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Seechronometer und ihre Bedeutung
In einer Zeit in der sich die meisten Menschen auf der Welt noch nach dem Stand der Sonne oder nach dem Hungergefühl in der Magengegend richteten, um den Zeitpunkt Mittag zu definieren, hat ein Uhrmacher in England einen Schiffschronometer gebaut, der in der Lage war, in Hunderten von Tagen und trotz der ständigen Bewegung auf einem Schiff, auf dem er gebraucht wurde, nicht mehr als wenige Sekunden abzuweichen.
Diese Präzision in der Zeitmessung und das Erstellen immer genauer werdender Karten der damals bekannten Küsten brachten der britischen Krone die Möglichkeit, immer präziser zu navigieren und damit auf den schnellsten Routen den Wettkampf um die Zeit gegen die anderen Seemächte wie Frankreich, Spanien und Portugal für sich zu entscheiden. Nach der Erprobung des Seechronometers "H4" von John Harrison im November des Jahres 1761 begann für das englische Königreich eine Zeit von 150 Jahren Seegeltung auf allen Weltmeeren. Der Grundstein des Empire wurde gewissermaßen von einem Uhrmacher gelegt.
Columbus fuhr noch "auf Verdacht" und hat sich einmal pro Tag am Stand des Nordsterns orientiert. 269 Jahre später konnte der Kapitän einer Fregatte mittels eines Sextanten und einer genauen Uhr seine Position exakt bestimmen und die ein-mal gefundene Schiffspassage in den Karten genau vermerken. Diese Technik blieb für die nächsten 180 Jahre der Standard auf allen Schiffen bis zur Einführung des Funkes und der von Satelliten gestützten Positionsbestimmung.
Besonders herausragend für die Entwicklung präziser Uhren war die im 18. Jahr-hundert rasch wachsende Bedeutung der Seeverbindungen zu den überseeischen Kolonien, und der neu entwickelten Handelsbeziehungen mit fernen Ländern. Damit war die Notwendigkeit verbunden, die entdeckten Seewege so genau wie möglich zu kartographieren. Auf Schiffen wurden also transportable Präzisionsuhren gebraucht.
Die Lösung des Longitudinalproblems (Ermittlung der genauen geographischen Länge in Bezug auf einen Ausgangspunkt z. B. den Hafen) war für die nach immer größerer Macht strebenden Herrscher Europas von immenser Bedeutung. Durch einen Erlass der verschiedenen europäischen Regierungen wurden hohe Summen auf die Lösung des Problems der bis dahin noch nicht präzise zu ermittelnden Längenpositionen ausgelobt. Wer seine schnellste Route durch präzises Navigieren, verbunden mit den damals neu entwickelten "Bestecken" (Sextant, nautische Tabellen), wiederfinden konnte und sicheren und wetterbeständigen Kursen zuverlässig folgen konnte, hatte den Schlüssel zu bis dahin nie gekannter Macht und Reichtum in Händen.
Angetrieben durch das Ziel, in der Verbesserung der Navigation führend zu sein, setzten sich überall in Europa Astronomen, Physiker und Gelehrte an die Lösung des Problems. In Frankreich machten sich die besten Uhrmacher des Landes wie Pierre Le Roy (1717-1785) und Ferdinand Berthoud (1727-1807) an die Arbeit und erfanden bei ihrer Suche nach der besten Möglichkeit, die Präzision einer an ihren Standort gebundenen Uhr mit einem transportablen Zeitmesser zu erreichen, eine "freie" Hemmung (Siehe Kapitel "Die Hemmung in Uhren").Wie sein Vater wohnte Pierre Le Roy im Louvre und wird als größter Uhrmacher im Frankreich seiner Zeit bezeichnet. Pierre Le Roy, der zeitlebens in schärfster Konkurrenz zu Berthoud lebte, reichte bereits 1748 eine Skizze bei der Académie Francaise ein, die die Grundlage für alle späteren Chronometerhemmungen war.
Die königliche Akademie der Marine schrieb 1767 einen Wettbewerb aus für die Methode, die Zeit auf dem Meer am besten zu messen. Pierre legte eine Uhr vor, musste jedoch mit mehreren Uhren persönlich ein Schiff besteigen und diese 3 Monate unter staatlicher Aufsicht in Gang halten. Er erhielt den Preis und seine Erfindungen waren Wegbereiter für den damaligen Seechronometerbau. Seine bedeutendste Erfindung ist die Douplex-Hemmung. Ferdinand Berthoud kam 1775 zu Le Roy, nahm aber an dem Wettbewerb zur Erprobung der Chronometer auf einem Schiff nicht teil. Zahlreiche Verbesserungen der Uhrmacherkunst verdanken wir seinem Genie. Ihm gelang wahrscheinlich (unabhängig vom Engländer Earnshaw, 1749-1829) die Erfindung der Chronometerfederhemmung. Er verfasste darüber mehrere Schriften.
In England war man zu diesem Zeitpunkt schon ein Stück weiter. Der Uhrmacher John Harrison (1693-1776), dessen Seechronometer auch heute noch in der Sternwarte in Greenwich bei London zu bestaunen sind, war der Erste, dem es - angestachelt von der immensen Preissumme von 20.000 Pfund Sterling, die vom Parlament seit 1714 (Queen Anne Act) ausgesetzt waren, - gelang, transportable Uhren mit der geforderten Präzision zu bauen. Seit seiner Kindheit machten ihm von Räderwerken betriebene Maschinen viel Vergnügen. Harrison, der bei seinem Vater im englischen Barrow in Lincolnshire eine Lehre zum Zimmermann absolvierte und sich darüber hinaus mit Reparaturen von Uhren und mit Musik beschäftigte, baute mit seinem Bruder im frühen Alter von weniger als 20 Jahren Bodenstanduhren fast gänzlich aus Holz. Im Jahr 1726 baute er zwei Pendeluhren, die im Monat kaum um eine Sekunde abwichen. Die Uhren sind berühmt wegen der von ihm erfundenen, sehr präzise Gangergebnisse vorweisenden "Grashüpfer-Hemmung". Er ging etwa 1728 mit einem Konzept für eine erste Schiffsuhr nach London, um sie dem dort ansässigen Gremium für die Lösung des Longitudinalproblems vorzustellen. Dort traf er den Astronomen Halley (nach ihm ist der Komet benannt), der Mitglied des Gremiums war und der den etwas ungeschliffenen Bauernburschen mit ruppigen Manieren dem damals "ersten" Uhrmacher Englands George Graham vorstellte. Halley konnte Harrison damals keinen Vorschuss des "Board of Longitude" für seine zum Teil sehr eigenartigen Vorstellungen vermitteln, aber Graham, dem Harrison die Konstruktionen, die zum Teil der damaligen Uhrentechnik diametral entgegenzulaufen schienen, erläuterte, erkannte das Genie Harrisons und förderte ihn nach Möglichkeit. Der erste "Apparat", genannt "H1", war nach jahrelanger Bauzeit 1735 fertig (Abb. unten).
Die auf der Erprobungsreise auf einem Schiff von Spithead erbrachten Ergebnisse der Längenermittlung stellten Harrison nicht zufrieden. Weniger die Abweichung der Uhr brachte die Diskrepanz, sondern, wie sich erst später herausstellte, die falschen offiziellen Werte des zu erreichenden Zieles waren der Grund der Abweichung. Da es auf der Fahrt keine offiziellen, zahlenmäßigen Gangaufzeichnungen gab, konnte die phänomenale Präzision von "H1" nicht gleich erkannt werden. Kürzlich zu Tage gebrachte zeitgenössische Schriftstücke lassen allerdings die Erkenntnis zu, dass das durchschnittliche Gangverhalten auf dieser Seereise nicht schlechter als 3 Sekunden Abweichung pro Tag waren. Dies alleine hätte schon ausgereicht für einen Teilpreis des "Queen Anne Act", den Harrison aber zunächst nicht einforderte. Harrison baute fortan wieder mit seinem Bruder an einer verbesserten Version, die er "H2" nannte und die 1739 fertiggestellt, wegen des damals herrschenden Krieges gegen Spanien nie zur See erprobt wurde (Die Gefahr, dass dieser einzigartige Chronometer in den Wirren des Krieges durch Beschuss eines feindlichen Schiffes untergehen oder gar durch Kapern in die Hände des Feindes gelangen könnte, hielt die Verantwortlichen davon ab, H2 auf hoher See zu testen).
In den nächsten 17 Jahren versuchte Harrison, die bis dahin erfolgreich funktionierenden Grashüpfer-Hemmungen der H1 und H2 noch zu verbessern und entwickelte in dieser Zeit mit wechselndem Erfolg eine Version mit Doppel-Unruh für "H3" (Abb. links unten).
Als nach dieser langen Bau- und Erprobungszeit nun endlich die Seeerprobung auf dem Plan stand, bat Harrison das Board, doch lieber den inzwischen parallel dazu entwickelten und mit ganz herausragenden Ergebnissen aufwartenden "H4" Taschenchronometer zu erproben (Abb. rechts unten).
Bei der ersten Erprobung 1761 auf dem Seeweg von England nach Jamaika und zurück war John Harrisons Sohn William an Bord für die Überwachung der Uhr zuständig und war sich wohl der Bedeutung dieser Erprobung nicht ganz bewusst, denn er versäumte es, nach dem Erreichen des Hafens von Port Royal die erreichten Ergebnisse von H4 mit dem Zeitnormal und der geographischen Länge vor Ort zu vergleichen und tat dies auch nach der wegen des ausgebrochenen Krieges gegen Spanien überstürzten und sehr stürmischen Rückreise bei seiner Ankunft in Spithead nicht gleich. Entschuldigt durch das schlechte Wetter gab es am Tag der Rückkehr keinen sofortigen Vergleich mit der genauen Ortszeit, und erst nach Ablauf weiterer sieben Tage wurde dieser Vergleich dann tatsächlich vorgenommen. Leider fehlten so, trotz lückenlosen und erfolgreichen Laufens von H4 auf hoher See, die nötigen juristischen Aufzeichnungen über die korrekten Ergebnisse, die zur Aushändigung des Preises geführt hätten, und die aufwändige Expedition blieb erfolglos. Die ermittelten, aber nicht anerkannten Werte hatten die vom Board geforderte Genauigkeit bei weitem übertroffen. Eine weitere Erprobung auf See wurde notwendig, gegen die sich Harrison zunächst wehrte. Erst nachdem öffentliche Zweifel an den kolportierten Werten geäußert wurden und ein durch einen Wechsel im Board in eine verantwortliche Posi tion gelangter Astronom namens Maskelyne eine vom Beobachten des Mondes abgeleitete Methode der Längenbestimmung vorstellte und damit alle Bemühungen Harrisons nach Anerkennung seiner Leistungen und Ergebnisse hintertrieb, sah sich Harrison gezwungen, der zweiten Seeerprobung zuzustimmen. Diese führte zu dem für Harrison zielführenden Ergebnis, das drei Mal besser war als das vom Act geforderte. H4 wich auf der gesamten Reise von 156 Tagen Dauer auf hoher See insgesamt 54 Sekunden ab - eine Abweichung von durchschnittlich 0,34 Sekunden pro Tag auf einem bewegten, unruhigen Schiff.
Nach ungläubigem Staunen angesichts der erreichten Ergebnisse von H4 und der Aufforderung, seine Pläne offen zu legen, nach weiteren Streitereien mit den Offiziellen der Behörde und weiteren Kopien von seinem Seechronometer, die er und seine Mitarbeiter anfertigen mussten, erhielt Harrison im 75. Lebensjahr endlich die Prämie. Der letzte Seechronometer "H4" war bereits von unglaublicher Präzision, und im Vergleich zu "H1", der noch die stattliche Größe etwa eines kleinen Kühlschrankes hatte, war "H4" kaum größer als eine Taschenuhr. (Alle Seechronometer Harrisons sind im Museum der Sternwarte in Greenwich bei London im Original zu bestaunen.)
Durch Harrisons spektakuläre Lösung des "Longitudinalproblems" und die damit verbundene Notwendigkeit, die Genauigkeitsprüfung dieser Uhren neu zu definieren, begann man neue Prüfverfahren für Seechronometer einzusetzen. Einen "Austausch" zwischen den konkurrierenden Nationen Frankreich und England hat es anscheinend dennoch gegeben, denn Ferdinand Berthoud war es, der 1769 dem englischen Parlament eine Prüfmethode für Seechronometer empfahl, die nicht länger als einen Monat auf einem Schiff dauern sollte. (Auch später gab es eine solche Verbindung zwischen den bedeutendsten englischen und französischen Uhrmachern und Wissenschaftlern auf diesem Gebiet.)
In der Frage der Bewertung und Prüfung von Chronometern hat das königliche Observatorium in Greenwich als erstes amtliches Institut Hervorragendes geleistet. Am Ende des 18. Jahrhunderts empfahl der königliche Astronom Maskelyne ein Prüfverfahren über ein Jahr. Es wurde ein Tagesmittel des ersten Monats errechnet und als Basis für die weiteren Monate zu Grunde gelegt. Ab 1840 erfolgte die Qualifizierung von Seechronometern nach einer Kennzahl (Codezahl), die der Astronom Airy vorschlug (trial number). Für die zu prüfende Uhr wurden 29 Wochen hindurch wöchentliche Gänge (Abweichung zwischen der angezeigten und der tatsächlichen Zeit) ermittelt. Die Kennzahl wurde nach der Formel a + 2b festgestellt.
(a ist die Differenz zwischen dem größten und kleinsten Wochengang,
b ist die größte Differenz zwischen 2 aufeinander folgenden Wochen.)
Weitere bahnbrechende Entwicklungen im Bereich der mobilen Präzisionsuhren für Schiffe gelangen den englischen Uhrmachern Thomas Earnshaw und vor allem John Arnold. Earnshaw (1749-1829, London) baute eine Chronometerhemmung, die er dem "Board of Longitude" vorstellte, kam aber sofort in Konflikt mit der Erfindung des älteren John Arnold, seines zähesten Konkurrenten. Arnold, geboren 1735 in Bodmin und 1799 in Well Hall gestorben, lernte zunächst bei seinem Vater die Uhrmacherei. Er verbrachte etliche Jahre in Haag in Holland um sich weiterzubilden, und kehrte 1756 nach England heim. Arnold war bekannt für seine hervorragende Begabung für alle mechanischen Dinge, besonders aber für seinen Gedankenreichtum in der Neuentwicklung der für den Uhrenbau verwendeten Techniken, besonders im Chronometerbau, und erhielt dank seiner Verbindung zum "Board of Longitude" großzügige Unterstützung. Er erkannte zwei Dinge sehr genau, die für die Gangverbesserung von tragbaren Uhren immens wichtig waren:
1. Der Temperatureinfluss auf alle Teile des Gangs musste kompensiert
werden, entweder an der Unruh selbst oder am Regulierorgan.
2. Die schädliche Reibung des Antriebsorgans musste vermieden werden.
Er suchte folglich nach einer anderen Art des Unruhantriebs als der
damals geläufigen Zylinderhemmung.
Zur Beseitigung des ersten Problems konstruierte er zunächst für seine Chronometer besondere Kompensationsunruhen. Er ließ sich Patente erteilen für Unruhformen gleich einem Doppel-T, Doppel-S, OZ, Z, und YZ. Die Formen der Unruhen ähnelten dem jeweiligen Buchstaben (Abb. links).
Die Kompensation erfolgte durch die am Ende angebrachten Ausgleichsgewichte. Dies funktioniert folgendermaßen: Bei höherer Temperatur dehnt sich die Spirale der Unruh in der Länge aus. Folglich geht die Uhr nach. Um diesen Fehler zu kompensieren, fertigt man eine flexible Unruh, bestehend aus einem äußeren Material, das sich bei steigender Temperatur stärker ausdehnt als das innen liegende. Wenn beide Materialien entsprechend der von Arnold patentierten Form angebracht werden, verringert sich bei steigender Temperatur die wirksame Masse der Unruh und sie kann sich somit schneller drehen. Um diese Wirkung justierbar zu machen, brachte Arnold die Ausgleichsgewichte am Ende des Schenkels an. Dieses Prinzip wurde bei den meisten Präzisionstaschenuhren bis zur Erfindung der Nivaflex-Spirale im 20. Jahrhundert angewendet.
Als zweite Möglichkeit der Temperaturkompensation entwickelte er einen Bimetallstreifen, der den variabel angebrachten Regulierzeiger verschob und somit die sich verändernde Spirallänge ausgleicht. Dieses Prinzip hatte Harrison bereits 1741 erfunden und war damals der erste, der die unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten in einer konstruierten Anwendung für technische Apparaturen verwendete. Er nannte diesen Bimetallstreifen damals "metallic thermometer". Diese Konstruktion war schon aus der H4 von Harrison bekannt und dort in einer mit extrem hohem Aufwand verbundenen Weise verwirklicht worden. Sie hat sich in der Folge nicht durchgesetzt, da es nur unzulängliche Möglichkeiten gab, die Wirkung des Bimetallstreifens nachträglich zu regulieren. Die Wirkungsweise des Streifens sowie die Anordnung der Nieten waren nicht flexibel und mussten mit langwierigen Versuchen ermittelt werden.
1771 stellte John Arnold dem "Board of Longitude" seine erste Marinechronometer Uhr mit der neuen Hemmung vor, die er "pivoted dentent of the see-saw-type" nannte (Chronometer-Auslösehebel auf Zapfen gelagert nach dem Prinzip der Wippe). Damit war Arnold der erste, der das Prinzip der Chronometer-Auslösung erfand. Später ersetzte er den Wippenmechanismus durch eine Feder; er vermied dadurch die immer noch vorhandene Zapfenlagerung der Wippe. Damit konnte die Unruh mit Ausnahme des Antriebswinkels während des Impulses bei jeder zweiten Halbschwingung frei schwingen (vergl. "freie Hemmung" Seite 135).
Diese Hemmung war der größte Fortschritt in der Uhrenkonstruktion. Das Besondere an dieser Hemmung ist, dass in der Federauslösung das Gangrad (von dort kommt der Antrieb an die Unruh) die Feder auf Zug beansprucht und die epizykloidischen Zähne (verbesserte Zahnflankenform, seit 1675 bekannt) des Gangrads zum Antrieb der Unruh benutzt, während nach oben stehende Stifte auf diesem Rad für das Blockieren des Antriebs bei dem freien Teil der Schwingung sorgen. (Abb. links)
Damit hat Arnold den entscheidenden Gegensatz zu Earnshaws und Le Roys Version. Zwar hatten beiden im Prinzip unabhängig voneinander den selben Einfall; Earnshaws Ausführung unterschied sich von Arnolds Idee durch Beanspruchung der Feder auf Druck, während das Gangrad gleichzeitig für den Antrieb und das Blockieren des Antriebsrades auf der Hemmungsfeder sorgte . Im folgenden entbrannte ein heftiger Patentstreit zwischen Arnold und Earnshaw, welcher noch lange nach dem Tode Arnolds von dessen Sohn John Roger ausgetragen wurde. Earnshaw beschimpfte Arnold in der gröbsten Weise als Marktschreier und scheute sich nicht zu behaupten Arnolds Spiralen auf seinen Hemmungen seien nur deshalb aus Gold weil Stahl unter seinem Handschweiß sofort rosten würden. Earnshaw warb Arnold auch einen Mitarbeiter, Mr. Lancaster, ab, um mehr über Arnold und dessen Arbeiten zu erfahren. Trotzdem hat sich später die Konstruktion von Earnshaw durchgesetzt und wurde die bis heute für Schiffschronometer gebräuchliche Hemmung mit Kompensationsunruh. Der lang anhaltende Streit der beiden Kontrahenten brachte effektiv nichts, da sich das Längenbüro für eine gleiche Bewertung beider Erfindungen entschied und selbst eine extra bemühte Kommission des Unterhauses keine Entscheidung brachte: der ausgelobte Preis, wurde zu gleichen Teilen 1805 an beide ausbezahlt, jeweils 3000 Pfund Sterling.
John Roger Arnold (1769-1843) lernte bei Abraham Louis Breguet, musste aber infolge der Flucht von Breguet aus dem von der Revolution beherrschten Paris nach La Chaux de Fonds wieder nach England zurückkehren. Es wird berichtet, das John Arnold (Vater) eine Breguet Uhr mit seinem Chronometeréchappement (Hemmung) ausgestattet hat, gewissermaßen als Ausdruck der hochachtungsvollen Bewunderung für Breguet. Dieser hatte seinerseits für dessen Sohn John Roger Arnold den Taschenchronometer Nr. 11 zum Tourbillon umgebaut, um seinerseits seine Hochachtung vor Arnold Senior zu beweisen. John Roger arbeitete im Stil seines Vaters weiter, verbesserte die Kompensationsunruh durch verschiedene Neukonstruktionen wie Regulierschrauben statt der Gewichte. Nach dem Tod von John Roger Arnold kaufte Charles Frodsham, ein Urenkel von Harrison, das ganze Geschäft Arnold auf. Bis 1858 hieß das Geschäft "Arnold & Frodsham, chronometermakers, 84 Strand, London". Frodshams Chronometer erzielten hervorragende Gangergebnisse. Der Chronometer Nr. 1 wies die minimale Abweichung von 0,57 Sekunden in einem Jahr auf!
In der weiteren Entwicklung der Schiffschronometer gab es noch viele heraus-ragende Uhrmacher, die zur stetigen Verbesserung der Gangergebnisse und zur Lösung aller damit verbundenen technischen Probleme beigetragen haben. Die Geschichte der Lösung des Längenproblems mittels einer Uhr auf See, die untrennbar mit den im vorigen Artikel genannten Uhrmachern zusammenhängt, sollte doch genauer betrachtet werden. Noch nie zuvor ist in vergleichsweise so kurzer Zeit wie den 40 Jahre zwischen Harrisons "H1" und "H4" so viel technologischer Fortschritt erreicht worden. Die Resultate dieser technischen Entwicklung sind bis heute die Grundlagen für den Bau und die Prüfung von Präzisionsuhren, selbst wenn deren Bedeutung in den letzten Jahrzehnten deutlich abgenommen hat.
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