Historia de la longitud - History of longitude
La historia de la longitud es un registro del esfuerzo de astrónomos, cartógrafos y navegantes a lo largo de los siglos por descubrir un medio para determinar la longitud .
La medición de la longitud es importante tanto para la cartografía como para la navegación , en particular para proporcionar una navegación oceánica segura. Se requería conocimiento tanto de latitud como de longitud. Encontrar un método preciso y confiable para determinar la longitud requirió siglos de estudio e involucró a algunas de las mentes científicas más importantes de la historia de la humanidad. Hoy en día, el problema de la longitud se ha resuelto con precisión centimétrica a través de la navegación por satélite .
Longitud antes del telescopio
Eratóstenes en el siglo III a. C. propuso por primera vez un sistema de latitud y longitud para un mapa del mundo. Su primer meridiano (línea de longitud) pasaba por Alejandría y Rodas , mientras que sus paralelos (líneas de latitud) no estaban espaciados regularmente, sino que pasaban por lugares conocidos, a menudo a expensas de ser líneas rectas. En el siglo II a. C., Hiparco estaba usando un sistema de coordenadas sistemático, basado en dividir el círculo en 360 °, para especificar lugares de la Tierra de manera única. Entonces, las longitudes podrían expresarse como grados al este u oeste del meridiano principal, como lo hacemos hoy (aunque el meridiano principal es diferente). También propuso un método para determinar la longitud comparando la hora local de un eclipse lunar en dos lugares diferentes, para obtener la diferencia de longitud entre ellos. Este método no fue muy preciso, dadas las limitaciones de los relojes disponibles, y rara vez se hizo, posiblemente solo una vez, utilizando el eclipse de Arbela de 330 a. C. Pero el método es sólido, y este es el primer reconocimiento de que la longitud se puede determinar mediante un conocimiento preciso del tiempo.
Ptolomeo , en el siglo II d.C., basó su sistema de mapas en distancias y direcciones estimadas informadas por los viajeros. Hasta entonces, todos los mapas habían utilizado una cuadrícula rectangular con la latitud y la longitud como líneas rectas que se cruzaban en ángulos rectos. Para un área grande, esto conduce a una distorsión inaceptable, y para su mapa del mundo habitado, Ptolomeo usó proyecciones (para usar el término moderno) con paralelos curvos que redujeron la distorsión. No existen mapas (o manuscritos de su trabajo) que sean más antiguos que el siglo XIII, pero en su Geografía dio instrucciones detalladas y coordenadas de latitud y longitud para cientos de ubicaciones que son suficientes para recrear los mapas. Si bien el sistema de Ptolomeo está bien fundado, los datos reales utilizados son de calidad muy variable, lo que genera muchas inexactitudes y distorsiones. Aparte de las dificultades para estimar distancias y direcciones rectilíneas, la más importante de ellas es una sobreestimación sistemática de las diferencias de longitud. Así, según las tablas de Ptolomeo, la diferencia de longitud entre Gibraltar y Sidón es de 59 ° 40 ', en comparación con el valor moderno de 40 ° 23', aproximadamente un 48% demasiado alto. Luccio (2013) ha analizado estas discrepancias y concluye que gran parte del error surge del uso de Ptolomeo de una estimación mucho más pequeña del tamaño de la tierra que la dada por Eratóstenes: 500 estadios al grado en lugar de 700 (aunque Eratóstenes no lo haría). han utilizado grados). Dadas las dificultades de las medidas astronómicas de longitud en la época clásica, la mayoría, si no todos, de los valores de Ptolomeo se habrían obtenido a partir de medidas de distancia y se habrían convertido a longitud utilizando el valor 500. El resultado de Eratóstenes está más cerca del valor real que el de Ptolomeo.
Los antiguos astrónomos hindúes conocían el método para determinar la longitud de los eclipses lunares, asumiendo una tierra esférica. El método se describe en el Sûrya Siddhânta , un tratado en sánscrito sobre astronomía india que se cree que data de finales del siglo IV o principios del siglo V d.C. Las longitudes se refieren a un primer meridiano que pasa por Avantī, el moderno Ujjain . Las posiciones relativas a este meridiano se expresaron en términos de diferencias de longitud o tiempo, pero no en grados, que no se usaban en la India en este momento. No está claro si este método se utilizó realmente en la práctica.
Los eruditos islámicos conocían la obra de Ptolomeo desde al menos el siglo IX d.C., cuando se realizó la primera traducción de su Geografía al árabe. Se le tenía en alta estima, aunque se conocían sus errores. Uno de sus desarrollos fue la construcción de tablas de ubicaciones geográficas, con latitudes y longitudes, que se sumaron al material provisto por Ptolomeo, y en algunos casos lo mejoraron. En la mayoría de los casos, no se dan los métodos utilizados para determinar las longitudes, pero hay algunas cuentas que dan detalles. Al-Battānī en 901 registró observaciones simultáneas de dos eclipses lunares en dos lugares , comparando Antakya con Raqqa . Esto permitió determinar la diferencia de longitud entre las dos ciudades con un error de menos de 1 °. Se considera que esto es lo mejor que se puede lograr con los métodos disponibles en ese momento: observación del eclipse a simple vista y determinación de la hora local utilizando un astrolabio para medir la altitud de una "estrella de reloj" adecuada. Al-Bīrūnī , a principios del siglo XI d.C., también usó datos de eclipses, pero desarrolló un método alternativo que involucraba una forma temprana de triangulación. Para dos ubicaciones que difieren tanto en longitud como en latitud, si se conocen las latitudes y la distancia entre ellas, así como el tamaño de la Tierra, es posible calcular la diferencia de longitud. Con este método, al-Bīrūnī calculó la diferencia de longitud entre Bagdad y Ghazni utilizando estimaciones de distancia de viajeros en dos rutas diferentes (y con un ajuste algo arbitrario por la irregularidad de las carreteras). Su resultado para la diferencia de longitud entre las dos ciudades difiere en aproximadamente 1 ° del valor moderno. Mercier (1992) señala que se trata de una mejora sustancial con respecto a Ptolomeo, y que no se produciría una mejora adicional comparable en la precisión hasta el siglo XVII en Europa.
Mientras que el conocimiento de Ptolomeo (y más en general de la ciencia y la filosofía griegas) estaba creciendo en el mundo islámico, estaba disminuyendo en Europa. El resumen de John Kirtland Wright (1925) es sombrío: "Podemos pasar por alto la geografía matemática del período cristiano [en Europa] antes de 1100; no se hicieron descubrimientos ni hubo intentos de aplicar los resultados de descubrimientos más antiguos. .. Ptolomeo fue olvidado y los trabajos de los árabes en este campo eran aún desconocidos ". No todo estaba perdido u olvidado; Beda en su De naturum rerum afirma la esfericidad de la tierra. Pero sus argumentos son los de Aristóteles , tomados de Plinio . Bede no agrega nada original. Hay más nota en el período medieval tardío. Wright (1923) cita una descripción de Walcher de Malvern de un eclipse lunar en Italia (19 de octubre de 1094), que ocurrió poco antes del amanecer. A su regreso a Inglaterra, comparó notas con otros monjes para establecer la hora de su observación, que era antes de la medianoche. La comparación fue demasiado casual para permitir una medición de las diferencias de longitud, pero el relato muestra que el principio todavía se entendía. En el siglo XII, se prepararon tablas astronómicas para varias ciudades europeas, basadas en el trabajo de al-Zarqālī en Toledo . Estos debían adaptarse al meridiano de cada ciudad, y se registra que el eclipse lunar del 12 de septiembre de 1178 sirvió para establecer las diferencias de longitud entre Toledo, Marsella y Hereford . Las tablas de Hereford también agregaron una lista de más de 70 ubicaciones, muchas en el mundo islámico, con sus longitudes y latitudes. Estos representan una gran mejora en las tabulaciones similares de Ptolomeo. Por ejemplo, las longitudes de Ceuta y Tiro se dan como 8 ° y 57 ° (al este del meridiano de Canarias), una diferencia de 49 °, en comparación con el valor moderno de 40,5 °, una sobreestimación de menos del 20%. . En general, el período medieval tardío está marcado por un aumento del interés por la geografía y de la voluntad de hacer observaciones, estimulado tanto por el aumento de los viajes (incluidas las peregrinaciones y las cruzadas ) como por la disponibilidad de fuentes islámicas a partir del contacto con España y España. África del Norte Al final del período medieval, la obra de Ptolomeo estuvo directamente disponible con las traducciones realizadas en Florencia a finales del siglo XIV y principios del XV.
Los siglos XV y XVI fueron la época de los viajes de descubrimiento y conquista portugueses y españoles . En particular, la llegada de europeos al Nuevo Mundo llevó a cuestionar dónde estaban realmente. Cristóbal Colón hizo dos intentos de utilizar los eclipses lunares para descubrir su longitud. El primero fue en Isla Saona , ahora en República Dominicana , durante su segundo viaje. Escribió: "En el año 1494, cuando estaba en la isla Saona, que se encuentra en el extremo oriental de la isla Española (es decir, Hispaniola ), hubo un eclipse lunar el 14 de septiembre, y notamos que había una diferencia de más de cinco horas y media entre allí [Saona] y el Cabo S. Vicente, en Portugal ". No pudo comparar sus observaciones con las de Europa, y se supone que utilizó tablas astronómicas como referencia. El segundo fue en la costa norte de Jamaica el 29 de febrero de 1504 (durante su cuarto viaje). Sus determinaciones de longitud mostraron grandes errores de 13 y 38 ° W respectivamente. Randles (1985) documenta la medición de la longitud por portugueses y españoles entre 1514 y 1627 tanto en América como en Asia. Los errores variaron de 2 a 25 °.
Telescopios y relojes
En 1608 se presentó una patente al gobierno de los Países Bajos para un telescopio refractor. La idea fue recogida, entre otros, por Galileo, quien hizo su primer telescopio al año siguiente y comenzó su serie de descubrimientos astronómicos que incluyeron los satélites de Júpiter, las fases de Venus y la resolución de la Vía Láctea en estrellas individuales. Durante el siguiente medio siglo, las mejoras en la óptica y el uso de montajes calibrados, rejillas ópticas y micrómetros para ajustar las posiciones transformaron el telescopio de un dispositivo de observación a una herramienta de medición precisa. También aumentó en gran medida la variedad de eventos que se podían observar para determinar la longitud.
El segundo desarrollo técnico importante para la determinación de la longitud fue el reloj de péndulo , patentado por Christiaan Huygens en 1657. Esto dio un aumento en la precisión de aproximadamente 30 veces con respecto a los relojes mecánicos anteriores: los mejores relojes de péndulo tenían una precisión de aproximadamente 10 segundos por día. Desde el principio, Huygens tenía la intención de que sus relojes se usaran para determinar la longitud en el mar. Sin embargo, los relojes de péndulo no toleraban suficientemente bien el movimiento de un barco y, tras una serie de pruebas, se llegó a la conclusión de que serían necesarios otros enfoques. El futuro de los relojes de péndulo estaría en tierra. Junto con los instrumentos telescópicos, revolucionarían la astronomía observacional y la cartografía en los próximos años. Huygens también fue el primero en utilizar un resorte de equilibrio como oscilador en un reloj en funcionamiento, y esto permitió fabricar relojes portátiles precisos. Pero no fue hasta el trabajo de John Harrison que dichos relojes se volvieron lo suficientemente precisos como para ser utilizados como cronómetros marinos .
Métodos para determinar la longitud
El desarrollo del telescopio y los relojes precisos aumentaron la gama de métodos que podrían usarse para determinar la longitud. Con una excepción (declinación magnética), todos dependen de un principio común, que era determinar un tiempo absoluto a partir de un evento o medición y comparar el tiempo local correspondiente en dos lugares diferentes. (Absoluto aquí se refiere a una hora que es la misma para un observador en cualquier lugar de la tierra.) Cada hora de diferencia de la hora local corresponde a un cambio de longitud de 15 grados (360 grados divididos por 24 horas).
El mediodía local se define como la hora a la que el sol está en el punto más alto del cielo. Esto es difícil de determinar directamente, ya que el movimiento aparente del sol es casi horizontal al mediodía. El enfoque habitual era tomar el punto medio entre dos momentos en los que el sol estaba a la misma altura. Con un horizonte despejado, se podría utilizar el punto medio entre el amanecer y el atardecer. Por la noche, la hora local podría obtenerse a partir de la rotación aparente de las estrellas alrededor del polo celeste, ya sea midiendo la altitud de una estrella adecuada con un sextante o el tránsito de una estrella a través del meridiano utilizando un instrumento de tránsito.
Para determinar la medida del tiempo absoluto, se siguieron utilizando los eclipses lunares. Otros métodos propuestos incluyeron:
Distancias lunares
Esta es la primera propuesta que se sugirió por primera vez en una carta de Amerigo Vespucci en referencia a las observaciones que hizo en 1499. El método fue publicado por Johannes Werner en 1514 y discutido en detalle por Petrus Apianus en 1524. El método depende del movimiento de la luna en relación con las estrellas "fijas", que completa un circuito de 360 ° en 27,3 días en promedio (un mes lunar), dando un movimiento observado de poco más de 0,5 ° / hora. Por lo tanto, se requiere una medición precisa del ángulo, ya que 2 minutos de arco (1/30 °) de diferencia en el ángulo entre la luna y la estrella seleccionada corresponden a una diferencia de 1 ° en la longitud - 60 millas náuticas (110 km) en El ecuador. El método también requería tablas precisas, que eran complejas de construir, ya que debían tener en cuenta el paralaje y las diversas fuentes de irregularidad en la órbita de la luna. Ni los instrumentos de medición ni las tablas astronómicas eran lo suficientemente precisos a principios del siglo XVI. El intento de Vespucci de utilizar el método lo situó a 82 ° Oeste de Cádiz , cuando en realidad estaba a menos de 40 ° Oeste de Cádiz, en la costa norte de Brasil.
Satélites de Júpiter
En 1612, habiendo determinado los períodos orbitales de los cuatro satélites más brillantes de Júpiter ( Io, Europa, Ganímedes y Calisto ), Galileo propuso que con un conocimiento suficientemente preciso de sus órbitas se podría utilizar sus posiciones como un reloj universal, lo que haría posible la determinación de longitud. Trabajó en este problema de vez en cuando durante el resto de su vida.
El método requería un telescopio, ya que las lunas no son visibles a simple vista. Para su uso en la navegación marina, Galileo propuso el celatone , un dispositivo en forma de casco con un telescopio montado para adaptarse al movimiento del observador en el barco. Esto fue reemplazado más tarde por la idea de un par de conchas hemisféricas anidadas separadas por un baño de aceite. Esto proporcionaría una plataforma que permitiría al observador permanecer inmóvil mientras la nave rodaba debajo de él, a la manera de una plataforma con cardán . Para prever la determinación del tiempo a partir de las posiciones de las lunas observadas, se ofreció un Jovilabe ; se trataba de una computadora analógica que calculaba el tiempo a partir de las posiciones y que recibió su nombre de sus similitudes con un astrolabio . Los problemas prácticos eran graves y el método nunca se utilizó en el mar.
En tierra, este método resultó útil y preciso. Un ejemplo temprano fue la medición de la longitud del sitio del antiguo observatorio de Tycho Brahe en la isla de Hven . Jean Picard en Hven y Cassini en París hizo observaciones durante 1671 y 1672, y obtuvo un valor de 42 minutos 10 segundos (tiempo) al este de París, correspondiente a 10 ° 32 '30 ", aproximadamente 12 minutos de arco (1/5 ° ) más alto que el valor moderno.
Appulses y ocultaciones
Dos métodos propuestos dependen de los movimientos relativos de la luna y una estrella o planeta. Un appulse es la distancia menos aparente entre los dos objetos, una ocultación ocurre cuando la estrella o el planeta pasa detrás de la luna, esencialmente un tipo de eclipse. Los tiempos de cualquiera de estos eventos se pueden usar como la medida del tiempo absoluto de la misma manera que con un eclipse lunar. Edmond Halley describió el uso de este método para determinar la longitud de Balasore en la India, utilizando observaciones de la estrella Aldebarán (el "ojo de buey", siendo la estrella más brillante de la constelación de Tauro ) en 1680, con un error de poco más de medio metro. la licenciatura. Publicó una descripción más detallada del método en 1717. James Pound describió una determinación de la longitud utilizando la ocultación de un planeta, Júpiter , en 1714.
Cronómetros
La primera en sugerir viajar con un reloj para determinar la longitud, en 1530, fue Gemma Frisius , médica, matemática, cartógrafa, filósofa y fabricante de instrumentos de los Países Bajos. El reloj se pondría en la hora local de un punto de partida cuya longitud se conociera, y la longitud de cualquier otro lugar podría determinarse comparando su hora local con la hora del reloj. Si bien el método es perfectamente sólido y fue estimulado en parte por las recientes mejoras en la precisión de los relojes mecánicos, aún requiere un cronometraje mucho más preciso que el disponible en la época de Frisius. El término cronómetro no se utilizó hasta el siglo siguiente, y pasarían más de dos siglos antes de que se convirtiera en el método estándar para determinar la longitud en el mar.
Declinación magnética
Este método se basa en la observación de que, en general, la aguja de una brújula no apunta exactamente al norte. El ángulo entre el norte verdadero y la dirección de la aguja de la brújula (norte magnético) se denomina declinación o variación magnética , y su valor varía de un lugar a otro. Varios escritores propusieron que el tamaño de la declinación magnética podría usarse para determinar la longitud. Mercator sugirió que el polo norte magnético era una isla en la longitud de las Azores, donde la declinación magnética era, en ese momento, cercana a cero. Estas ideas fueron apoyadas por Michiel Coignet en su Instrucción Náutica .
Halley realizó extensos estudios sobre la variación magnética durante sus viajes en el Paramour rosa . Publicó el primer gráfico que muestra líneas isogónicas (líneas de igual declinación magnética) en 1701. Uno de los propósitos del gráfico era ayudar a determinar la longitud, pero el método finalmente fracasó, ya que los cambios en la declinación magnética a lo largo del tiempo demostraron ser demasiado grandes y demasiado poco fiable para proporcionar una base para la navegación.
Tierra y mar
Las medidas de longitud en tierra y mar se complementaron entre sí. Como señaló Edmond Halley en 1717, "pero como sería innecesario preguntar exactamente en qué longitud se encuentra un barco, cuando aún se desconoce el puerto al que se dirige, es de desear que los príncipes de la tierra hacer que se hagan tales observaciones, en los puertos y en las principales cabeceras de sus dominios, cada uno por lo suyo, como para establecer de una vez por todas los límites de la tierra y el mar ". Pero las determinaciones de la longitud en tierra y mar no se desarrollaron en paralelo.
En tierra, el período desde el desarrollo de los telescopios y los relojes de péndulo hasta mediados del siglo XVIII vio un aumento constante en el número de lugares cuya longitud se había determinado con una precisión razonable, a menudo con errores de menos de un grado, y casi siempre dentro de 2-3 °. En la década de 1720, los errores eran consistentemente inferiores a 1 °.
En el mar durante el mismo período, la situación fue muy diferente. Dos problemas resultaron insolubles. El primero fue la necesidad de obtener resultados inmediatos. En tierra, un astrónomo de, digamos, Cambridge, Massachusetts, podría esperar el próximo eclipse lunar que sería visible tanto en Cambridge como en Londres; poner un reloj de péndulo a la hora local unos días antes del eclipse; cronometra los eventos del eclipse; enviar los detalles al otro lado del Atlántico y esperar semanas o meses para comparar los resultados con un colega de Londres que había hecho observaciones similares; calcular la longitud de Cambridge; luego envíe los resultados para su publicación, que podría ser uno o dos años después del eclipse. Y si Cambridge o Londres no tenían visibilidad debido a las nubes, espere el próximo eclipse. El navegante marino necesitaba los resultados rápidamente. El segundo problema fue el medio marino. Hacer observaciones precisas en un oleaje oceánico es mucho más difícil que en tierra, y los relojes de péndulo no funcionan bien en estas condiciones. Por lo tanto, la longitud en el mar solo se podía estimar a partir de la navegación a estima (RD), utilizando estimaciones de velocidad y rumbo desde una posición de partida conocida, en un momento en que la determinación de la longitud en tierra era cada vez más precisa.
Con el fin de evitar problemas por no conocer la posición de uno con precisión, los navegantes han confiado, en la medida de lo posible, en aprovechar su conocimiento de la latitud. Navegarían hasta la latitud de su destino, girarían hacia su destino y seguirían una línea de latitud constante. Esto se conocía como correr hacia el oeste (si se dirige hacia el oeste, en caso contrario , hacia el este ). Esto impedía que un barco tomara la ruta más directa (un gran círculo ) o una ruta con los vientos y corrientes más favorables, extendiendo el viaje por días o incluso semanas. Esto aumentó la probabilidad de raciones cortas, lo que podría provocar problemas de salud o incluso la muerte de los miembros de la tripulación debido al escorbuto o la inanición, con el consiguiente riesgo para el barco.
Un famoso error de longitud que tuvo consecuencias desastrosas ocurrió en abril de 1741. George Anson , al mando del HMS Centurion , estaba rodeando el Cabo de Hornos de este a oeste. Creyendo que había pasado el Cabo, se dirigió hacia el norte, solo para encontrar la tierra más adelante. Una corriente del este particularmente fuerte lo había puesto bien al este de su posición a estima, y tuvo que reanudar su curso hacia el oeste durante varios días. Cuando finalmente pasó el Cuerno, se dirigió al norte hacia las islas Juan Fernández , para hacerse con suministros y relevar a su tripulación, muchos de los cuales estaban enfermos de escorbuto. Al llegar a la latitud de Juan Fernández, no sabía si las islas estaban al este o al oeste, y pasó 10 días navegando primero hacia el este y luego hacia el oeste antes de llegar finalmente a las islas. Durante este tiempo, más de la mitad de la tripulación del barco murió de escorbuto.
Iniciativas gubernamentales
En respuesta a los problemas de la navegación, varias potencias marítimas europeas ofrecieron premios por un método para determinar la longitud en el mar. España fue el primero en ofrecer una recompensa por una solución en 1567, que se incrementó a una pensión permanente en 1598. Holanda ofreció 30.000 florines a principios del siglo XVII. Ninguno de estos premios produjo una solución.
La segunda mitad del siglo XVII vio la fundación de dos observatorios, uno en París y el otro en Londres. El Observatorio de París fue el primero, fundado como una rama de la Académie des Sciences francesa en 1667. El edificio del Observatorio, al sur de París, se completó en 1672. Entre los primeros astrónomos se encontraban Jean Picard , Christiaan Huygens y Dominique Cassini . El Observatorio no se creó para ningún proyecto específico, pero pronto se involucró en la encuesta de Francia que llevó (después de muchas demoras debido a guerras y ministerios poco comprensivos) al primer mapa de Francia de la Academia en 1744. La encuesta utilizó una combinación de triangulación y observaciones astronómicas, con los satélites de Júpiter utilizados para determinar la longitud. En 1684, se habían obtenido datos suficientes para mostrar que los mapas anteriores de Francia tenían un gran error de longitud, mostrando la costa atlántica demasiado al oeste. De hecho, se descubrió que Francia era sustancialmente más pequeña de lo que se pensaba.
El Observatorio Real de Greenwich , al este de Londres, se estableció unos años más tarde, en 1675, y se estableció explícitamente para abordar el problema de la longitud. John Flamsteed , el primer Astrónomo Real recibió instrucciones de "dedicarse con sumo cuidado y diligencia a rectificar las tablas de los movimientos de los cielos y los lugares de las estrellas fijas, a fin de averiguar la longitud tan deseada". de lugares para perfeccionar el arte de la navegación ". El trabajo inicial fue catalogar las estrellas y su posición, y Flamsteed creó un catálogo de 3.310 estrellas, que formó la base para el trabajo futuro.
Si bien el catálogo de Flamsteed era importante, en sí mismo no proporcionaba una solución. En 1714, el Parlamento británico aprobó una "Ley para otorgar una recompensa pública a la persona o personas que descubran la longitud en el mar" y estableció una junta para administrar la recompensa. Las recompensas dependían de la precisión del método: desde £ 10,000 (equivalente a £ 1,456,000 en 2019) por una precisión dentro de un grado de latitud (60 millas náuticas (110 km) en el ecuador) a £ 20,000 (equivalente a £ 2,912,000 en 2019) para una precisión de medio grado.
Este premio a su debido tiempo produjo dos soluciones viables. La primera fueron las distancias lunares, que requirieron una observación cuidadosa, tablas precisas y cálculos bastante largos. Tobias Mayer había elaborado tablas basadas en sus propias observaciones de la luna, y las envió a la Junta en 1755. Se encontró que estas observaciones daban la precisión requerida, aunque los largos cálculos requeridos (hasta cuatro horas) eran una barrera para el uso rutinario . La viuda de Mayer a su debido tiempo recibió un premio de la Junta. Nevil Maskelyne , el recién nombrado Astrónomo Real que estaba en la Junta de Longitud, comenzó con las tablas de Mayer y después de sus propios experimentos en el mar probando el método de la distancia lunar, propuso la publicación anual de predicciones de la distancia lunar precalculadas en un almanaque náutico oficial para el propósito de encontrar la longitud en el mar. Siendo muy entusiasta por el método de la distancia lunar, Maskelyne y su equipo de computadoras trabajaron febrilmente durante el año 1766, preparando tablas para el nuevo Almanaque Náutico y Efemérides Astronómicas. Publicado primero con datos para el año 1767, incluía tablas diarias de las posiciones del Sol, la Luna y los planetas y otros datos astronómicos, así como tablas de distancias lunares que dan la distancia de la Luna al Sol y nueve estrellas adecuadas para observaciones lunares (diez estrellas durante los primeros años). Más tarde, esta publicación se convirtió en el almanaque estándar para los navegantes de todo el mundo. Dado que se basó en el Observatorio Real, ayudó a llevar a la adopción internacional un siglo después del Meridiano de Greenwich como estándar internacional.
El segundo método fue el uso de cronómetro . Muchos, incluido Isaac Newton , eran pesimistas de que alguna vez se pudiera desarrollar un reloj con la precisión requerida. Un grado de longitud equivale a cuatro minutos de tiempo, por lo que la precisión requerida es de unos pocos segundos al día. En ese momento, no había relojes que pudieran acercarse a mantener una hora tan precisa mientras estaban sujetos a las condiciones de un barco en movimiento. John Harrison , un carpintero y relojero de Yorkshire, creía que se podía hacer y pasó más de tres décadas probándolo.
Harrison construyó cinco cronómetros, dos de los cuales se probaron en el mar. Su primero, H-1, no fue probado bajo las condiciones requeridas por la Junta de Longitud. En cambio, el Almirantazgo requirió que viajara a Lisboa y regresara. Perdió un tiempo considerable en el viaje de ida, pero se desempeñó de manera excelente en el tramo de regreso, que no formó parte de la prueba oficial. El perfeccionista de Harrison le impidió enviarlo en la prueba requerida a las Indias Occidentales (y, en cualquier caso, se consideró demasiado grande y poco práctico para el uso del servicio). En cambio, se embarcó en la construcción de H-2. Este cronómetro nunca se hizo a la mar, y fue seguido inmediatamente por H-3. Durante la construcción del H-3 , Harrison se dio cuenta de que la pérdida de tiempo del H-1 en el viaje de ida a Lisboa se debía a que el mecanismo perdía tiempo cada vez que el barco se acercaba al virar por el Canal de la Mancha. Harrison produjo el H-4 , con un mecanismo completamente diferente, que logró su prueba en el mar y cumplió con todos los requisitos para el Premio de Longitud. Sin embargo, la Junta no le otorgó el premio y se vio obligado a luchar por su recompensa, recibiendo finalmente el pago en 1773, tras la intervención del parlamento.
Los franceses también estaban muy interesados en el problema de la Longitud, y la Academia examinó propuestas y también ofreció premios en metálico, particularmente después de 1748. Inicialmente, los evaluadores estuvieron dominados por el astrónomo Pierre Bouguer, quien se opuso a la idea de los cronómetros, pero después de su muerte en 1758 se consideraron enfoques tanto astronómicos como mecánicos. Dominaban dos relojeros, Ferdinand Berthoud y Pierre Le Roy . Se llevaron a cabo cuatro pruebas en el mar entre 1767 y 1772, evaluando las distancias lunares, así como una variedad de cronometradores. Los resultados de ambos enfoques mejoraron constantemente a medida que avanzaban las pruebas, y ambos métodos se consideraron adecuados para su uso en la navegación.
Distancias lunares versus cronómetros
Aunque se había demostrado que tanto los cronómetros como las distancias lunares eran métodos practicables para determinar la longitud, pasó algún tiempo antes de que se generalizaran los usos. En los primeros años, los cronómetros eran muy caros y los cálculos necesarios para las distancias lunares aún eran complejos y consumían mucho tiempo, a pesar del trabajo de Maskelyne para simplificarlos. Ambos métodos se utilizaron inicialmente principalmente en viajes científicos especializados y de agrimensura. Según la evidencia de los cuadernos de navegación y los manuales náuticos de los barcos, los navegantes ordinarios comenzaron a utilizar las distancias lunares en la década de 1780 y se hicieron comunes después de 1790.
Si bien los cronómetros podrían lidiar con las condiciones de un barco en el mar, podrían ser vulnerables a las condiciones más duras de la exploración y los levantamientos terrestres, por ejemplo en el noroeste de Estados Unidos, y las distancias lunares fueron el método principal utilizado por topógrafos como David Thompson . Entre enero y mayo de 1793 realizó 34 observaciones en Cumberland House, Saskatchewan , obteniendo un valor medio de 102 ° 12 'W, aproximadamente 2' (2,2 km) al este del valor moderno. Cada una de las 34 observaciones habría requerido aproximadamente 3 horas de cálculo. Estos cálculos de la distancia lunar se simplificaron sustancialmente en 1805, con la publicación de tablas utilizando el método Haversine por Josef de Mendoza y Ríos .
La ventaja de usar cronómetros era que, aunque todavía se necesitaban observaciones astronómicas para establecer la hora local, las observaciones eran más simples y menos exigentes en cuanto a precisión. Una vez que se estableció la hora local y se hicieron las correcciones necesarias a la hora del cronómetro, el cálculo para obtener la longitud fue sencillo. La desventaja del costo fue disminuyendo gradualmente a medida que los cronómetros comenzaron a fabricarse en cantidad. Los cronómetros utilizados no eran los de Harrison. Otros fabricantes, en particular Thomas Earnshaw , que desarrolló el escape de retención de resorte, simplificaron el diseño y la producción del cronómetro. Desde 1800 hasta 1850, a medida que los cronómetros se volvieron más asequibles y fiables, desplazaron cada vez más el método de la distancia lunar.
Los cronómetros debían revisarse y reiniciarse a intervalos. En viajes cortos entre lugares de longitud conocida, esto no fue un problema. Para viajes más largos, particularmente de prospección y exploración, los métodos astronómicos continuaron siendo importantes. Un ejemplo de la forma en que los cronómetros y los lunares se complementaban entre sí en el trabajo de topografía es la circunnavegación de Australia de Matthew Flinders en 1801-3. Explorando la costa sur, Flinders comenzó en King George Sound , una ubicación conocida de la encuesta anterior de George Vancouver . Continuó a lo largo de la costa sur, utilizando cronómetros para determinar la longitud de las características a lo largo del camino. Al llegar a la bahía que llamó Port Lincoln , instaló un observatorio en la costa y determinó la longitud a partir de treinta conjuntos de distancias lunares. Luego determinó el error del cronómetro y recalculó todas las longitudes de las ubicaciones intermedias.
Los barcos a menudo llevaban más de un cronómetro. Dos proporcionaron redundancia modular dual , lo que permite una copia de seguridad si uno deja de funcionar, pero no permite ninguna corrección de errores si los dos muestran una hora diferente, ya que en caso de contradicción entre los dos cronómetros, sería imposible saber cuál estaba equivocado. (la detección de error obtenida sería la misma de tener un solo cronómetro y comprobarlo periódicamente: todos los días al mediodía contra navegación a estima ). Tres cronómetros proporcionaron triple redundancia modular , lo que permitió la corrección de errores si uno de los tres estaba equivocado, por lo que el piloto tomaría el promedio de los dos con lecturas más cercanas (voto de precisión promedio). Hay un viejo adagio en este sentido, que dice: "Nunca vayas al mar con dos cronómetros; llévate uno o tres". Algunas embarcaciones llevaban más de tres cronómetros; por ejemplo, el HMS Beagle llevaba 22 cronómetros .
En 1850, la gran mayoría de los navegantes oceánicos de todo el mundo habían dejado de utilizar el método de las distancias lunares. No obstante, los navegantes expertos continuaron aprendiendo los lunares hasta 1905, aunque para la mayoría esto era un ejercicio de libro de texto, ya que eran un requisito para ciertas licencias. Littlehales señaló en 1909: "Las tablas de distancias lunares se omitieron del Connaissance des Temps para el año 1905, después de haber conservado su lugar en las efemérides oficiales francesas durante 131 años; y del Almanaque náutico británico de 1907, después de haber sido presentado anualmente desde el año 1767, cuando se publicaron las tablas de Maskelyne ".
Agrimensura y telegrafía
Los levantamientos topográficos en tierra siguieron utilizando una combinación de métodos astronómicos y de triangulación, a los que se añadió el uso de cronómetros una vez que estuvieron disponibles. Simeon Borden informó sobre un uso temprano de cronómetros en la agrimensura en su estudio de Massachusetts en 1846. Después de verificar el valor de Nathaniel Bowditch para la longitud de la Casa del Estado en Boston , determinó la longitud de la Primera Iglesia Congregacional en Pittsfield , transportando 38 cronómetros en 13 excursiones entre los dos lugares. Los cronómetros también se transportaron a distancias mucho más largas. Por ejemplo, el US Coast Survey organizó expediciones en 1849 y 1855 en las que se enviaron un total de más de 200 cronómetros entre Liverpool y Boston , no para la navegación, sino para obtener una determinación más precisa de la longitud del Observatorio en Cambridge, Massachusetts , y así anclar el US Survey al meridiano de Greenwich.
Los primeros telégrafos en funcionamiento fueron establecidos en Gran Bretaña por Wheatstone y Cooke en 1839, y en los Estados Unidos por Morse en 1844. La idea de usar el telégrafo para transmitir una señal de tiempo para la determinación de la longitud fue sugerida por François Arago a Morse en 1837, y el La primera prueba de esta idea la hizo el capitán Wilkes de la Marina de los Estados Unidos en 1844, sobre la línea de Morse entre Washington y Baltimore. Se sincronizaron dos cronómetros y se llevaron a las dos oficinas de telégrafos para realizar la prueba y comprobar que la hora se transmite con precisión.
El método pronto se puso en práctica para la determinación de la longitud, en particular por el Servicio de la Costa de los Estados Unidos, y en distancias cada vez más largas a medida que la red de telégrafos se extendía por América del Norte. Se abordaron muchos desafíos técnicos. Inicialmente, los operadores enviaron señales manualmente y escucharon los clics en la línea y los compararon con los tics del reloj, estimando fracciones de segundo. En 1849 se introdujeron relojes con interruptores automáticos y registradores de lápiz para automatizar estos procesos, lo que dio lugar a grandes mejoras tanto en la precisión como en la productividad. Con el establecimiento de un observatorio en Quebec en 1850, bajo la dirección de Edward David Ashe, se llevó a cabo una red de determinaciones telegráficas de longitud para el este de Canadá, y se vinculó a la de Harvard y Chicago.
Una gran expansión de la "red telegráfica de longitud" se debió a la finalización con éxito del cable telegráfico transatlántico entre el suroeste de Irlanda y Nueva Escocia en 1866. Un cable desde Brest en Francia a Duxbury Massachusetts se completó en 1870 y dio la oportunidad de comprobar los resultados por una ruta diferente. En el intervalo, las partes terrestres de la red habían mejorado, incluida la eliminación de repetidores. Las comparaciones de la diferencia entre Greenwich y Cambridge Massachusetts mostraron diferencias entre la medición de 0.01 segundo de tiempo, con un error probable de ± 0.04 segundos, equivalente a 45 pies. Resumiendo la red en 1897, Charles Schott presentó una tabla de las principales ubicaciones en los Estados Unidos cuyas ubicaciones habían sido determinadas por telegrafía, con las fechas y emparejamientos, y el error probable. La red se expandió al noroeste de Estados Unidos con conexión telegráfica a Alaska y el oeste de Canadá. Los enlaces telegráficos entre Dawson City , Yukon, Fort Egbert , Alaska y Seattle y Vancouver se utilizaron para proporcionar una doble determinación de la posición del meridiano 141 donde cruzó el río Yukon y, por lo tanto, proporcionar un punto de partida para un estudio de la frontera. entre los EE. UU. y Canadá hacia el norte y el sur durante 1906-1908
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La Marina de los Estados Unidos expandió la web a las Indias Occidentales y América Central y del Sur en cuatro expediciones en los años 1874-90. Una serie de observaciones vinculó Key West , Florida con las Indias Occidentales y la ciudad de Panamá . Un segundo cubrió ubicaciones en Brasil y Argentina , y también vinculado a Greenwich a través de Lisboa . El tercero se extendió desde Galveston, Texas , a través de México y América Central, incluido Panamá, y luego a Perú y Chile, conectando con Argentina a través de Córdoba . El cuarto agregó ubicaciones en México, Centroamérica y las Indias Occidentales, y extendió la cadena a Curazao y Venezuela .
Al este de Greenwich, se hicieron determinaciones telegráficas de longitud de ubicaciones en Egipto, incluida Suez, como parte de las observaciones del tránsito de Venus de 1874 dirigidas por Sir George Airy , el astrónomo real británico . Las observaciones telegráficas realizadas como parte del Gran Estudio Trigonométrico de la India, incluida Madrás , se vincularon a Adén y Suez en 1877. En 1875, la longitud de Vladivostok en el este de Siberia fue determinada por la conexión telegráfica con San Petersburgo . La Marina de los Estados Unidos usó Suez, Madrás y Vladivostok como puntos de anclaje para una cadena de determinaciones hechas en 1881-1882, que se extendió a través de Japón , China , Filipinas y Singapur .
La web telegráfica dio la vuelta al mundo en 1902 con la conexión de Australia y Nueva Zelanda a Canadá a través de All Red Line . Esto permitió una doble determinación de longitudes de este y oeste, que coincidieron en un segundo de arco (1/15 de segundo de tiempo).
La red telegráfica de longitud era menos importante en Europa occidental, que ya se había estudiado en su mayoría en detalle mediante triangulación y observaciones astronómicas. Pero el "método americano" se utilizó en Europa, por ejemplo, en una serie de mediciones para determinar la diferencia de longitud entre los observatorios de Greenwich y París con mayor precisión que la disponible anteriormente.
Métodos inalámbricos
A Marconi se le concedió su patente para la telegrafía inalámbrica en 1897. Pronto se hizo evidente la posibilidad de utilizar señales horarias inalámbricas para determinar la longitud.
La telegrafía inalámbrica se utilizó para extender y refinar la red telegráfica de longitud, dando potencialmente una mayor precisión y llegando a ubicaciones que no estaban conectadas a la red telegráfica cableada. Una de las primeras determinaciones fue que entre Potsdam y The Brocken en Alemania, una distancia de aproximadamente 100 millas (160 km), en 1906. En 1911, los franceses determinaron la diferencia de longitud entre París y Bizerte en Túnez, una distancia de 920 millas (1480 km), y en 1913-14 se tomó una determinación transatlántica entre París y Washington .
Las primeras señales horarias inalámbricas para el uso de barcos en el mar comenzaron en 1907, desde Halifax, Nueva Escocia . Las señales de tiempo se transmitieron desde la Torre Eiffel en París a partir de 1910. Estas señales permitieron a los navegantes comprobar y ajustar sus cronómetros con frecuencia. Una conferencia internacional en 1912 asignó tiempos para que varias estaciones inalámbricas de todo el mundo transmitieran sus señales, lo que permitió una cobertura casi mundial sin interferencias entre estaciones. Las señales de tiempo inalámbricas también fueron utilizadas por observadores terrestres en el campo, en particular topógrafos y exploradores.
Los sistemas de radionavegación se generalizaron después de la Segunda Guerra Mundial . Se desarrollaron varios sistemas, incluido el Decca Navigator System , el guardacostas estadounidense LORAN-C , el sistema internacional Omega y los soviéticos Alpha y CHAYKA . Todos los sistemas dependían de las transmisiones de balizas de navegación fijas. Un receptor de a bordo calculó la posición de la embarcación a partir de estas transmisiones. Estos sistemas fueron los primeros en permitir una navegación precisa cuando no se pudieron realizar observaciones astronómicas debido a la escasa visibilidad, y se convirtieron en el método establecido para el transporte comercial hasta la introducción de los sistemas de navegación por satélite a principios de la década de 1990.
En 1908, Nikola Tesla había predicho:
En la niebla o oscuridad más densa de la noche, sin brújula u otros instrumentos de orientación, o reloj, será posible guiar una embarcación por el camino más corto u ortodrómico , para leer instantáneamente la latitud y longitud, la hora, la distancia. desde cualquier punto, y la verdadera velocidad y dirección del movimiento.
Su predicción se cumplió parcialmente con sistemas de radionavegación, y completamente con modernos sistemas informáticos basados en GPS .
Ver también
- Bureau des Longitudes
- Historia de la geodesia
- Historia de la latitud
- Historia de los primeros meridianos