Een korte geschiedenis van de ontwikkeling van de scheepschronometer.

Inleiding

Jaren geleden kocht ik een doos met klokkenboeken waaronder een monografie over het leven en werk van Paul Philip Barraud, een chronometermaker. Het boek kwam ongelezen in de kast te liggen. Jaren later kon ik een fraaie chronometer van Barrauds & Lund kopen. In veel literatuur wordt vaak gesteld dat Barraud zelf niets maakte maar eerder een wederverkoper was. De chronometer had echter een paar ongebruikelijke kenmerken die bij andere makers nagenoeg niet voorkomen. Dat was naar mijn idee opmerkelijk want als Barraud niets zelf maakte dan zou je ook geen individuele kenmerken voor zijn werk verwachten. Mijn nieuwsgierigheid was gewekt en ik besloot een beetje onderzoek te doen.  Nu kwam de monografie van Barraud goed van pas en de goede reden was nu daar om het boek eens goed lezen. Al hoewel het naar mijn mening niet heel sprankelend geschreven is, vond ik toch een aantal interessante zaken over deze maker die me leuk leken om te verwerken in een lezing. Het leek me niet slim om over een chronometermaker te vertellen zonder kort uit te leggen hoe de ontwikkeling van de chronometers gegaan was. Om het begrijpelijk te houden voor iedereen heb ik deze ontwikkeling sterk vereenvoudigd weergegeven. Dit artikel is de geschreven versie daarvan. In een later artikel zal ik ingaan op het leven en werk van Paul Philip Barraud en zijn nazaten.

Plaatsbepaling op zee

Al vanaf het moment dat de zeevaarders de open zee op gingen was er het probleem van navigatie. Als er geen zichtbare herkenningspunten waren had men geen idee waar men was. Nu kon men met een kompas het noorden bepalen. Men kon eerst met een ‘kruisstaf’ en later met een ‘sextant’ stand van de zon meten ten opzichte van de horizon. Daardoor kon men min of meer bepalen waar men was van Noord naar Zuid. De lijnen op de kaart die dat aangeven noemt men de ‘breedtegraden’. Het is eenvoudig te onthouden als men bedenkt dat dit systeem al in de oudheid is bedacht. Men voer hoofdzakelijk op de Middenlandse Zee die ‘breed’ is van Noord naar Zuid. Aangezien deze zee lang is van Oost naar West noemt men de lijnen op de kaart ‘lengtegraden’. Omdat de aarde draait van West naar Oost is het echter niet mogelijk om te bepalen waar men zich bevindt omdat er geen vaste referentiepunten zijn.

Chronometers

Nu weten we dat de plaatsbepaling kan door middel van tijdmeting. Door het tijdsverschil te meten met een referentiepunt (bijvoorbeeld Greenwich) kan men bepalen hoe ver de aarde heeft gedraaid of nog moet draaien. De tijd staat dus gelijk aan een afstand. Maar voordat dit bewezen werd door de chronometer was hiervoor veel scepsis. Het idee dat er een klok zo precies kon lopen en dat onder de extreme omstandigheden van de zeevaart, was volgens velen absoluut onmogelijk. Er waren al wel redelijk goede precisieklokken aan het begin van de 18^e eeuw. Maar deze waren echter nutteloos op zee omdat ze afhankelijk waren van een slinger die nooit zou functioneren op een slingerend schip. Buiten de bewegingen van een schip waren er twee belangrijke andere problemen. Ten eerste de temperatuurverschillen waardoor metalen uitzetten of krimpen. Een door warmte uitgezette balans loopt langzamer dan een koelere. Deze temperatuurverschillen hebben ook invloed op de viscositeit van olie. Ten tweede is er het probleem van de constante aandrijving. De precieze klokken werden door gewichten aangedreven omdat die gedurende de hele looptijd eenzelfde kracht uitoefenen op het uurwerk. Maar op een schip zijn gewichten niet praktisch en is men aangewezen op een veer. Het verschil van aandrijfkracht van een net opgewonden veer en een bijna afgelopen veer heeft een grote invloed op de tijdmeting.

John Harrison (1693 – 1776)

Veel wetenschappers en klokkenmakers hebben zich beziggehouden met het ontwikkelen van een klok voor het gebruik op zee. Zo waren daar Christiaan Huygens, Robert Hooke en Sully. Hun werk was belangrijk maar het was uiteindelijk John Harrison die als eerste een werkende chronometer zou maken. En hoewel er andere klokkenmakers tegelijkertijd en in andere landen er mee bezig waren beperk ik me tot zijn verhaal om het niet te ingewikkeld te maken.

John Harrison werd geboren in het kleine dorpje Foulby in Yorkshire als zoon van een timmerman. Hij maakte samen met zijn broer al voor zijn twintigste een precisieklok naar eigen ontwerp, met veel houten onderdelen en een gridiron slinger.

De ‘gridiron’ slinger.

Gridiron betekent ‘braadrooster’ wat slaat op de ijzeren en messing staven die om en om met elkaar verbonden zijn. De verandering in lengte van de slingerstaaf door temperatuurverschillen wordt gecompenseerd door de tegenoverliggende staven. Hierdoor blijft de werkende lengte gelijk en is deze slinger dus gecompenseerd voor temperatuurverschillen.

The Board of Longitude

Engeland had in 1714 een prijs uitgeloofd voor degene die het probleem van de ‘lengte bepaling’ kon oplossen. Andere landen hadden dat ook al gedaan maar de Engelsen deden het heel grondig. Er kwam een comité (the Board of Longitude) dat een eventuele vinding moest beoordelen en er werden precieze eisen vastgelegd in de wet waaraan de vinding moest voldoen.

Harrison had veel vernieuwende ideeën en stuurt een brief aan Halley (ja, die van de komeet) de Astronomer Royal, de baas van Greenwich. Hij brengt hem in contact met Graham die op dat moment de belangrijkste klokkenmaker van Engeland was. In het begin loopt het contact erg moeizaam omdat Harrison als zoon van een gewone timmerman geen verfijnde manieren had. Echter na deze stroeve start, ziet Graham het potentieel van zijn plannen in. Op aanraden van Graham krijgt Harrison een bedrag los van de Board en mag hij beginnen met zijn klok.

H1

Zijn eerste versie, de H1 is klaar in 1736. Het is een grote klok die gereguleerd wordt door twee balansstaven die verbonden zijn met balansveren. Tussen deze veren is een gridiron constructie geplaatst voor de temperatuurcompensatie. Bij uitzetten van het metaal zouden de staven langer worden en daarom langzamer bewegen. Door de gridironconstructie worden dan de balansveren aangetrokken om het langzamere bewegen te compenseren. De klok heeft Harrison’s ‘grasshopper’ echappement dat gedeeltelijk van een houtsoort (lignum vitae) gemaakt die zelfsmerend is en natuurlijk niet reageert op temperatuursverschillen.

H2

Bij het presenteren van deze klok heeft hij al nieuwe ideeën die hij wil toepassen. Hij gaat rond 1737 in Londen wonen en werken. In 1739 is de H2 klaar. Eigenlijk is het een meer robuuste versie van H1. Ditmaal heeft hij een remontoir toegevoegd. Dat is een hulpveer die met korte intervallen wordt opgewonden door de grote veerton. Hierdoor blijft de veerspanning van deze hulpveer gelijk en heeft geen last van de veranderende veerspanning en kracht van de veerton. Omdat deze hulpveer het echappement dus aandrijft met constante kracht geeft dit zeer goede resultaten voor de tijdmeting.

Wel heeft hij weer dubbele balansstaven en een grasshopper echappement, echter nu van messing. Een andere innovatie zijn de assen die niet in een tapgat zitten maar draaien tussen wielen. Dit is in feite een rollager dat ook een uitvinding is van Harrison.

Harrison ontdekte een fout in de balansstaven en liet daarom de H2 nooit testen op zee. Wel liet hij de klok jarenlang lopen in zijn huis.

H3

Ook nu weer heeft hij direct na de presentatie plannen voor een verbeterde versie en H3 wordt al vermeld in 1741. Deze klok zal echter pas af zijn in 1761. De vraag rijst nu meteen; wat is er gebeurd waardoor hij de klok niet af maakt? Helemaal precies weten we het niet maar Harrison kwam waarschijnlijk niet veel verder en hikte tegen bepaalde problemen aan. Herhaaldelijk werd hem gevraagd wanneer hij klaar zou zijn. Omdat de Board al een voorschot had betaald werden ze, begrijpelijk gezien het uitstel, steeds ongeduldiger. Rond 1760 wordt hij min of meer gedwongen om zijn klok te presenteren en te laten testen. Voor deze test wordt een reis gepland naar Jamaica. De klok had twee belangrijke innovaties. Ten eerste, de omsloten rollager die heden ten dagen op grote schaal wordt toegepast. Ten tweede paste hij een bi-metaal toe op de balansveer voor de temperatuurscompensatie. Deze uitvinding van hem die ook op zeer grote schaal wordt toegepast noemde hij ‘my little thermometer.’

Niet groot maar klein.

In de jaren voor deze test heeft Harrison echter een horloge laten maken door Jefferys in 1753 op zijn aanwijzingen en met een aantal van zijn innovaties. Het horloge doet het verbazingwekkend goed en het zet hem op een geheel ander pad. Door de goede resultaten van zijn horloge laat hij het idee van een grote klok los. Hij gaat werken aan een kleinere klok echter wel vol met zijn vernieuwende ideëen. Hij begon in 1755 met de H4 die voltooid werd in 1759.

Ten eerste had de klok net als bij de H2 en H3 een remontoir. Zoals boven al uitgelegd is dit een mechanisme waarbij een kleine hulpveer in dit geval iedere 7.5 seconde wordt opgewonden door de veerton. Deze hulpveer drijft het echappement aan. Omdat het verschil in spanning van de hulpveer bijna nihil is wordt het echappement dus met een constante maar geringe kracht aangedreven wat de resultaten erg ten goede komt. Net als bij de H3 is er temperatuurcompensatie bij de balansveer met een bi-metaal. Verder heeft de klok ‘Harrison’s maintaining power’. Dit mechanisme zorgt ervoor dat wanneer de veerton wordt opgewonden, een kleine veer de aandrijving overneemt zodat de klok blijft lopen en geen tijd verliest. Verder lopen veel lageringen in robijnen waardoor er zeer weinig wrijving en slijtage optreedt en er ook weinig olie nodig is. Tenslotte heeft de klok een hele speciale spillegang, iets wat pas in de jaren ’50 van de vorige eeuw echt werd vastgesteld. De spillepels zijn gemaakt van afgeronde diamant van slecht ½ mm groot. Hierdoor was er weinig wrijving en kon de balans verder en vrijer draaien dan bij een gewone spillegang. Hoe vrijer de actie van de balans of slinger, hoe beter een klok loopt. ook bleek de kleinere balans met zijn grotere frequentie veel regelmatiger te lopen dan de grote balansen van de eerdere klokken.

Zoals hierboven al gesteld wordt er een reis gepland om de H3 te testen in 1762. Door zijn twijfels over de H3 en de goede resultaten van de H4 besloot John Harrison samen met zijn zoon slechts enkele maanden voor vertrek, niet de H3 maar de H4 mee te sturen op de reis.

De resultaten voor de reis naar Jamaica en terug zijn fantastisch. Er is slechts een afwijking van 2.36 minuten, 5.1 seconden per dag. Het resultaat wordt echter niet erkend. Daar zijn een paar redenen voor. Ten eerste zijn Harrison en zijn zoon geen geschoolde wetenschappers wat de communicatie met de Board niet ten goede komt. Hun eigen idioom wordt niet begrepen. Ook is de klok niet meteen bij aankomst zeker gesteld wat ruimte geeft om te suggereren dat er met het resultaat geknoeid is. Wat ook zeker niet meehelpt is dat Maskelyne astronomer Royal is geworden. Hij is een astronoom en ziet totaal geen heil in de plaatsbepaling op zee met behulp van een tijdmeter. Hij ziet de oplossing in sterrenobeservaties, iets waar hij zelf mee bezig is.

In 1764 wordt er een tweede reis gepland, ditmaal naar Barbados. De resultaten zijn zelfs nog beter, de afwijking is maar 54 seconden voor de hele reis. Maar de Board of Longitude onder leiding van Maskelyne blijft heel sceptisch. Er wordt geëist dat Harrison zijn klok demonteert in bijzijn van drie Boardleden en drie klokkenmakers. Harrison wil dit eigenlijk niet maar omdat de Board hem ooit een voorschot heeft betaald moet hij er uiteindelijk in 1765 toestemmen. De drie klokkenmakers zijn Larcum Kendall, Thomas Mudge en William Matthew. Ook laat de Board alle klokken van Harrison bij hem weghalen en slaat deze op.

De Board geeft Larcum Kendall de opdracht om de H4 te kopiëren en eventueel in productie te nemen. Hoewel hij de klok verbluffend goed namaakt heeft hij er kritiek op en wil hij de klok niet in productie nemen. Hij stelt dat hij een veel beter klok kan maken. De K(endall)1 gaat mee op de eerste reis van Cook en presteert heel goed. Kendall’s latere chronometers presteren allemaal veel slechter dan zijn kopie van Harrison.

Nog steeds verstoken van erkenning en de premie besluit Harrison tenslotte de H5 te maken en die te schenken aan de koning in 1772. Harrison’s zoon gaat persoonlijk naar de koning om zijn verontwaardiging uit te spreken over de gang van zaken en het gebrek aan erkenning. Het is de koning uiteindelijk die zorgt dat Harrison op 21 juni 1773 zijn prijs krijgt.

John Harrison bewees wat velen als onmogelijk hadden gehouden; navigeren met behulp van een tijdmeter. Wat dat betreft was het ‘missie geslaagd’. Maar hoewel Harrison’s chronometer het goed deed, deze was ongeschikt om op grote schaal na te maken. Als we bedenken dat de diamanten spillepels in een hele specifieke vorm geslepen waren en slechts een halve mm groot kunnen we er ons wel iets bij voorstellen.

Reproduceerbaar en betaalbaar.

Ook nu weer is het makkelijk om te bepalen wie er uiteindelijk de belangrijkste makers waren in deze volgende stap. Al hoewel er meer makers zich bezighielden met het maken van een goede chronometer zijn het Ferdinand Berthoud en Julien LeRoy in Frankrijk en John Arnold en Thomas Earnshaw in Engeland. Waarbij het werk van de twee laatsten uiteindelijk tot de meest standaard chronometer leidde.

John Arnold (1736 – 1799

John Arnold was een briljante klokkenmaker die een heel praktische en oplossingsgerichte manier van werken had. Hij paste niet alleen zijn eigen maar ook de vindingen van anderen toe zoals die van Harrison, LeRoy en Berthoud. Hij is bijvoorbeeld de eerste die de temperatuurcompensatie direct op de balans toepast i.p.v. aan de balansveer. In 1771 overlegt hij zijn eerste chronometer. In 1772 gaat zijn tweede chronometer mee als officiële tijdmeter op de tweede reis van Cook.

Hier zien we een paar versies van de balansen waarmee John Arnold experimenteerde. Duidelijk zichtbaar zijn de bi-metalen elementen. Deze buigen de tegengestelde richting op als dat de balans uitzet of krimpt waardoor het zwaartepunt gelijk blijft. Dit werd de standaard voor latere chronometers.

Detent escapement

John Arnold was ook degene die het ‘(pivoted) detent escapement’ introduceerde. Het eigenlijke idee kwam van iemand anders maar dat komt later. Dit echappement is heel belangrijk voor de ontwikkeling van de chronometer. Het verenigt een aantal zaken die belangrijk zijn voor de precisie. Ten eerste beweegt de balans vrij zonder wrijvend contact met andere delen of enigerlei teruggang. Dit principe was al bedacht door Julien LeRoy. Verder wordt de balans dicht bij het centrum van het draaipunt aangedreven en als het aandrijfpunt voorbij de aandrijving is. Dus balans krijgt dus een klein tikje mee. Alsof je een kind op een schommel duwt als de schommel al weer naar beneden gaat. Ook staat het uurwerk ‘op slot’ door de ‘detent’ als de balans beweegt en wordt maar een fractie ‘ontsloten’ met de aandrijving en is daarna meteen weer gefixeerd. Hierdoor is de kans dat het uurwerk blokkeert door schommelingen of schokken heel erg klein.

Hieronder in de video van de animatie van het echappement kunt u twee acties zien. Ten eerste draait de balans vrij heen en weer waarbij een nokje op de balansas de ‘detent’ met veer uitligt. Op de ‘heenweg’ wipt hij de ‘detent’ op, op de ’terugweg’ kan het nokje de detent passeren door dat de veer op de detent het nokje. Dit houdt in dat de balans slechts één maal, per heen en weer gaan, de detent uitligt.

De andere actie die u ziet is de aandrijving van de balans. Op het moment dat de detent wordt opgetild kan het tandwiel 1 tand verder draaien. Hiermee geeft deze tand een duwtje tegen de andere nok die op de balansas zit. Op het moment dat het nokje voorbij gaat geeft het uurwerk de balans een zetje, waardoor de balans blijft draaien en de cyclus doorgaat.

Thomas Earnshaw (1749 – 1829)

Thomas Earnshaw was een briljante klokkenmaker.  In het stukje over John Arnold stelde ik al dat hij het ‘detent escapement’ introduceerde. De eigenlijke vinding was van Thomas Earnshaw.

Earnshaw was wel een goede chronometermaker en uitvinder maar geen goede zakenman en het lukte hem maar niet om onder eigen naam te werken. Hij werkte voor veel anderen. Terwijl hij werkte voor Brockbank vond hij in 1780 het spring detent echappement uit. Onder geheimhouding laat hij het zien aan Brockbank en Wright (die hem later zou helpen met het financieren van een patent). Brockbank verteld het principe echter aan Arnold die aan de hand van de beschrijving prompt zijn eigen ‘detent echappement ontwikkeld en patenteert in 1782. Nota bene vóór dat Wright het patenteert voor Earnshaw! Hoewel Earshaw’s werk en ideeën briljant waren kreeg hij erg weinig erkenning tijdens zijn leven. Dit terwijl veel makers werk van hem kopieerden. Hierdoor leek het lange tijd dat het John Arnold was die de belangrijkste uitvinder was. Pas rond 1810 werd Earnshaw’s rol erkent.

John Arnold patenteerde zijn pivoted detent escapement. Hierin wordt de detent geblokkeerd door onderdelen die draaien op een as (pivot). Het werkte goed maar was afhanelijke van olie en kon makkelijker blokkeren. Het briljante van Earnshaw’s spring detent escapement was dat dei draaiende delen vervangen werden door stripveren. Niet alleen zitten er minder onderdelen in, deze kunnen ook minder snel vastlopen. Verder is ook het principe dat de aandrijving op de balansas moet werken van hem en is hij de eerste die een bi-metaal soldeert i.p.v. klinkt.