Il cielo dei navigatori – Il problema delle Longitudini

15 Marzo 2020 / Commenti disabilitati su Il cielo dei navigatori – Il problema delle Longitudini

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La navigazione: arte imperfetta

Alla metà del XVI secolo, le nuove tecniche di navigazione inventate dai portoghesi cominciarono a diffondersi anche presso gli altri naviganti dell’Europa del Nord, non senza incontrare alcune resistenze da parte di elementi particolarmente attaccati alla tradizione. Nuovi strumenti furono inventati per misurare l’altezza del Sole ed altri furono perfezionati per renderne l’uso più agevole. Particolare cura veniva posta nel conservare il tempo a bordo, mediante delle clessidre, e gli errori venivano corretti osservando la culminazione del Sole o utilizzando l’orologio notturno. Tuttavia, Thomas Digges (1546-1595), scrivendo un libro sull’Arte della navigazione dichiara che essa ha una grande imperfezione, ovvero non permette di determinare la longitudine in mare. Ci vorranno quasi 200 anni perché questo problema venga risolto in maniera soddisfacente.

Navigatori e loro strumenti alla fine del XVII secolo. Frontespizio del libro “Practical navigation” di John Seller, Londra 1672

La differenza di longitudine tra due luoghi può essere calcolata come differenza dei due tempi locali in un certo istante. La misura del Tempo Solare locale non creava problemi anche disponendo di una limitata strumentazione astronomica e la misura poteva essere fatta agevolmente anche a bordo di una nave in movimento. Il problema era di conoscere il tempo dell’altro luogo, in mancanza di orologi affidabili o di sistemi di telecomunicazione. Una risposta, teoricamente corretta al problema, fu data già nel 1514 da Johann Werner (1468-1522), riprendendo un’idea di Amerigo Vespucci. Un metodo alternativo, ma prematuro, basato sull’impiego dell’orologio, fu suggerito da Gemma Friso nel 1530.

“De principiis Astronomiae & Cosmographiae” di Gemma Frisio

Dal capitolo XVIII dei Principi di Astronomia e Cosmografia di Gemma Frisio:

Noi sappiamo che, nel nostro tempo, sono disponibili orologi di poco ingombro per il viaggiatore, date le loro piccole dimensioni. Essi spesso riescono a muoversi con continuità per intervalli di tempo di 24 ore e, se lo desiderate, possono farlo indefinitivamente.[se si ha cura di caricarli]Con questi orologi si può trovare la longitudine seguendo questo metodo. Dobbiamo aver cura che, prima di partire, l’orologio sia accuratamente sincronizzato con il tempo del luogo di partenza. L’orologio non si deve mai fermare durante il viaggio Dopo che sono state percorse 15 o 20 miglia, se vogliamo conoscere di quanto ci siamo spostati in longitudine dal luogo di partenza, dobbiamo aspettare finchè l’orologio indichi esattamente una qualsiasi ora. Nello stesso momento dobbiamo trovare il tempo con un astrolabio o con una sfera armillare. Se questo coincide entro un minuto con il tempo mostrato dall’orologio, siamo sempre sotto lo stesso meridiano o alla stessa longitudine e quindi il nostro percorso è stato tutto diretto o verso Sud o verso Nord. Ma se esso differisce di un’ora o di un qualsiasi numero di minuti, allora questi devono essere convertiti in gradi e minuti di grado…. ed in questo modo si è determinata la longitudine. Con questo metodo io sarei capace di trovare la longitudine dei luoghi anche se fossi stato trasportato, inconsapevole, lontano mille miglia ed anche se non fossi a conoscenza della distanza percorsa durante il viaggio…

Il metodo delle distanze lunari

Per capire come la Luna entri nel problema delle longitudini, si deve ricordare che la soluzione di questo problema richiede di conoscere, al momento della misura, quale sia l’ora del meridiano di riferimento, ad esempio quello di Greenwich. Il problema delle longitudini può quindi essere risolto utilizzando la posizione di astri mobili in cielo (Luna, satelliti di Giove) come lancette di un grande orologio siderale, oppure strumenti meccanici che mantengono il tempo del luogo di riferimento. La Luna, con il suo moto tra le stelle, può essere utilizzata come indicatore del tempo. Il nostro satellite, nel suo moto di rivoluzione attorno alla Terra, si muove in cielo di circa 13° al giorno, risultando così l’oggetto celeste più veloce. Poichè si può prevedere la posizione della Luna rispetto alle stelle in funzione del tempo locale di un qualunque luogo, il tempo del meridiano di riferimento può essere calcolato misurando la sua distanza da stelle note e riconosciute. Potendo calcolare la posizione della Luna con la precisione dell’ordine del primo d’arco (la sessantesima parte del grado), si ricava il tempo del meridiano di riferimento con un errore dell’ordine di due minuti, il che comporta, per la posizione della nave, un errore di circa 30 miglia nautiche all’Equatore e di circa 15 miglia a 60° di latitudine.

In linea di principio il metodo è molto semplice ma richiede che siano soddisfatte tre condizioni: deve essere nota la posizione delle stelle che vengono interessate dal moto della Luna, con un errore più piccolo di quello che si commette nel calcolo e nella misura della posizione della Luna stessa. si debbono poter costruire delle tabelle (effemeridi) che prevedano il moto della Luna in cielo, con la stessa precisione. devono esistere e devono essere facilmente utilizzabili in mare gli strumenti di misura. Il primo a suggerire il metodo delle distanze Lunari fu Amerigo Vespucci. Egli tentò di determinare la sua longitudine, rispetto a Norimberga, quando si trovava lungo le coste del Venezuela, utilizzando la congiunzione della Luna con Marte il 23 Agosto del 1500. Tuttavia, la prima proposta completa e consapevole di adoperare la Luna come indicatore di tempo è del 1514 e viene fatta da Johann Werner (1468-1522). Il suo suggerimento rimase noto ad una ristretta cerchia di studiosi fino a quando non lo riprese Pietro Apiano (1495-1552), che ne dette un’ampia descrizione nella sua Cosmografia. Il metodo restò però inutilizzabile finchè non furono realizzate le tre condizioni indicate.

Si deve ad un medico e professore di matematica al College Royale de Paris, Jan-Baptist Morin (1583-1656), l’aver portato all’attenzione di Richelieu, nel 1634, la circostanza che la Luna avrebbe potuto essere utilizzata per trovare le longitudini. Grazie al suo suggerimento, 33 anni dopo fu fondato l’Osservatorio di Parigi.

L’Osservatorio di Parigi

Nel 1674 un altro francese, Sieur de St. Pierre, intimo di Luise de Kéroualle, Duchessa di Portsmouth, (una delle amanti di Re Carlo II di Inghilterra) riesce a far sapere al re di essere a conoscenza di un metodo per determinare la longitudine in mare.

Luise de Kéroualle, Duchessa di Portsmouth

Si trattava della proposta che Morin aveva fatto quaranta anni prima a Richelieu. Una commissione di astronomi, nominata dal re, si espresse dicendo che il metodo era sensato, ma era anche impraticabile, per le stesse ragioni per cui era stato rifiutato in Francia: non era sufficientemente noto il moto della Luna e non esistevano carte stellari sufficientemente precise. Gli inglesi decisero però che valeva la pena di tentare per cui fu fondato, per volere del re, il Royal Observatory nel villaggio di Greenwich, proprio per rendere praticabile il metodo delle distanze lunari. Re Carlo II nominò il giovane Flamsteed Astronomo Reale, con l’incarico di adoperarsi con la massima cura e diligenza a migliorare le tabelle del moto della Luna e misurare le posizioni delle stelle, in modo da risolvere il tanto controverso problema delle longitudini.

L’Osservatorio di Greenwich subito dopo la sua costruzione (Dipinto di autore ignoto conservato presso il National Maritime Museum di Greenwich)

Il metodo delle distanze lunari divenne praticamente utilizzabile solo nel 1767 quando l’Astronomo Reale Nevil Masklyne dette inizio alla pubblicazione annuale del “Nautical Almanac”, in cui erano riportate le posizioni della Luna in funzione del tempo.

Galileo ed il “negozio delle longitudini”

Ritratto di Galileo del Sustermans

La misura della differenza di longitudine tra due luoghi è sempre riconducibile alla misura della differenza dei loro tempi locali. L’astronomo, per determinare il tempo locale, deve avere a disposizione un strumento (orologio o clessidra) per misurare il tempo trascorso da un qualche evento del giorno (alba, culminazione o tramonto del Sole ecc). Una volta noto il tempo locale, per determinare la longitudine, deve trovare la differenza (in quel momento) con il tempo locale del meridiano di riferimento. In assenza di sistemi di telecomunicazioni e di orologi trasportabili ed affidabili, il problema è di difficile soluzione. Il metodo delle distanze lunari consisteva nel ricavare il tempo del luogo di riferimento, dalla posizione della Luna rispetto alle stelle.

Galileo, invece, avendo scoperto che il pianeta Giove è circondato da quattro satelliti , (detti anche “pianeti medicei”, in onore della famiglia Medici che governava Firenze) propose, nel “negotio delle longitudini”, di utilizzare le eclissi di questi satelliti, per leggere e conservare il tempo del luogo di riferimento. Nonostante gli sforzi di Galileo e di molti altri astronomi, come ad esempio Giovanni Battista Hodierna (1597 -1660) a Palermo, negli anni immediatamente successivi alla scoperta dei satelliti di Giove, le tavole che ne prevedevano le posizioni non erano ancora sufficientemente precise, tanto che negli anni 1660-70 gli astronomi non le usarono nemmeno per determinare le longitudini a terra, preferendo il metodo delle eclissi lunari. A Giovanni Domenico Cassini (1625 -1712), astronomo italiano trapiantato a Parigi, si deve il perfezionamento del metodo basato sull’osservazione dei satelliti di Giove. Disponendo di un telescopio di alta qualità, Cassini riuscì a fare spettacolari scoperte sulle strutture della superficie di Marte, sulla rotazione di Giove e sul transito dei satelliti medicei sul disco di quel pianeta. Con osservazioni protrattesi per diversi anni, Cassini fu in grado di pubblicare nuove e più accurate effemeridi, che furono usate da Jean Picard (1620 -1682) in alcune spedizioni per determinare la longitudine di luoghi lontani. A partire dal 1693 il metodo dei satelliti di Giove viene usato correntemente per stendere carte geografiche. L’Accademia di Francia pubblica una nuova carta della Francia, ottenuta con misure di longitudine più accurate, basate su i satelliti di Giove.

‘Carta della costa occidentale della Francia rilevata utilizzando le misure di longitudine basate sulle osservazioni dei satelliti di Giove e confrontata con una carta precedente

La leggenda vuole che il Re Luigi XIV, nel vedere questa nuova carta, si sia lamentato dicendo di aver perso più terre per causa degli astronomi che non dei suoi nemici. Il metodo delle eclissi dei satelliti di Giove resta il sistema principale per la misura delle longitudini a terra fino alla fine del settecento, ma non avrà mai grande successo in mare, a causa dell’oggettiva difficoltà di osservare le posizioni dei satelliti di Giove, da una nave in movimento.

Edmund Halley e la declinazione magnetica

Tutti conoscono il nome dell’astronomo Halley, grazie alla cometa che porta il suo nome e di cui previde il ritorno in base alle leggi della nuova fisica, enunciata dal suo amico Isaac Newton. Halley dette anche un notevole contributo allo studio del problema delle longitudini e della navigazione astronomica in genere. C’era un fenomeno, scoperto da Colombo, che Halley considerava particolarmente importante per risolvere il problema della longitudine: si tratta della declinazione magnetica che consiste nella deviazione dal Nord geografico della direzione delle linee di forza del campo magnetico terrestre, lungo cui si orienta l’ago della bussola. Questa deviazione, non è costante su tutta la Terra, per cui la sua misura poteva servire, anche in mezzo all’oceano, per ricavare la posizione approssimata della nave.

Parte della carta delle declinazioni magnetiche preparata da E. Halley nel 1701 Proprio per produrre una carta dettagliata delle declinazioni magnetiche Halley fu nominato capitano di una nave, la Paramore, con lo scopo di attraversare l’Oceano Atlantico per confrontare le posizioni ottenute con la bussola con quelle ricavate dalle tabelle dei satelliti di Giove (preparate dall’astronomo Cassini). Per ciascuna posizione avrebbe poi dovuto misurare l’ampiezza della declinazione magnetica. Il viaggio fu un successo, ma le misure di Halley dimostrarono che il metodo non era applicabile se non a qualche caso particolare, perché il fenomeno della declinazione magnetica cambia, anche se lentamente nel tempo, rendendo inutilizzabili, dopo qualche anno, le carte prodotte.

Idee stravaganti per risolvere il problema delle longitudini

In Inghilterra, agli inizi del XVIII secolo, fiorirono alcune idee stravaganti per risolvere il problema delle longitudini. Si tratta di suggerimenti bislacchi, che danno la misura di quanto fosse sentito il problema.

  • Samuel Flyer: uno che aveva capito poco di Astronomia. Rettore a Stockton nel Wiltshire, suggerì nel 1699 di dividere il cielo in ventiquattro settori, mediante opportuni allineamenti di stelle, nella direzione Nord Sud, cioè di costruire una sorta di fusi orari del cielo. Per determinare la longitudine si sarebbe dovuto solo aspettare il momento in cui il primo settore si fosse trovato sulle “Isole Fortunate”, e osservare quale settore di cielo si trovava sul meridiano locale. Da questa osservazione si sarebbe dedotta immediatamente la longitudine. Il reverendo dimenticava però che, non avendo un orologio affidabile o non disponendo di un mezzo per trasmettere un segnale orario o non possedendo il dono dell’ubiquità, non era possibile sapere in che momento il primo settore passava al meridiano delle “Isole Fortunate”. Speriamo che il rettore Flyer non abbia insistito molto nell’insegnare la sua teoria ai ragazzi del Collegio di cui aveva la responsabilità.
  • Isaac Hawkins: ovvero come trovare la longitudine con un barometro. Quando si deve risolvere un problema scientifico, ci sono sempre individui che propongono le soluzioni più stravaganti, senza avere idea, per ignoranza, delle stupidaggini che dicono. Il signor Hawkins parte dal presupposto, corretto, che la marea sia legata alla posizione della Luna. Propone di ricavare questa posizione misurando il livello della marea, cosa questa possibile anche con il cielo coperto. Ma come fare per misurare il livello della marea in mare aperto? Hawkins propone di portare in navigazione un barometro che, secondo lui, avrebbe senz’altro indicato l’innalzamento del livello del mare. Il nostro stravagante inglese non teneva conto del fatto che l’accuratezza della misura barometrica non sarebbe mai stata sufficiente per evidenziare i piccoli cambiamenti di livello del mare. Inoltre, anche quando fosse riuscito a determinare la posizione locale della Luna, non avrebbe affatto risolto il problema della longitudine, perchè gli mancava di conoscere la posizione della Luna sul meridiano di riferimento.
  • William Whinston e Humphry Ditton: ovvero il telegrafo ottico oceanico. Il metodo proposto da questi due geniali signori si basava sull’uso di “navi faro” da ancorare lungo le rotte oceaniche, alla distanza di circa 200 miglia, (poco meno di 400 km), l’una dall’altra. Esse avrebbero dovuto sparare in aria un fuoco d’artificio per segnalare la mezzanotte del meridiano di riferimento. In questo modo, da una sponda all’altra dell’oceano, si sarebbe propagato una sorta di segnale orario ottico, condizioni metereologiche e lunghezza delle catene delle ancore permettendo. L’idea di lanciare un segnale per trasmettere il tempo del meridiano di riferimento era buona, ma verrà realizzata solo nel XX secolo usando le onde radio. Allora il “telegrafo ottico transoceanico” risultò irrelizzabile per evidenti ragioni tecniche.
  • La polverina magica. Abbiamo voluto lasciare per ultimo il suggerimento più stravagante. Si diceva che esistesse una polvere che, cosparsa sulle bende che avevano avvolto un cane ferito, sarebbe stata capace di procurare dolore all’animale, anche se si fosse trovato a migliaia di chilometri di distanza. Sarebbe bastato quindi che ogni nave, prima lasciare il porto, avesse imbarcato un cane ferito e avesse lasciato a terra dei bendaggi che erano serviti per curarlo. La capitaneria di porto avrebbe provveduto a cospargere le bende con questa polverina ogni mezzanotte, in modo che il cane sulla nave, col guaito di dolore, avrebbe potuto segnalare che in quel momento era mezzanotte nel porto di partenza, risolvendo quindi il problema fondamentale della longitudine. Ci asteniamo da qualsiasi commento.
Particolare della tela di W. Hogarth “The Rake in Bedlam”

Il problema delle longitudini fu l’assillo delle menti più eccelse, si alternarono momenti di euforica ricerca a momenti di malinconica disillusione, qualcuno giunse a considerare ogni ulteriore impegno un’autentica pazzia. Possiamo comprendere come il problema delle longitudini fosse sentito importante, ma forse insolubile, e come esso fosse conosciuto anche da i non addetti ai lavori, dalla sua presenza nella letteratura e nell’arte. L’esploratore Samuel Champlain (1567-1635), fondatore della città di Montreal, ebbe a dire Dio non ha permesso all’uomo l’uso delle longitudini! Nel 1726 lo scrittore inglese Jonatan Swift fa dire a Gulliver, protagonista del suo romanzo, che sono solo tre le cose impossibili per l’uomo: il moto perpetuo, la medicina universale e la soluzione del problema delle longitudini.

Ancora nel 1735 William Hogarth in una sua famosa tela satirica rappresenta una scena di manicomio con la presenza di vari ammalati di mente e, tra questi, uno che si sforza di risolvere il problema della longitudine.

Su tutti questi argomenti e, soprattutto, sull’atmosfera che accompagnò la secolare discussione, vi suggeriamo di leggere il romanzo di Umberto Eco L’isola del giorno prima (Milano, Bompiani 1994).

Il disastro delle Scilly

Sir Clowdisley Shovell, al comando della propria flotta, stava tornando vittorioso verso Londra dopo alcune schermaglie con le navi francesi dalle parti di Gibilterra. Era il mese di Ottobre del 1707. In base alle valutazioni del punto stimato, tutti gli ufficiali di rotta erano d’accordo con l’ammiraglio che la flotta si trovasse ad Ovest dell’isola di Ouessant, una delle isole al largo della Bretagna, ed era convinzione generale che le navi fossero in acque profonde e quindi al sicuro. Purtroppo cadde la nebbia, e le navi furono costrette a muoversi senza che le vedette potessero scorgere eventuali pericoli. I calcoli erano sbagliati, le navi erano pericolosamente vicine alle isole Scilly, contro le quali andarono ad urtare nella notte del 22 Ottobre.

Di una flotta di cinque navi da guerra, ne affondarono quattro portando negli abissi migliaia di uomini. Due persone si salvarono, una di queste fu proprio l’ammiraglio che, mentre guadagnava con fatica la riva, senz’altro avrà pensato a quel marinaio che aveva fatto impiccare il giorno prima. Quel marinaio aveva osato, per proprio conto, calcolare la posizione delle navi ed essendosi convinto che esse fossero pericolosamente vicine alla costa, aveva avvertito l’ammiraglio. L’ammiraglio, applicando le regole della marineria militare inglese, lo aveva fatto immediatamente impiccare, infatti nelle regole di ingaggio era esplicitamente proibito ai marinai di rilevare la posizione delle navi. Una volta giunto a riva, l’ammiraglio venne ucciso da una contadina del luogo, innamorata perdutamente dell’anello di smeraldo che Shovell portava al dito. Ma questo si seppe solo quando la stessa contadina, presa dal rimorso confessò, in punto di morte, il delitto al suo Pastore, portando in prova l’anello rubato all’ammiraglio.

20.000 sterline e una commissione di astronomi

Nel Giugno del 1714, il Parlamento inglese decise di dare una risposta alla pressante richiesta, che veniva dai mercanti e dai marinai, di fare qualche cosa per risolvere il problema delle longitudini. Fu chiesto l’aiuto dei grandi scienziati di quel tempo: Halley e Newton.

I ritratti di Edmund Halley e Isaac Newton

Halley si trovava a Sant’Elena per costruire una carta del cielo australe. Newton invece preparò una relazione per il parlamento in cui, dopo aver riassunto i metodi utilizzati allora per determinare la longitudine, descrisse in dettaglio l’uso dell’orologio, soffermandosi sulle caratteristiche dell’orologio che sarebbe stato necessario avere, a bordo delle navi, per conservare il tempo del porto di partenza o di un luogo sito sul meridiano di riferimento. Scrive Newton:

Un metodo si avvale dell’orologio per mantenere il tempo esattamente. Ma a causa del moto della nave, della variazione di temperatura e di umidità, della differente forza di gravità alle differenti latitudini, quest’orologio non si è ancora potuto costruire.

Forse Newton, con queste parole, voleva in qualche modo spaventare il Parlamento perché fosse più favorevole ad accettare metodi astronomici, come quello dei satelliti di Giove o delle distanze lunari, metodi che a lui dovevano sembrare più praticabili e su cui già si stava lavorando. Il Parlamento decise di istituire un comitato per le longitudini di cui avrebbero fatto parte astronomi, esperti di navigazione e un rappresentante del Parlamento stesso. Questo comitato è il primo esempio di “ente di ricerca pubblico”. Ora di questi enti ne abbiamo tanti esempi: in Italia il Consiglio Nazionale delle Ricerche, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, l’Istituto Superiore di Sanità ecc. Ce ne sono anche negli altri paesi, per esempio la National Aereonautics and Space Administration (NASA), costituita per fare ricerca spaziale. Per stimolare l’ingegno inglese e anche straniero, il Comitato per la Longitudine (Board of Longitudes) avrebbe avuto a disposizione un abbondante dotazione finanziaria, sia per premiare ricerche utili per risolvere il problema, sia per premiare chi lo avesse effettivamente e definitivamente risolto. Erano previsti tre premi: il primo di 20.000 sterline , equivalenti a 12 milioni di dollari 1998, sarebbe andato a chi avesse risolto il problema della longitudine, con una precisione di mezzo grado di cerchio massimo, il secondo premio di 15.000 sterline sarebbe andato a chi avesse risolto il problema, con la precisione di due terzi di grado di cerchio massimo, e infine un ultimo premio di 10.000 sterline sarebbe toccato a chi avesse proposto un metodo di misura, preciso entro un grado. Siccome un grado di cerchio massimo misura 60 miglia marine, si vede che, dal punto di vista della navigazione, le richieste non erano particolarmente stringenti, specialmente quando le navi si trovavano vicino alle coste, ma i criteri adottati sarebbero stati sufficienti per salvare le navi dal disastro delle Scilly.

John Harrison: un testardo orologiaio di provincia

Ritratto di John Harrison, dipinto da Thomas King nel 1766, quando Harrison aveva 73 anni. Nella sua mano destra stringe un orologio da tasca, probabilmente l’esemplare costruito da John Jeffys nel 1753 e servito poi come modello per la realizzione del cronometro H4.

John Harrison nacque il 24 Marzo del 1663 nello Yorkshire, primo di cinque fratelli. Il padre era un bravo falegname e lavorava anche come custode di una tenuta di campagna. John seguì gli studi presso le scuole del suo paese, durante gli studi gli capitò per le mani un libro di meccanica pratica che copiò con cura, parola per parola, su diversi quaderni, ampliandolo e ridisegnando i grafici che vi erano acclusi. A circa venti anni costruì:, senza mai aver fatto pratica da un orologiaio, uno splendido orologio a pendolo che aveva una caratteristica interessante, era completamente realizzato in legno. In seguito, nel 1715 e nel 1717 Harrison costruì altri due orologi in legno, e in uno di questi troviamo una tabella della equazione del tempo che doveva servire a registrare l’orologio, con il Sole.


Uno dei primi orologi (1715) con ingranaggi di legno costruiti da J. Harrison. Per procedere allo registrazione si doveva disporre di una meridiana che indicasse l’istante del passaggio del Sole al meridiano, poi, con le tavole dell’equazione del tempo, si poteva ricavare il mezzogiorno di tempo solare medio . Non è chiaro quando Harrison pensò di competere per il premio messo in palio dal Board of longitudes, sappiamo però che nell’estate del 1730 era a Londra e si incontrava con Halley che, nel frattempo, era diventato “Astronomer Royal”, dopo la morte di Flamsteed che, negli ultimi anni della sua vita, lo aveva denunciato perché amava bere brandy e bestemmiava come un capitano di mare. Halley ricevette Harrison con molta cortesia, ascoltò il suo progetto di costruire un orologio che fosse capace di funzionare a bordo di una nave e lo indirizzò dal più grande costruttore di orologi di Londra: George Graham. Si racconta che Harrison andò a trovare Graham alle dieci del mattino ed alle otto di sera i due erano ancora a discutere di orologi; quando si congedarono, Graham aveva concesso ad Harrison, per costruire l’orologio che aveva progettato, un prestito da restituirsi senza fretta e senza interessi.

Ci vollero cinque anni perché Harrison mettesse a punto l’orologio che fu chiamato H1 (Harrison numero 1). L’orologio pesava settantacinque libbre (quasi trentacinque chili!) e stava dentro un cubo di vetro e legno di circa un metro di lato: era cioè un oggetto molto ingombrante, ma non usava più il pendolo per scandire il tempo. L’orologio fu accolto con entusiasmo da Halley e da Graham, ma l’ammiragliato, invece di mandarlo subito a fare un lungo viaggio in mare si contentò di spedirlo, nel Maggio del 1736, a Lisbona a bordo della nave Centurion. Arrivato a Lisbona l’orologio, con Harrison dietro a custodirlo, fu subito imbarcato di nuovo per l’Inghilterra sulla nave Orford. Al ritorno il comandante, avvicinandosi alle coste dell’Inghilterra, aveva comunicato ad Harrison la posizione stimata della nave. Harrison, in base alla lettura del suo orologio e all’osservazione delle stelle, poneva la nave a 60 miglia ad ovest del punto stimato, e così risultò essere. L’orologio H1 sembrava funzionare e, per la prima volta, il Board of longitudes si riunì, il 30 Giugno 1737, per discutere dei risultati ottenuti da Harrison. In quella riunone, stranamente, l’unico a parlare contro l’orologio fu il suo costruttore, Harrison, che si era reso conto dei molti difetti della sua macchina e chiedeva un anticipo di 500 sterline, per costruirne un secondo prototipo.

Nel Gennaio del 1741, presentò il secondo orologio, l’H2 ed anche in questo caso il critico più spietato fu proprio lui, Harrison. Di nuovo l’orologio gli valse un ulteriore finanziamento, ma non fu neanche spedito in mare. Harrison, che allora aveva 42 anni ed era diventato un cittadino di Londra, si chiuse nel suo laboratorio e per circa venti anni non si fece più sentire, fino al completamento del terzo orologio, l’H3 , intorno al 1757. Nel frattempo si era fatto fare da un orologiaio con cui era venuto in contatto, tale John Jefferys un orologio da tasca, su suo disegno, includendovi alcuni delle innovazioni degli orologi che andava costruendo per il Board of Longitudes. Harrison fu colpito della qualità di questo orologio, e gli bastarono pochi anni per costruirne un altro, lui stesso, in cui, sfruttando l’esperienza fatta con gli orologi H1H2 e H3, era riuscito a eliminare gli effetti di temperatura, che facevano perdere ai suoi orologi manciate di secondi, e il rallentamento del meccanismo associato al ricaricamento della molla. Nasce così l’orologio H4 che farà vincere agli Harrison, padre e figlio, il premio di 20.000 sterline, non senza una lunga lotta contro l'”Astronomer Royal”.

Un orologio in crociera

Quando l’orologio H4 fu pronto, non era pronto il Board of Longitudes per provarlo. Ormai abituati ai grandi ritardi di Harrison, questa volta gli autorevoli membri del comitato furono presi alla sprovvista. I maligni potrebbero insinuare che la cosa fu deliberatamente voluta, dal momento che, nel comitato, era presente almeno una persona, che voleva vincere il premio utilizzando il metodo alternativo delle distanze lunari. Gli Harrison furono mandati a Portsmouth ad attendere la nave che li avrebbe portati nelle Nuove Indie, insieme con l’orologio. William, che si preparava a salpare al posto del padre John ormai troppo vecchio, scrive in diverse lettere della lunga ed inutile attesa nel porto e dice, in una di queste, che, per svago, aveva piantato dei fagiolini in un orto improvvisato, sperando di non avere neanche il tempo di vederli nascere. Non solo i fagiolini nacquero, ma ebbe anche il tempo di mangiarli e tutto questo mentre sua moglie stava aspettando un bambino. Comunque il momento della partenza arrivò. Venne allestita la nave Deptford e l’orologio fu regolato con il tempo di Portsmuth, dal direttore della locale accademia navale. Dopo 10 giorni di navigazione la nave si trovava alla latitudine di Madeira, ma a bordo non sapevano se l’isola era a Est o ad Ovest. Il capitano stabilì, in base al punto stimato, che si trovavano molto a Est dell’isola e che ci sarebbero voluti ancora giorni di navigazione per raggiungerla. William Harrison invece, utilizzando l’orologio e le osservazioni astronomiche, riteneva che erano molto più vicini e che il giorno dopo avrebbero avvistato le coste e così fu. L’equipaggio fu molto contento perché, durante il viaggio, si era dovuto buttare a mare una gran quantità di rifornimenti che erano andati a male compresa tutta la birra disponibile che si era inacidita. Il 19 Gennaio 1762 la nave raggiunge Port Royal in Jamaica. All’arrivo furono subito informati che nessuna nave sarebbe tornata prima di Giugno, e quindi Harrison e John Robinson, che era stato mandato dal Board of Longitudes per fare le misure astronomiche necessarie, cominciarono a compiere, con calma ,le misure per stabilire con sufficientemente precisione il tempo di Port Royal e per confrontarlo con quello segnato dall’orologio. Si trattava sostanzialmente di determinare la longitidine del porto, utilizzando le configurazioni dei satelliti di Giove.

Tabella delle posizioni dei satelliti di Giove, in uso sulle navi

Improvvisamente vengono avvertiti che, all’ultimo momento, era stato deciso di mandare una nave a Londra e che quindi era possibile partire.  Il viaggio di ritorno su una piccola nave, la Merlin, fu un incubo per William Harrison, il mare spesso fu molto mosso, le ondate entravano fino nella sua cabina e grandi furono i suoi sforzi per mantenere asciutto l’orologio. Racconterà poi di aver dormito nelle coperte bagnate, per asciugarle con il calore del suo corpo e poterle quindi utilizzare per proteggerlo. Come Dio volle anche questo tormento ebbe fine e la nave toccò terra. Le misure astronomiche indicarono che l’orologio aveva perso 1 minuto e 54.5 secondi in 147 giorni, dall’Inghilterra alla Giamaica e ritorno. Pertanto l’errore in longitudine derivante dall’errore dell’orologio sarebbe stato di circa mezzo grado, ma il percorso fatto era stato doppio di quello stabilito dal bando del concorso del Board of Longitudes, per cui gli Harrison reclamarono il premio nell’ipotesi, non verificata, che l’orologio fosse andato indietro, regolarmente. Su questo cavillo, non ininfluente, si svolgerà una lunga battaglia tra gli Harrison, padre e figlio e l’Astronomo reale, che aveva tutto l’interesse che l’orologio non vincesse. Si arrivò a proporre addirittura un nuovo viaggio con grande disappunto di William Harrison. Dapprima gli Harrison, padre e figlio fecero resistenza, ma diverse considerazioni fecero cambiare loro idea. Tra queste non doveva essere stato ininfluente il fatto che il metodo delle distanze lunari, per determinare la longitudine in mare, era stato molto perfezionato e quindi poteva essere un rivale pericoloso per l’orologio. Ci vollero due anni per prendere la decisione, e fu cambiata la destinazione, non più la Jamaica, ma bensì le Barbados.

Finalmente l’orologio partì, a bordo della nave Tartar il 28 di Marzo del 1764, in compagnia di William Harrison. Il viaggio fu una copia conforme del primo, la sosta a Madeira e l’arrivo alle Barbados il 13 di Maggio. Secondo l’orologio, la differenza in longitudine tra Portsmouth e Bridgetown, nelle Barbados, era pari a 3 ore, 54 minuti e 18.15 secondi. Gli astronomi, con il metodo dei satelliti di Giove determinarono una differenza di longitudine di 3 ore, 54 minuti e 57.27 secondi. Una differenza di meno di 39.1 secondi che, tradotta in gradi, equivaleva a 0.16 gradi, cioè un po’ meno di dieci miglia nautiche e quindi ben al di sotto del limite posto dal Board of Longitudes., per vincere il premio.

Quando un astronomo geloso ci mette il naso

Ritratto di Nevil Maskelyne, quinto astronomo reale e fondatore del “Nautical Almanac”

Non appena fu chiaro a tutti che H4 aveva soddisfatto ogni condizione imposta dal bando del Board of Longitudes, ecco che sorsero nuove difficoltà. Ci si domandava: ma se si fa una copia di H4, questa si comporterà come l’originale? Oppure: quanto costerà costruire altri esemplari di “H4”? Non è che saranno così costosi che nessuno si potrà permettere di comprarli? Così il Board of Longitudes decise di cambiare le regole del premio qaundo già vi era un vincitore! Fu chiesto al Parlamento di deliberare sulla materia del contendere e il risultato della discussione fu una nuova legge, pubblicata nel 1765. Il premio sarebbe stato diviso in due parti di 10.000 sterline ciascuna. La prima parte sarebbe stata assegnata ad Harrison solo alla condizione che rendesse pubblici i disegni di “H4”, in modo da mettere in grado orologiai esperti di replicarlo. Harrison dovette piegarsi e il 14 Agosto del 1765, gli orologiai Larcum Kendall, Thomas Mudge, William Mathews, il filosofo John Michell, il matematico Wiliam Ludlam, il costruttore di strumenti John Bird, si incontrarono a casa di Harrison e sottoposero il padrone di casa ad un fuoco di fila di domande sull’orologio e sui disegni che lui aveva preparato. Otto giorni dopo Harrison ebbe un certificato in cui si dichiarava che aveva risposto in maniera soddisfacente a tutte le domande. Con questo certificato poté riscuotere 7500 sterline (2500 le aveva già ottenute come anticipo), però veniva contemporaneamente costretto a consegnare tutti gli orologi costruiti da “H1” a “H4”.

Tutte le difficoltà di Harrision furono in gran parte dovute all’inimicizia con l’Astronomo Reale Nevil Maskelyne che voleva vincere il premio con il metodo delle distanze lunari che era stato, anche da lui, ulteriormente perfezionato. Insomma il giudice di gara (Maskelyne, come Astronomo Reale, era nel Board of Longitudes) correva anche lui!

Un caso di spionaggio

La notizia dei risultati ottenuti da Harrison giunse sino in Francia. La Francia era anch’essa molto interessata a risolvere il problema delle longitudini ed è quindi naturale che mandasse degli agenti per avere informazioni e per carpire i segreti costruttivi di H4. Dapprima si tentò legalmente di contrattare con Harrison che chiese, però, 4000 sterline per descrivere il funzionamento dell’orologio. Il ministero della Marina francese autorizzò un compenso di sole 500 sterline, proposta questa che fu subito rifiutata. Tuttavia un orologiaio francese, in missione in Inghilterra, riuscì a prendere contatto con Thomas Mudge, che aveva partecipato alla riunione in casa Harrison, in cui si erano discusse le caratteristiche costruttive dell’orologio. Mudge non ebbe difficoltà, forse aiutato da qualche ricompensa, a rivelare ai francesi tutto quello che sapeva. Non era molto ma fu, comunque, un buon inizio per l’orologeria francese che, ben presto, riuscì anch’essa a produrre orologi di qualità paragonabile a quella di H4.

E il Re buono premia il vecchio orologiaio

Tra i patti sottoscritti da Harrison, per ottenere la prima parte del premio, c’era quello di consegnare tutti gli altri orologi, ma per un pò non se ne fece di nulla. Il 23 Marzo del 1766 Nevil Maskelyne, guidando una piccola squadra di facchini e un carretto, si presentò a casa di Harrison con l’intento di prelevare tutti gli orologi: Harrison si adirò molto perché gli accordi erano diversi. Gli orologi avrebbero dovuto essere portati a Greenwich con un battello e fino al battello con una carrozza con le molle, invece di un carro come quello con cui si era presentato Maskelyne. Per di più H1 cadde per terra mentre lo trasportavano. A Greenwich, dopo un breve controllo, gli orologi furono fermati e messi da parte. In Francia erano giunte voci del successo di Harrison, per cui assistiamo anche a un divertente episodio di spionaggio industrial-militare.

L’orologio “H5”

Dopo aver ritirato la prima metà del premio, fu chiesto ad Harrison di costruire altri esemplari di H4. Harrison aveva già 74 anni ed esitava ad intraprendere un lavoro così impegnativo. Per di più era angustiato, Maskelyne aveva preso l’orologio “H4” e l’aveva imbarcato su una nave per fare delle altre prove. Queste prove andarono male, perché Harrison, quando lo aveva rimontato dopo il secondo viaggio, non lo aveva lubrificato per un funzionamento ad alta precisione. Questo cattivo risultato fu subito pubblicizzato da Maskelyne, che non perse l’occasione di suggerire che sarebbe stato più saggio approfondire (e premiare) il metodo delle distanze lunari. Nonostante tutte le difficoltà Harrison, aiutato dal figlio, costruì un altro orologio, detto “H5”, che fu pronto nel 1772. A questo punto l’anziano orologiaio, stanco delle angherie del Board of Longitudes, fece una petizione a re Giorgio III, descrivendogli le sue vicissitudini.

Il re, commosso, ordinò che l’orologio venisse provato nel suo osservatorio privato a Richmond Park. Ebbene, questo orologio in 10 settimane rimase indietro di solo 1 secondo e un quarto. Questo risultato impressionò molto re Giorgio, e, come in tutte le belle favole, il re buono, indignato, per l’operato dei suoi funzionari, chiese ed ottenne dal Parlamento l’autorizzazione a liquidare ad Harrison altre 8.750 sterline. In totale, quindi, il geniale orologiaio inglese ricevette 23.065 sterline dall’erario per 45 anni di appassionato lavoro. Si noti bene che questo ultimo pagamento non era la seconda parte del premio, ma solo un riconoscimento voluto dal Re per Harrison. Il vecchio orologiaio ricevette, poco dopo, anche una bella notizia che, crediamo, lo rese molto felice.

Un avventuroso capitano ed il suo orologio

L’avventuroso capitano è James Cook, ben noto per le sue grandi esplorazioni. Cook, durante i preparativi per il secondo viaggio nell’Oceano Pacifico (1772-1775), pensò bene di portare con se un orologio. Harrison avrebbe voluto che il capitano portasse il suo H4, ma il Board of Longitudes dette parere negativo.

La ricostruzione moderna dell’Endeavour, una delle navi di Capitano Cook
L’orologio “K1” (12 cm. di diametro) ed un particolare della meccanica

Cook allora dovette ripiegare su un altro orologio chiamato K1, una copia di H4 fatta dall’orologiaio Larcum Kendall. Non ci si aspettava che questo orologio potesse muoversi con regolarità per anni, tanto sarebbe durata la seconda spedizione di Cook, ma il metodo delle distanze lunari, abbinato all’uso dell’orologio si rivelò un binomio vincente. La Luna permetteva di verificare il funzionamento dell’orologio e di valutarne gli eventuali errori, mentre l’orologio dava sempre al comandante la certezza di poter trovare la sua posizione, sia per la navigazione che per gli scopi della cartografia delle nuove terre che si andavano scoprendo.

Cook, nel suo diario di bordo, ha parole di grande apprezzamento per l’orologio, lo chiama il nostro fedele amico orologio o la nostra guida e dice che il suo funzionamento fu ben superiore alle aspettative anche dei suoi più accesi sostenitori. Non male per uno strumento che Maskelyne aveva considerato di qualità scadente! Tra l’altro, forse, anche l’orologio si affezionò al suo comandante: quando Cook fu costretto a prendere terra per la seconda volta, nella baia di Kealakekua in Hawaii e in uno scontro con gli indigeni fu ucciso, anche l’orologio si fermò.

Gli orologi e il primo esempio di produzione in serie

Si chiamava John Arnold e veniva a Londra dalla Cornovaglia, dove aveva imparato a costruire orologi. Tra le sue letture ci deve essere stato senz’altro il libretto che il Board of Longitudes volle pubblicare sui progetti degli orologi di Harrison.

John Arnold con la sua famiglia

Tanto per farsi conoscere regalò al Re Giorgio III (lo stesso che aveva aiutato Harrison a ricevere il premio che gli spettava) un orologio incastonato su di un anello. Fu forse questo regalo a renderlo famoso nell’alta società londinese e fu senz’altro un buon viatico per fare accettare al Board of Longitudes un orologio marino semplificato, costruito da lui stesso. L’orologio piacque al Board che ne ordinò degli altri, e tre di essi navigarono con Cook, nella spedizione verso i mari antartici nel 1772-75. Gli orologi però non dettero una grande prova di se, per cui il Board decise di tagliare al giovane orologiaio ogni sussidio. Arnold non si dette per vinto, continuò a produrre orologi e nel 1779 un suo orologio da tasca, conosciuto come il numero 36, dimostrò, durante le prove eseguite a Greenwich, una grande precisione. Tuttavia gli orologi, ancorché precisi, costavano troppo. Era necessario abbattere i costi di produzione, per renderli veramente utilizzabili nella la navigazione. A questo scopo Arnold aprì la prima fabbrica in cui si lavorava in serie e si montavano pezzi, tutti uguali, prodotti da fornitori esterni, secondo rigidi criteri di qualità. Già nel 1780 un orologio da marina poteva essere pagato 80 sterline ed alcuni ancora meno.

Uno dei primi orologi da marina costruiti da J. Arnold

A questo prezzo fu possibile per molti ufficiali di rotta comprarsi il proprio orologio, il che lo rese un prodotto di largo impiego a bordo delle navi di Sua Maesta Britannica e non solo di quelle.