Vortrag von Horst Hassler
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© Horst Hassler CHRONOS Marinechronometer Präzisionsinstrumente für die Navigation -1- Frankfurt / Main Juli 2007 CHRONOS Literatur Empfohlene Literatur zur Entwicklung der Marinechronometer Dava Sobel Längengrad von Dava Sobel ISBN 3-8270-0324-5 Die Harrison H1 -2- Frankfurt / Main Juli 2007 Begriffe und Definitionen CHRONOS Navigation: Das Führen eines Wasser-, Land-, Luft- oder Raumfahrzeuges von einem >> Ausgangsort auf einem bestimmten Weg zu einem Zielort << mit der optimalen Planung und Überwachung der Fahrzeugbewegungen Astronavigation: Dominierte über mehrere Jahrhunderte die ➨ Langstreckennavigation und ist: Bestimmung von Standort und des Kurses durch Winkelmessung zu Gestirnen. > Mit ➨ Sextant, Chronometer und den Nautischen Tafeln kann von einer ➨ bekannten Stellung der Gestirne die ➨ unbekannte Position des Beobachters ermittelt werden. -3- Frankfurt / Main Juli 2007 Astronomische Navigation - Die Utensilien CHRONOS -4- Frankfurt / Main Juli 2007 Der Sextant CHRONOS Sehr genaues Winkelmeßgerät zur Bestimmung des Höhenwinkels eines Gestirns: >>> Höhe über Horizont <<< -5- Frankfurt / Main Juli 2007 CHRONOS Das Nautische Jahrbuch Das Nautische Jahrbuch erscheint jährlich. Darin sind, ermittelbar für jede Sekunde des Tages (01.Jan. – 31.Dez.), die genauen > Bildpunkt- Koordinaten der zur >> Navigation geeigneten Gestirne tabellarisch aufgeführt (vertafelt) -6- Frankfurt / Main Juli 2007 Zur Erinnerung CHRONOS Der Breitengrad Konzentrische Kreise um die Erdachse mit gleichem Abstand zueinander > Null-Breitengrad (Äquator) wird von den Naturgesetzen definiert Schon seit alters her ( ...Weltatlas von Ptolemäus) gekannt und dargestellt > Die Breitenbestimmung ( 90°S ... 0° ... 90°N) ➨ einfacher Vorgang ! Der Abstand von Breitengrad zu Breitengrad ist immer >> 60 Seemeilen Der Längengrad Vertikalkreise gleichen Umfangs - Abstände zueinander immer ungleich > Null-Längengrad beliebig festlegbar (Paris, London, Berlin, etc. etc.) > Die Längenbestimmung (180°E ... 0° ... 180°W) ➨ das große Problem ! Der Abstand von Längengrad zu Längengrad immer >> 4 Zeit-Minuten -7- Frankfurt / Main Juli 2007 CHRONOS Die Seemeile Abgeleitet aus dem Erdumfang am Äquator mit 40.000 Kilometern ergibt sich das Maßsystem für Entfernungen über See: > 1 Seemeile (sog. nautische Meile) = 1 Breitenminute = 1,852 Kilometer Nordpol 60°N 30 sm 40°N 46 sm 20°N 56 sm Äquator 60 sm Kugelzweieck von zwei Längengraden Südpol Nur am Äquator gilt: 1 Längenminute = 1 sm -8- Frankfurt / Main Juli 2007 CHRONOS Die Ortsbestimmung Die Geographische Breite ➨ Breitenparallel zu Äquator ➨ 1. Koordinate Die Geographische Länge ➨ Ortsmeridian zu Nullmeridian ➨ 2. Koordinate Nordpol Breitenparallel Ort (Nebenkreis) Ortsmeridian Äquator Erdmittelpunkt Nullmeridian Südpol Meridian >>> Gedachter Vertikalkreis (halber Großkreis) durch beide Pole -9- Frankfurt / Main Juli 2007 Das Längengradproblem CHRONOS Zu Zeiten der großen Entdecker >>> die ganz große Herausforderung !!! Die fieberhafte Suche nach einer Lösung der Längengradbestimmung > dauerte über 4 Jahrhunderte und erfaßte bald ganz Europa ..... Nahm legendäre Formen an und wurde zur >Existenzfrage der Seefahrt < Durch Auslobung unvorstellbar hoher Prämien durch die Regierungen der großen Seefahrernationen machte sich die gesamte wissenschaftliche Elite ( ... und natürlich auch Scharlatane) an die Problemlösung: > Galileo Galilei, Isaac Newton, Christiaan Huygens, Edmont Halley, > Dominique Cassini etc. etc. Die meisten wandten sich an Mond und Sterne um Hilfe, ..... während > der Tischler John Harrison sein Glück in einer Zeitmaschine suchte ! - 10 - Frankfurt / Main Juli 2007 Der Längengradpreis CHRONOS In England begann ein jahrzehnte-langer Wettlauf um den Sieg in dem mit: >>> 20.000 Pfund dotierten Longitude-Act von 1714 <<< Hauptdarsteller der gnadenlosen Auseinandersetzung um den Preis waren: Nevil Maskelyne (1732-1811) seit 1765 der 5. königl. Astronom in Greenwich > arbeitete am Verfahren der Monddistanzen (Lunardistanzen) und der Entwicklung der Mondtafeln (Nautical Almanac): Angabe Position von Mond relativ zu Sonne und 10 Fixsternen für alle 3 Stunden berechnet ! John Harrison (1693-1776) der schon seit 1725 hochgenaue Standuhren baute > mit dem Verfahren der Zeitdifferenz (Ortszeit - Bezugszeit) und der Entwicklung von lageunabhängigen und temperaturkompensierten mech. Präzisions-Zeitmesser ... mittlerweile auch See-Chronometer genannt Im April 1773 wurde John Harrison der Längengradpreis zugesprochen, ein >>> Erfolg der 1759 fertiggestellten legendären H4 <<< - 11 - Frankfurt / Main Juli 2007 Die Zeitdifferenz CHRONOS Bereits 1530 hat der Niederländer Rainer Gemma (>Frisius<) herausgefunden: > Längenbestimmung = Bestimmung der Zeitdifferenz Ortszeit - Bezugszeit Ist es irgendwo im Atlantik >Schiffsmittag< d.h. 12:00 Ortszeit ..... und wäre es dann z.B. in Hamburg genau 17:00 Uhr, dann ist (Wandlung Zeit in Länge) der > Schiffsstandort exakt 75° 0,0' westlich von Hamburg Woher weiß ein Kapitän auf hoher See die momentane Ortszeit von Hamburg ? > Er muß eine Uhr mit Hamburger Zeit mitführen Wie genau muß diese Uhr die Hamburger Zeit dem Kapitän anzeigen ??? > Sekundengenau, denn 1 Sec. = 463 m .... 4 Sec. = 1 sm .... 1 Min. = 27,8 km !!! Aber zur Zeiten Frisius war die genaueste Uhr auf einem Schiff nunmal eine Sanduhr - seine Theorie war für die Praxis (bis Anf. 18.Jh.) nicht verwertbar ! - 12 - Frankfurt / Main Juli 2007 Der Null-Meridian CHRONOS Die von Nevil Maskelyne bis 1811 herausgegebenen Mondtafeln waren auf den > Längengrad der königl. Sternwarte zu Greenwich bezogen Diese Tabellen machten die Methode der Monddistanzen praktikabel - wurden > von den Navigatoren zur Überprüfung der See-Chronometer benutzt !!! Auch Kartographen bezogen bei der Vermessung unbekannter Territorien die geograph. Länge dieser Orte auf Greenwich > es war nicht mehr aufzuhalten: > am 13.Okt.1884 wurde auf der Längengrad-Konferenz in Washington D.C. der Längengrad von Greenwich zum >>internationalen Null-Meridian erklärt !!! Der späte Erfolg (posthum) für die wissenschaftliche Arbeit des N. Maskelyne Damit hatten die Franzosen so ihre Schwierigkeiten - bis 1911 formulierten sie: >>> Mittlere Zeit von Paris, verspätet um 9 Min. und 21 Sek. <<< - 13 - Frankfurt / Main Juli 2007 Greenwich Mean Time CHRONOS Da >Zeit ➨ Länge< und >Länge ➨ Zeit< ist die königliche Sternwarte somit > auch die Bewahrerin von > Null Uhr Mitternacht < Der Tag beginnt in Greenwich > GMT - nach der alle Welt die Uhren stellt !!! Seit 1924 mit berühmtesten Zeitzeichen (BBC) der Welt > 6-Pips-Time-Signal Zwangsläufig wurde nach 1884 auch die Weltzeitordnung (GMT - basierend) verankert > Erdoberfläche in > 24 Zeitzonen zu je 15 Längengraden eingeteilt > Zonen östlich von Greenwich >>> +1 ... +12 Stunden (Minuszonen) > Zonen westlich von Greenwich >>> -1 ... -12 Stunden (Pluszonen) Die mittlere Ortszeit (MOZ) des Meridians von Greenwich ist definiert seit: >>> 1919 als Universal Time (UT) oder Weltzeit (WZ) <<< - 14 - Frankfurt / Main Juli 2007 CHRONOS Der Nabel der Welt Greenwich, ein Vorort von London im Südosten der britischen Metropole The Old Royal Observatory > Hoch über Themse-Bogen > Anno 1675 gegründet > Architekt der Gebäude: Sir Christopher Wren > Bis 1945 voll in Betrieb Anlage seit 1956 > Museum > Flamsteed House u.a. mit Harrison Galleries > Meridian Building wo der Airy's Transit Circle den Null-Meridian definiert 51° 28' 38.2'' N, 000° 00' 00'' - 15 - Frankfurt / Main Juli 2007 CHRONOS Die Zonenzeit GREENWICH 030°W 015°W 000° 015°E 030°E 01:00 Montag 23:00 Sonntag GMT Frankfurt WEST EAST Görlitz 24:00 Sonntag MEZ 22,5°W 07,5°W 07,5°E 22,5°E Westliche Hemisphäre Östliche - 16 - Frankfurt / Main Juli 2007 CHRONOS Die Mitteleuropäische Zeit Die Mittlere Sonnenzeit des Meridians von 015°E ist die Mitteleuropäische Zeit > die gesetzliche Zeit für Mitteleuropa seit dem 01.04.1893 in Deutschland Die Sommerzeit (...seit 1978) bezieht sich demnach auf den Meridian von 030°E >>> MEZ = UT + 1 Stunde >>> MESZ = UT + 2 Stunden Auf See benutzt man im täglichen Leben üblicherweise die >> Zonenzeit (ZZ) In welcher Zeitzone befindet man sich, wenn man auf der Länge 058°E steht ?? > Der nächstgelegene durch 15 teilbare Meridian liegt auf 060°E > Die zugehörige Zeitzone reicht von 52,5°E bis 67,5°E > Bezogen auf UT ist es auf 058°E nach ZZ > 4 Stunden später (60 : 15) Diese Differenz bezeichnet man als Zeitunterschied >>> ZZ = UT + ZU <<< Für Ostlänge ist der ZU positiv, für Westlänge negativ - 17 - Frankfurt / Main Juli 2007 Das Sonnensystem CHRONOS Zu unserer engeren kosmischen Heimat gehören folgende Planeten: > Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun, Pluto Sie bewegen sich auf (+/-) elliptischen Bahnen um die Sonne, werden von ihr beschienen, besitzen also nur "geborgtes" Licht: > Planeten ruhig leuchtend - während Sterne funkeln Planeten (relativ nahe zur Erde) verändern im Laufe der Zeit ihren Ort in Bezug auf die viel weiter entfernten Sterne: > Planeten deshalb "Wandelsterne", andere "Fixsterne" genannt Die Sonne (Zentralgestirn unseres Planetensystems) quasi, der für uns wirklich nächste Fixstern: Proxima Centauri ca. 4 Lichtjahre entfernt Er ist im Vergleich 262.800 mal weiter von uns entfernt als die Sonne, > Sonnenlicht benötigt für die 150 Mio km ca. 8 Min. bis zur Erde - 18 - Frankfurt / Main Juli 2007 Der Sternenhimmel CHRONOS Unter dem Aspekt der astronomischen Navigation entfallen die Planeten > Merkur (Sonnennähe) und Uranus, Neptun, Pluto (zu weit entfernt) Auch die Monde (Himmelskörper um den Planeten) da sie viel zu klein, sind zur Navigation nicht geeignet - Ausnahme der Mond der Erde: > Im Mittel nur 380.000 km von uns entfernt, sehr gut zu beobachten Somit verbleiben für die astronomische Ortsbestimmung am Himmel: > Sonne, Mond, Venus, Mars, Jupiter und Saturn Daneben sind im "Nautischen Jahrbuch" noch 80 Fixsterne aufgeführt, helle Sterne (Beobachtungssterne), die relativ leicht aufzufinden sind Bestimmte Sterngruppen werden zu Sternbildern zusammengefaßt: > Sommersternbild: Schwan, Leier > Wintersternbild: Orion Zum Auffinden von Sternen / Sternbildern "Suchlinien" eingeführt - 19 - Frankfurt / Main Juli 2007 CHRONOS Der Polarstern Über dem Nordpol der Erde befindet sich (ca.) der Polarstern (Nordstern) > Beobachter am Nordpol: Genau über sich (90° über Horizont) > Beobachter am Äquator: Genau am Horizont (0° über Horizont) Nordstern Seit den Anfängen der Navigation bekannt: Suchlinie Höhe Polarstern über dem Horizont ist in guter Annäherung die Sternbild Großer Wagen Geographische Breite Kimm Nord Frankfurt / Main - 20 - Juli 2007 CHRONOS Die Standlinie Die Standlinie = Kreis um den Bildpunkt (auch Höhengleiche genannt) ist für die Astronavigation von grundlegender Bedeutung hat einen gekrümmten d.h einen sphärischen Radius Zenitdistanz BP Standlinie Äquator Erdmittelpunkt Die Verbindungslinie von einem Gestirn an der Himmelskugel hin zum Erdmittelpunkt durchstößt die Erdoberfläche > Bildpunkt des Gestirns < - 21 - Frankfurt / Main Juli 2007 CHRONOS Der Bildpunkt Sieht ein Beobachter einen Stern in einer Höhe von 90° (Zenit), dann steht er exakt auf Bildpunktposition. Alle Beobachter die ihn zur gleichen Zeit in gleicher Höhe von z.B. 62,2° sehen, befinden sich auf seiner Standlinie Wendekreis des Krebses BP Äquator Wendekreis des Steinbocks Zur Geschwindigkeit: Es rast z.B. der Sonnenbildpunkt am 23.Sept. auf dem Äquator entlang und legt in 24 Std. 21.600 Seemeilen zurück (je Min.= 15 sm) - 22 - Frankfurt / Main Juli 2007 CHRONOS Ortsbestimmung - Gaußsches Verfahren Benetnasch (Stern Nr. 50) 1. Bestimmung der wahren Höhe der beiden Fixsterne (Sextant) dabei die exakte Zeit festgehalten Nordpol Wega (Stern Nr. 69) 2. Damit kennt man Zenitdistanz* d.h. den Radius der Standlinie 3. Das Nautische Jahrbuch liefert Koordinaten der Bildpunkte unter der festgehaltenen Zeit Position 4. Damit beide Standlinien eindeutig festgelegt 5. Standlinien schneiden sich in 2 Punkten Südpol * : Zenitdistanz = 90° - wahre Höhe 6. Einer davon ist die von uns gesuchte Position** ** : Schnittpunkte liegen so weit auseinander, daß grobe Kenntnis der Position (Koppelnavigation) ausreicht !!! - 23 - Frankfurt / Main Juli 2007 Uhren an Bord CHRONOS In der Praxis fährt man an Bord in der Regel die Zonenzeit > Zeit die von der > Borduhr angezeigt und daher > Bordzeit < genannt wird ( ... wenig genau) Für die astronomische Beobachtung ist eine Borduhr nicht zu gebrauchen ! > vielmehr benötigt man hierzu eine spezielle Präzisionsuhr Um 1780 begann die Ära der leistungsfähigen > See-Chronometer berühmter > Hersteller wie Arnold, Berthoud, Earnshaw etc. etc. Diese Uhren waren wegen der Lageempfindlichkeit des Hemmungssystems > kardanisch aufgehängt und stationär bevorzugt in Schwerpunktnähe eines Schiffes (Kapitänskajüte) untergebracht Das Führen eines Chronometertagebuchs war obligatorisch und es wurden: > Stand und Gang gewissenhaft aufgezeichnet Denn ein Chronometer muß so gehen ..... wie er aus der Werkstatt kommt !!! - 24 - Frankfurt / Main Juli 2007 Die Beobachtungsuhr CHRONOS Um die fest montierten Chronometer mit genauer Zeit zu versorgen mußte am > Ausgangshafen genaue Zeit zur Verfügung stehen die vor jedem Antritt einer Seereise zum Schiff > transportiert werden mußte > Dazu notwendig ganggenaue, tragbare Uhren kleinen Formats die im Observatorium auf Regulatorzeit (Ortszeit) eingestellt wurden und uns als Beobachtungsuhren oder auch als Deck-Watches geläufig sind !!! Die Entwicklung dieses Uhrentyps steht deshalb in engstem Zusammenhang mit den eigentlichen See-Chronometern >> sie wurden auch von den gleichen > Chronometermachern hergestellt ( ... anfangs mit Chronometerhemmung) Ebenfalls verlangten die zahlreich stattfindenden >> Forschungsexpeditionen nach genaugehenden, tragbaren Uhren zur genauen geographischen Orts- und Zeitbestimmung A.v.Humboldt benutzte Taschenchronometer von Breguet ! - 25 - Frankfurt / Main Juli 2007 CHRONOS Die Pioniere im Chronometerbau 1690 1710 1730 1750 H1 1770 1790 1810 1830 H4 John Harrison 1693-1776 Pierre Le Roy 1717-1785 Ferd. Berthoud 1727-1807 Larcum Kendall 1721-1795 Thomas Mudge 1715-1794 John Arnold 1736-1799 Thomas Earnshaw 1749-1829 - 26 - Frankfurt / Main Juli 2007 Der praktische Einsatz CHRONOS Nach 1800 war die Entwicklung der Marinechronometer im wesentlichen abgeschlossen, man konzentrierte sich in den folgenden Jahrzehnten auf Detailverbesserungen und auf die Standardisierung in der Fertigung Immer mehr Flottenoffiziere erwarben Schiffsuhren und 1791 gab es von der East-India Company Logbücher mit Extraspalte : Länge mittels Chronometer Die H.M.S. Beagle brach 1831 zur Vermessung der >geogr. Länge unbekannter Territorien< auf, an Bord hatte sie 22 Chronometer ( ... und Charles Darwin) 1860 hatte die Royal Navy etwa 200 Schiffe ... und 800 eigene Chronometer !!! >>>Die Harrisonsche Methode hatte sich endgültig durchgesetzt<<< Es war also endgültig gelungen die Sicherheit und Aktionsfähigkeit von > Marine und Handelsschiffahrt deutlich zu erhöhen !!! England nutzte den Einsatz von Chronometern entschieden; dies half mit die britische Vorherrschaft auf den Weltmeeren zu erringen und auch den > Kolonialbesitz in den vergangenen Jh. zu sichern und zu erweitern !! - 27 - Frankfurt / Main Juli 2007 Berühmte Chronometermacher CHRONOS Abraham Louis Breguet ..... Paris ..... Hemmung, Spirale, Tourbillon ................................. Edward John Dent ..... London ..... magnetische Einflüsse (gläserne Unruhe) ................... William Dutton ..... London ..... Präzisions-Chronometer ...................................................... Johann Friedrich Gutkaes ..... Dresden ..... Präzisions-Chronometer .................................... Urban Jürgensen ..... Kopenhagen ..... Chronometerhemung mit 2 Hemmungsrädern ..... Johannes Heinrich Kessels ..... Altona ..... 8-Tage Werk, Federstandanzeige (Auf-Ab) ..... Theodor Knoblich ..... Hamburg ..... Präzisions-Chronometer ................................................ Viktor Kullberg ..... London ..... Spezialkompensationsunruhe, Kronenaufzug ................ Richard Lange ..... Glashütte ..... Präzisions-Chronometer ..................................................... Friedrich Tiede ..... Berlin ..... Präzisions-Chronometer ........................................................... - 28 - Frankfurt / Main Juli 2007 Berühmte Firmen CHRONOS Anfang des 20. Jh. waren alle wesentlichen techn. Probleme prinzipiell gelöst und man begann den Chronometerbau zu vereinheitlichen ( ..... Stückzahlen) > Dent .... London ...................................................................... > Arnold & Frodsham ..... London .......................................... > A. Lange & Söhne ..... Glashütte ........................................... > Wempe ..... Hamburg .............................................................. > Tavannes Watch Co ..... La Chaux-de-Fonds ..................... > Ditisheim ..... La Chaux-de-Fonds ........................................ > Mercer ..... St. Albans .............................................................. > Ulysse Nardin ..... Le Locle .................................................... > Hamilton Watch Co ..... Lancaster PA ................................. - 29 - Frankfurt / Main Juli 2007 Inhaltsverzeichnis 01 : 02 : 03 : 04 : 05 : 06 : 07 : 08 : 09 : 10 : 11 : 12 : 13 : 14 : 15 : 16 : 17 : 18 : 19 : 20 : 21 : 22 : 23 : 24 : 25 : Titel Literatur Begriffe und Definitionen Astronomische Navigation – Die Utensilien Der Sextant Das Nautische Jahrbuch Zur Erinnerung Die Seemeile Die Ortsbestimmung Das Längengradproblem Der Längengradpreis Die Zeitdifferenz Der Null-Meridian Greenwich Mean Time Der Nabel der Welt Die Zonenzeit Die Mitteleuropäische Zeit Das Sonnensystem Der Sternenhimmel Der Polarstern Die Standlinie Der Bildpunkt Ortsbestimmung – Gaußsches Verfahren Uhren an Bord Die Beobachtungsuhr CHRONOS 26 : 27 : 28 : 29 : 30 : 31 : 32 : 33 : 34 : 35 : 36 : 37 : 38 : 39 : 40 : 41 : 42 : 43 : 44 : 45 : 46 : 47 : 48 : 49 : 50 : Die Pioniere im Chronometerbau Der praktische Einsatz Berühmte Chronometermacher Berühmte Firmen Inhaltsverzeichnis - 30 - Frankfurt / Main Juli 2007
