegær. Måske er det forklaringen på, at han som nitten-årig, af en præst, lånte et skrift om naturvidenskab. Skriftet var en håndskrevet udgave af nogle forelæsninger, som matematikeren Nicholas Saunderson (1682-1739) havde holdt på universitetet i Cambridge. Harrison studerede dette skrift meget grundigt og mange gange, hvilket gav ham en forståelse af bevægelsens natur. Studierne har sikkert fået ham til at udtænke, hvordan mekanikken kan praktiseres i ure. Harrison stiftede også bekendtskab med Isaac Newtons mesterværk ’Principia’, der danner grundlaget for den matematiske naturbeskrivelse.

 

Harrisons første ure

I 1713 fremstillede John Harrison sit første pendulur, der næsten kun bestod af træ. I 1715 og 1717 konstruerede han endnu to ure af fortrinsvis træ. Harrison var ikke i lære som urmager, så alt tyder på, at han selv har sat sig ind i og udtænkt opbygningen og virkemåden af et ur. Det første ur og dele af de to andre findes på det lille urmagermuseum Guildhall i London.

I 1720 får Harrison til opgave at konstruerer et ur til et tårn på herregården i Brocklesby Park. Tårnuret blev indviet i 1722 og er stadig i funktion. 

 

To ægteskaber og tre børn

I 1718 giftede John Harrison sig med Elizabeth Barrel. Året efter fik de en søn, der fik navnet John ligesom faderen. I foråret 1727 døde hustruen, men allerede i november samme år ægtede Harrison den tolv år yngre kvinde Elizabeth Scott (1705-1777), med hvem han var gift i næsten halvtreds år. De fik to børn, sønnen William født i 1728 og datteren Elizabeth født i 1732. Sønnen John, fra Harrisons første ægteskab, døde i 1737, kun atten år gammel.

I 1749 fik John Harrison Copley-medaljen, en eftertragtet pris der er tildelt mange berømtheder bl.a. Benjamin Franklin og Albert Einstein.

Sønnen William blev sin fars store hjælp og støtte både i udviklingen af skibskronometrene og i kampen om længdegrads-prisen. Han døde i 1815. I 1765 blev han medlem af Royal Society, et medlemskab som faderen også var blevet tilbudt, men som han høfligt afslog.

 

John Harrison døde den 24. marts 1776 på sin 83 års fødselsdag. Han blev begravet på St. John’s Church i Hampstead, der ligger nogle kilometer fra Greenwich. Samme sted er også John Harrisons anden hustru Elizabeth og sønnen William begravet.

 

 

 

 

 

John Harrison (1693-1776)

Her med H4 kronometret, der opfyldte kravene til 

nøjagtig bestemmelse af længdegraden til søs.  

Maleri malet af Thomas King i 1766.

 

 

Harrisons første skibs-ur H1

Da John Harrison omkring 1725 blev bekendt med længdegrads-prisen, satte han sig for at vinde den. Han ville fremstille et ur, der skulle være det hidtil mest nøjagtige og samtidigt så robust, at det kunne tåle alle de påvirkninger, som et skib bliver udsat for på en længere sørejse.

 

I 1730 besøgte Harrison astronomen Edmond Halley (1656-1742), der i 1720 var blevet Englands anden kongelige astronom efter John Flamsteed. Da Halley som kongelig astronom automatisk var medlem af Længdegrads-kommissionen, mente Harrison at Halley måtte være den rette person at indvi sin ide om konstruktionen af et mekanisk ur. Selv om Halley var imponeret over Harrisons ide, så mente han ikke, at det ville være den rigtige løsning på længdegrads-problemet og ej heller mente han, at medlemmerne i Længdegrads-kommissionen umiddelbart ville gå ind for en sådan løsning. Medlemmerne i Længdegrads-kommissionen var nemlig fortrinsvis astronomer, matematikere og navigatører, og de mente at løsningen af længdegrads-problemet måtte findes i en udvikling og forbedring af den astronomiske navigation. 

 

Halley henviste Harrison til Englands kendte ur - og instrumentmager Georg Graham (1674-1751), hos hvem han kunne få sin ide fagligt vurderet.

Georg Graham, der var medlem af Royal Society, var i første omgang kritisk over for den selvlærte urmager, men efterhånden som Harrison redegjorde for sine ideer, blev Graham mere og mere imponeret. Det endte med, at Graham anbefalede og opmuntrede Harrison til at gå i gang med opgaven, og han gav Harrison et rentefrit lån af til dækning af udgifter.        

I 1730 begyndte John Harrison fremstillingen af et nøjagtigt gående mekanisk ur, der skulle kunne tåle de forskellige påvirkninger, som et skib kommer ud for på lange sørejser, såsom storme, temperaturændringer, luftfugtighed osv.

Først i 1735 blev John Harrison, hjulpet af sin bror James, færdig med det ur, der blev betegnet H1. John Harrison tog uret med til London for at vise det til Georg Graham. Denne blev så imponeret over uret, at han fremviste det for medlemmerne i Royal Society. Også her fik uret en rosende omtale, ikke mindst af astronomen Edmond Halley.

Hvis Harrison skulle vinde længdegrads-prisen, så skulle man ved anvendelse af hans ur opfylde de krav som var formuleret i Længdegradsloven. Uret skulle vise sig anvendeligt på en sørejse til Vestindien.

 

 

Harrisons første kronometer H1.

Bygget i perioden 1730 til 1735.

Uret vejer 36 kg og er 76 cm højt.

 

 

 

H1 på test-tur til Lissabon

I stedet for at sende H1 på en test-tur til Vestindien, så blev der arrangeret en tur til Lissabon. I maj måned 1736 gik John Harrison ombord på H.M.S. Centurion, hvor H1 var blevet installeret i kaptajn Proctors kahyt. Sejladsen foregik i stærk blæst, så Harrison var søsyg på det meste af rejsen, som varede næsten en uge.

Efter nogle dages ophold i Lissabon sejlede Harrison med skibet H.M.S. Oxford hjem til England. På sejladsen hjem kunne Harrison fortælle kaptajnen, at skibet var omkring 150 km vestligere end hvad kaptajnen troede. Så selv om sejlruten fortrinsvis var i syd/nord retning langs en længdegrad, så havde Harrisons ur allerede vist sig anvendeligt til bestemmelse af et steds længdegrad. 

Under prøveturen ud og hjem havde Harrisons ur kun vist en fejl på et par sekunder i døgnet.

 

Den 30. juni 1737 samledes Længdegrads-kommissionens medlemmer for allerførste gang siden udskrivelsen af længdegrads-prisen i 1714. På mødet skulle længdegrads-bestemmelse ved hjælp af Harrisons tidsmåler-metode vurderes. Sandsynligvis kunne H1-uret have vundet længdegrads-prisen, men det krævede at uret også kunne vise sig anvendeligt og gå nøjagtigt på en test-tur til Vestindien.

Som den eneste på mødet fremkom Harrison selv med forslag om, hvordan han kunne forbedre og formindske uret. Hvis han kunne få dækket nogle af udgifterne, så ville han gå i gang med at fremstille et forbedret ur. Kommissionen besluttede at give 500 pund, men så skulle Harrison også aflevere sine ure, så de kunne bruges af ’offentligheden’.

 

 

Harrisons kronometre H2 og H3

Det andet skibsur H2 blev Harrison færdig med i 1739. H2 kom ikke på nogen længere prøvetur til søs. Harrison testede det selv over en to-årig periode, samtidig med at han begyndte på fremstillingen af et tredje og forbedret ur, H3. Dette ur arbejdede han på i perioden 1739 til 1757.

I 1741 skrev han til Længdegrads-kommisionen og bad om yderligere økonomisk støtte. Han fik 500 pund. Som en yderligere påskønnelse af Harrisons store arbejde fik han i 1749 tildelt Copley Medaljen, dette selv om han ikke havde en akademisk videnskabelig uddannelse.

Som følge af Syvårskrigen (1756-1763) kom H3 heller ikke på en længere prøvesejlads.

Derimod begyndte Harrison i 1755 på det ur, H4, der er blevet kaldt navigations-historiens vigtigste ur.         

 

 

 

Harrisons andet søur H2.

Fremstillet mellem 1737 og 1739.

Vægt 36 kg og højde 66 cm.

 

 

 

 

Harrisons tredje kronometer H3.

Bygget mellem 1739 og 1757.

Vægt 24 kg og højde 53 cm.

 

 

 

Harrisons mesterstykke, kronometret H4

I sommeren 1760 præsenterede John Harrison for Længdegrads-kommissionen sit seneste mesterstykke af et ur. Der var tale om det ur, der blev betegnet H4. Det lignede et forstørret lommeur og var meget forskelligt fra de tidligere ure. H4 har en diameter på 13 cm og dets vægt

er på knap 1,5 kilogram. Ideen til urets udseende kan John Harrison meget vel have fået fra et lommeur han fik i 1753, og som var lavet af den engelske urmager John Jeffery. 

 

 

 

Harrisons mesterværk, det fjerde kronometer H4.

Et af navigationshistoriens vigtigste ure.

Fremstillet mellem 1755 og 1759.

Vægt 1,45 kg og diameter 13 cm.

 

H4 på test-sejlads til Jamaica og Barbados

Den 18. november 1761 afgik skibet H.M.S. Deptfort fra Portsmounth i England med kurs mod Vest Indien. Med på sejladsen var John Harrisons søn William, der skulle være med i testen af sin fars mekaniske ur H4, som var blevet færdiggjort i 1759. Længdegrads-kommissionen, der skulle afgøre om H4 uret opfyldte kravene til en af de udlovede priser, var meget krævende. Det blev forlangt at H4 skulle lukkes inde i en kasse med fire forskellige låse, og at fire personer hver skulle have en nøgle. William Harrison der skulle trække uret op en gang daglig fik således en nøgle. De tre andre nøgler blev overdraget til henholdsvis skibets kaptajn Dudley Digges, dennes premierløjtnant og William Lyttleton, der var nyudnævnt guvernør for Jamaica. Til at fastlægge lokaltiden på henholdsvis afrejsestedet Portsmouth og ankomststedet på Jamaica havde man ansat to astronomer. Den ene var ansvarlig for målingen af lokaltiden i Portsmouth. Den anden astronom, John Robison, var med på rejsen til Jamaica, hvor han skulle måle lokaltiden.

 

Den 19. januar 1762, efter næsten tre måneders sejlads over Atlanterhavet, ankom Deptford til Port Royal på Jamaica. Efter 81 dages sejlads havde H4 kun tabt 5 sekunder. John Harrisons H4 ur havde klaret testen over al forventning, og resultatet burde straks have udløst længdegrads-kommissionens store pris. Kommissionen var dog ikke indstillet på at uddele prisen, idet den mente, at der havde været fejl ved bestemmelserne af de lokale tider i England og på Jamaica. Og de forlangte også at John Harrison skulle redegøre for den detaljerede opbygning af sit H4 ur, således at andre kunne konstruere lignende ure, der var lige så nøjagtige.

Selv om Længdegrads-kommissionen ikke var villig til at udbetale hele beløbet af den store pris, så fik John Harrison dog 1.500 pund. Dette som en påskønnelse for opfindelsen af et mekanisk ur, der kunne være til stor nytte i det offentlige og private samfund.

Hvis H4-uret også kunne opfylde kravene ved en ny test-sejlads, så ville John Harrison få yderligere 1.000 pund.

En ny test blev planlagt at skulle foregå med skibet H.M.S. Tatar. Den 28. marts 1764 afsejlede skibet med kurs mod Barbados. Ombord var William med sin fars enestående ur H4. Efter 47 døgns sejlads ankom skibet til Barbados. H4-uret havde opsummeret en fejlvisning på knap 40 sekunder, dog tre gange under det krav som ville kunne udløse den store længdegrads-pris på 20.000 pund.

 

Besværlige konkurrenter. H4 testes på Det Kongelige Observatorium

Selv om John Harrisons H4 ur havde opfyldt længdegrads-prisens krav, så var Længegrads-kommissionens medlemmer ikke tilfredse. James Bradley (1693-1762), der var blevet kongelig astronom i 1742 efter Edmond Halley, mente stadig at måneafstands-metoden ville kunne løse længdegrads-problemet. Specielt ville metoden kunne vise sig praktisk anvendelig med de måne-tabeller som den tyske astronom Tobias Meyer (1723-1762) havde udarbejdet og i 1756 indsendt til Længdegrads-kommissionen. På grund af Syvårskrigen med Frankrig trak det ud med at teste metoden og tabellerne til søs. I 1761 blev Nevil Maskelyne af Længdegrads-kommissionen sendt til St. Helena med skibet Prince Henry. På turen skulle Maskelyne teste måneafstands-metoden og Tobias Meyers måne-tabeller. Efter test-sejladsen vurderede Maskelyne, at metoden var anvendelig og tilstrækkelig nøjagtig til at Bradley og Meyer måtte være kandidater til længdegrads-prisen.

I 1762 døde både James Bradley og Tobias Meyer.

Længdegrads-kommissionen udbetalte 3000 pund til både Tobias Meyers enke og til den schweiziske matematiker og astronom Leonhard Euler (1707-1783), der havde udarbejdet en matematisk teori for Månens bevægelse.

     

Nevil Maskelyne blev i 1765 udnævnt til kongelig astronom, idet han efterfulgte James Bradley.

Med denne stilling var han automatisk medlem af Længdegrads-kommissionen, og dermed var

han med til at skulle vurdere resultatet af testen af Harrisons H4 ur. Maskelyne satte stadig spørgsmålstegn ved urets stabilitet og nøjagtighed. En yderligere test skulle derfor foretages på

det Kongelige Observatorium. Her blev H4 anbragt i perioden fra maj 1766 til marts 1767, svarende til seks sørejser af seks ugers varighed. Denne på land udførte test faldt ikke heldigt ud. I perioder vandt uret omkring 20 sekunder i døgnet. Årsagen kunne være, at uret havde taget skade, da det blev skilt ad og fremvist for nogle udvalgte personer. Der var også mistanke om, at Maskelyne behandlede uret for hårdhændet, når han skulle trække det op. Ligeledes blev det nogle gange placeret i bagende sol.

 

Kendalls kopi-ur testes på James Cooks anden sørejse

Længdegrads-kommissionen ville være sikker på at H4 kunne fremstilles i flere kopier. Derfor bad kommissionen urmageren Larcum Kendall (1719-1790) om at fremstille en kopi af H4. Kopien, betegnet K1, blev i januar 1770, efter to og et halvt års arbejde afleveret til kommissionen. For sit arbejde fik Kendall 500 pund af Længdegrads-kommissionen.

 

Den store opdagelsesrejsende James Cook (1728-1779) havde Kendalls ur K1 med på skibet H.M.S. Resolution, da han foretog sin anden jordomsejling i årene fra 1772 til 1775. Også tre andre ure fremstillet af urmageren John Arnold (1736-1799) var med på sørejsen. James Cook havde mange rosende ord om K1, som han kaldte ”vor trofaste ven” og ”vor aldrig svigtende fører”.

James Cook havde også K1 med på sin tredje skæbnesvangre ekspedition, der begyndte 12. juli 1776 og endte i 1779, da han blev dræbt af indbyggere på Hawaii-øerne.

 

 

 

Harrisons H5 ur testes på Kong Georg III’s observatorium

I 1770 blev Harrison færdig med at fremstille uret H5, der var en kopi af det fantastiske ur H4.

Det var meningen at H5 skulle testes af personer udpeget af Længdegrads-kommission. Men den aldrende Harrrisons tålmodighed var brugt op. Han følte sig uretfærdig behandlet og som sidste mulighed, inddrog han selveste kongen i stridighederne.

Den engelske Kong Georg III var aktivt interesseret i naturvidenskab og astronomi. I 1769 åbnede han et privat observatorium i Richmond. Dette gav mulighed for at se den sjældne Venus-passage

i juni 1769. (Venus-passage: Dvs. hvor planeten Venus bevæger sig hen foran solen og ses som

en rund mørk plet, der vandrer hen over solskiven).

 

I 1772 skrev John Harrisons søn William et brev til kongen. I brevet fremlagde sønnen de problemer, der havde været mellem faderen og Længdegrads-kommissionen. Han forespurgte om det var muligt at få afprøvet kopi-uret H5 på kongens observatorium i Richmond. Efter samtaler med kongen blev det besluttet, at H5 skulle underkastes en test af seks ugers varighed på kongens observatorium. H5 blev låst inde i en kasse med tre låse. De tre nøgler blev fordelt mellem William Harrison, Kong Georg og direktøren for observatoriet S.C.T. Demainbray (1710-82). Hver dag ved middagstid mødtes de tre mænd, dels for at trække uret op, og dels for at sammenligne dets nøjagtighed med et andet reference-ur.

H5-urets nøjagtighed viste sig i begyndelsen af prøvetiden at være meget dårlig. Uret både tabte og vandt tid, hvilket var helt uforståeligt for William og John Harrison. Den uregelmæssige gang af uret viste sig at være forårsaget af nogle magnetjernsten, som lå i et skab i nærheden af uret. Kongen besluttede derfor at forlænge afprøvningen i yderligere ti uger mellem maj og juli 1772. I løbet af denne periode gik uret med kun en fejlvisning på omkring et sekund i døgnet. Kopi-uret havde således, som også H4, opfyldt kravene til at få længdegrads-prisen.

 

Kongens indgriben udløser prispenge 

Efter afprøvningen af H5 henvendte Kong Georg III sig til premierminister Lord North og Parlamentet for at få dem til at hjælpe Harrison med den retfærdighed, som han var berettiget til. Den 24. april 1773 afholdtes et møde i Længdegrads-kommissionen, hvor hele ’Harrison-sagen’ blev diskuteret. Mødet blev overværet af to medlemmer af Parlamentet, der tre dage senere debatterede det samme emne. Resultatet af mødet blev en vedtagelse af, at Harrison skulle have restbeløbet af den pris han havde fortjent. I slutningen af juni 1773 modtog John Harrison 8750 pund. Med de tidligere udbetalte beløb havde han i alt modtaget 22.750 pund.

 

Masseproduktion af kronometre

John Harrison havde vist, at det var muligt at konstruere mekaniske ure, der kunne benyttes ved navigationen til søs. Harrisons ure var dog meget kostbare og ikke lige til at masseproducere. Hvis alle skibe skulle udstyres med kronometre, som søurene efterhånden kom til at hedde, så måtte der en udvikling til som gav mulighed for masseproduktion og lavere priser. Udviklingen af billigere kronometre, der kunne masseproduceres, foregik i de næste hundrede år.

Den første der begyndte at masseproducere kronometre var englænderen John Arnold (1736-1799), der i 1785 åbnede en fabrik i det sydlige London. En anden masseproducent af kronometre var Thomas Earnshaw (1749-1829). De to urmagere konkurrerede om at fremstille de bedste og billigste kronometre. I 1780’erne kostede et af Arnolds kronometre omkring 80 pund, mens Earnshaw kunne sælge et for omkring 65 pund.

Udover at konkurrere på priser, så kom de to urmagere i skænderi om, hvem af dem, der først havde opfundet det fjederbaserede hæmværk, der kaldes kronometergangen.

 

Efterhånden blev der installeret kronometre på alle skibe. Således voksede antallet af kronometre fra en i 1737 til omkring fem tusind i 1815. Omkring 1860 havde Englands Kongelige Marine næsten otte hundrede kronometre til deres knap to hundrede skibe.

 

 

 

Teknisk genialitet løste længdegrads-problemet

John Harrison havde efter mange årtiers konkurrence og genvordigheder med tidens bedste videnskabsmænd vundet den store længdegrads-pris. Han havde med sin tekniske genialitet

og indsigt fremstillet et mekanisk ur, der gav løsningen på navigationens store spørgsmål:

Hvordan kan man bestemme den nøjagtige længde-grad til søs? 

 

Louis Nielsen, februar 2006