La historia de la longitud describe el esfuerzo de siglos de astrónomos, cartógrafos y navegantes por descubrir un medio para determinar la longitud de cualquier lugar determinado de la Tierra. La medición de la longitud es importante tanto para la cartografía como para la navegación . En particular, para una navegación oceánica segura, se requiere conocimiento tanto de la latitud como de la longitud; sin embargo, la latitud se puede determinar con buena precisión mediante observaciones astronómicas locales.
Encontrar un método preciso y práctico para determinar la longitud requirió siglos de estudio e invención por parte de algunos de los más grandes científicos e ingenieros. Determinar la longitud relativa al meridiano a través de alguna ubicación fija requiere que las observaciones estén vinculadas a una escala de tiempo que sea la misma en ambas ubicaciones, por lo que el problema de la longitud se reduce a encontrar una manera de coordinar relojes en lugares distantes. Los primeros enfoques utilizaron eventos astronómicos que podían predecirse con gran precisión, como eclipses, y construyeron relojes, conocidos como cronómetros , que podían mantener el tiempo con suficiente precisión mientras eran transportados a grandes distancias en barco. Los métodos posteriores utilizaron el telégrafo y luego la radio para sincronizar los relojes. Hoy en día, el problema de la longitud se ha resuelto con precisión centimétrica mediante la navegación por satélite .
Eratóstenes, en el siglo III a. C., propuso por primera vez un sistema de latitud y longitud para un mapa del mundo. Su primer meridiano (línea de longitud) pasaba por Alejandría y Rodas , mientras que sus paralelos (líneas de latitud) no estaban espaciadas regularmente, sino que pasaban por lugares conocidos, a menudo a costa de ser líneas rectas. [1] En el siglo II a. C., Hiparco utilizaba un sistema de coordenadas sistemático, basado en la división del círculo en 360°, para especificar de forma única lugares en la Tierra. [2] : 31 Por lo tanto, las longitudes podrían expresarse como grados al este u oeste del meridiano principal, como se hace hoy (aunque el meridiano principal es diferente). También propuso un método para determinar la longitud comparando la hora local de un eclipse lunar en dos lugares diferentes, para obtener la diferencia de longitud entre ellos. [2] : 11 Este método no era muy preciso, dadas las limitaciones de los relojes disponibles, y rara vez se hacía, posiblemente sólo una vez, utilizando el eclipse de Arbela de 330 a.C. [3] Pero el método es sólido, y este es el primer reconocimiento de que la longitud puede determinarse mediante un conocimiento preciso del tiempo.
Ptolomeo , en el siglo II d.C., basó su sistema cartográfico en distancias estimadas y direcciones informadas por los viajeros. Hasta entonces, todos los mapas habían utilizado una cuadrícula rectangular con la latitud y la longitud como líneas rectas que se cruzan en ángulos rectos. [4] : 543 [5] : 90 Para áreas grandes esto conduce a una distorsión inaceptable, y para su mapa del mundo habitado, Ptolomeo usó proyecciones (para usar el término moderno) con paralelos curvos que redujeron la distorsión. No existen mapas (o manuscritos de su trabajo) que sean anteriores al siglo XIII, pero en su Geografía dio instrucciones detalladas y coordenadas de latitud y longitud para cientos de ubicaciones que son suficientes para recrear los mapas. Si bien el sistema de Ptolomeo está bien fundamentado, los datos reales utilizados son de calidad muy variable, lo que da lugar a muchas inexactitudes y distorsiones. [6] [4] : 551–553 [7] Aparte de las dificultades para estimar distancias y direcciones rectilíneas, la más importante de ellas es una sobreestimación sistemática de las diferencias de longitud. Así, según las tablas de Ptolomeo, la diferencia de longitud entre Gibraltar y Sidón es 59° 40' 0', en comparación con el valor moderno de 40° 23'0', aproximadamente un 48% demasiado alto. Russo (2013) ha analizado estas discrepancias y concluye que gran parte del error surge de la subestimación del tamaño de la Tierra por parte de Ptolomeo, en comparación con la estimación más precisa de Eratóstenes (el equivalente a 500 estadios por grado en lugar de 700). dificultades de las medidas astronómicas de longitud en la época clásica, la mayoría, si no todos, los valores de Ptolomeo se habrían obtenido a partir de medidas de distancia y se habrían convertido a longitud utilizando el valor 500. [8]
Los antiguos astrónomos hindúes conocían el método para determinar la longitud a partir de los eclipses lunares, suponiendo una Tierra esférica. El método se describe en el Sûrya Siddhânta , un tratado sánscrito sobre astronomía india que se cree que data de finales del siglo IV o principios del siglo V d.C. [9] Las longitudes se referían a un meridiano principal que pasaba por Avantī, el moderno Ujjain . Las posiciones relativas a este meridiano se expresaban en términos de longitud o diferencias horarias, pero los grados no se utilizaban en la India en ese momento. No está claro si este método se puso en práctica.
Los eruditos islámicos conocían la obra de Ptolomeo al menos desde el siglo IX d.C., cuando se hizo la primera traducción de su Geografía al árabe. Se le tenía en alta estima, aunque se conocían sus errores. [10] Uno de sus desarrollos fue agregar más ubicaciones a las tablas geográficas de Ptolomeo con latitudes y longitudes y, en algunos casos, mejorar la precisión. [11] No se dan los métodos utilizados para determinar la mayoría de las longitudes, pero algunas cuentas sí dan detalles. Al-Battānī registró observaciones simultáneas de dos eclipses lunares en dos lugares en 901, comparando Antakya con Raqqa , determinando la diferencia de longitud entre las dos ciudades con un error inferior a 1°. Esto se considera lo mejor que se puede lograr con los métodos disponibles en la actualidad: observación del eclipse a simple vista y determinación de la hora local utilizando un astrolabio para medir la altitud de una "estrella reloj" adecuada. [12] [13] Al-Bīrūnī , a principios del siglo XI d.C., también utilizó datos de eclipses, pero desarrolló un método alternativo que implicaba una forma temprana de triangulación. Para dos ubicaciones que difieren tanto en longitud como en latitud, si se conocen las latitudes y la distancia entre ellas, así como el tamaño de la Tierra, es posible calcular la diferencia de longitud. Con este método, al-Bīrūnī estimó la diferencia de longitud entre Bagdad y Ghazni utilizando estimaciones de distancia de viajeros en dos rutas diferentes (y con un ajuste algo arbitrario por lo sinuoso de los caminos). Su resultado para la diferencia de longitud entre las dos ciudades difiere aproximadamente 1° del valor moderno. [14] Mercier (1992) señala que se trata de una mejora sustancial con respecto a Ptolomeo, y que una mejora adicional comparable en precisión no se produciría hasta el siglo XVII en Europa. [14] : 188
Si bien el conocimiento de Ptolomeo (y, más en general, de la ciencia y la filosofía griegas) crecía en el mundo islámico, estaba disminuyendo en Europa. El resumen de John Kirtland Wright (1925) es sombrío: "Podemos pasar por alto la geografía matemática del período cristiano [en Europa] antes de 1100; no se hicieron descubrimientos ni hubo intentos de aplicar los resultados de descubrimientos más antiguos... .. Ptolomeo fue olvidado y las labores de los árabes en este campo eran aún desconocidas". [15] : 65 No todo se perdió u olvidó; Beda en su De naturum rerum afirma la esfericidad de la tierra. Pero sus argumentos son los de Aristóteles , tomados de Plinio . Beda no añade nada original. [16] [17]
Hay más cosas notables en el período medieval tardío. Wright (1923) cita una descripción de Walcher de Malvern de un eclipse lunar en Italia (19 de octubre de 1094), que ocurrió poco antes del amanecer. A su regreso a Inglaterra, comparó notas con otros monjes para establecer el momento de su observación, que fue antes de la medianoche. La comparación fue demasiado informal para permitir una medición de las diferencias de longitud, pero el relato muestra que aún se entendía el principio. [18] : 81 En el siglo XII se prepararon tablas astronómicas para varias ciudades europeas, basadas en el trabajo de al-Zarqālī en Toledo . Estos debieron adaptarse al meridiano de cada ciudad, y consta que el eclipse lunar del 12 de septiembre de 1178 sirvió para establecer las diferencias de longitud entre Toledo, Marsella y Hereford . [18] : 85 Las tablas de Hereford también agregaron una lista de más de 70 ubicaciones, muchas de ellas en el mundo islámico, con sus longitudes y latitudes. Estos representan una gran mejora con respecto a las tabulaciones similares de Ptolomeo. Por ejemplo, las longitudes de Ceuta y Tiro son 8° y 57° (al este del meridiano de las Islas Canarias), una diferencia de 49°, en comparación con el valor moderno de 40,5°, una sobreestimación de menos del 20%. . [18] : 87–88 En general, el período medieval tardío mostró un interés creciente por la geografía y una voluntad de realizar observaciones estimuladas por un aumento de los viajes (incluidas las peregrinaciones y las Cruzadas ) y por la disponibilidad de fuentes islámicas de España y el Norte. África [19] [20] A finales del período medieval, la obra de Ptolomeo estuvo directamente disponible con las traducciones realizadas en Florencia a finales del siglo XIV y principios del XV. [21]
Los siglos XV y XVI fueron la época de los viajes de descubrimiento y conquista portugueses y españoles . En particular, la llegada de los europeos al Nuevo Mundo generó dudas sobre dónde se encontraban realmente. Cristóbal Colón hizo dos intentos de descubrir su longitud observando eclipses lunares. El primero fue en la isla Saona , ahora en República Dominicana , durante su segundo viaje. Escribió: "En el año 1494, cuando estaba en la isla Saona, que se encuentra en el extremo oriental de la isla Española [es decir, La Española ], hubo un eclipse lunar el 14 de septiembre, y notamos que había una diferencia de más de cinco horas y media entre allí [Saona] y el cabo de San Vicente, en Portugal". [22] No pudo comparar sus observaciones con las de Europa, y se supone que utilizó tablas astronómicas como referencia. El segundo intento fue en la costa norte de Jamaica el 29 de febrero de 1504, durante su cuarto viaje. Sus resultados fueron muy inexactos, con errores de longitud de 13 y 38° W respectivamente. [23] Randles (1985) documenta mediciones de longitud realizadas por portugueses y españoles entre 1514 y 1627, tanto en América como en Asia, con errores que oscilan entre 2° y 25°. [24]
En 1608 se presentó al gobierno de los Países Bajos una patente para un telescopio refractor. La idea fue retomada, entre otros, por Galileo , quien construyó su primer telescopio al año siguiente y comenzó su serie de descubrimientos astronómicos que incluyeron los satélites de Júpiter, las fases de Venus y la resolución de la Vía Láctea en estrellas individuales. Durante el siguiente medio siglo, las mejoras en la óptica y el uso de monturas calibradas, rejillas ópticas y micrómetros para ajustar las posiciones transformaron el telescopio de un dispositivo de observación a una herramienta de medición precisa. [26] [27] [28] [29] También aumentó en gran medida el rango de eventos que se podían observar para determinar la longitud.
El segundo avance técnico importante para la determinación de la longitud fue el reloj de péndulo , patentado por Christiaan Huygens en 1657. [30] Esto permitió aumentar la precisión unas 30 veces con respecto a los relojes mecánicos anteriores; los mejores relojes de péndulo tenían una precisión de unos 10 segundos por minuto. día. [31] Desde el principio, Huygens pretendía que sus relojes se utilizaran para determinar la longitud en el mar. [32] [33] Sin embargo, los relojes de péndulo no toleraban suficientemente bien el movimiento de un barco, y después de una serie de pruebas se concluyó que serían necesarios otros enfoques. El futuro de los relojes de péndulo estaría en tierra. Junto con los instrumentos telescópicos, revolucionarían la astronomía observacional y la cartografía en los próximos años. [34] Huygens también fue el primero en utilizar una espiral como oscilador en un reloj en funcionamiento, lo que permitió fabricar relojes portátiles precisos. Pero no fue hasta el trabajo de John Harrison que estos relojes se volvieron lo suficientemente precisos como para ser utilizados como cronómetros marinos . [35]
El desarrollo del telescopio y de los relojes precisos aumentó la variedad de métodos que podían utilizarse para determinar la longitud. Con una excepción ( la declinación magnética ), todos dependen de un principio común: determinar el tiempo absoluto a partir de un evento o medición y comparar el tiempo local correspondiente en dos lugares diferentes. (Absoluto aquí se refiere a una hora que es la misma para un observador en cualquier lugar de la Tierra). Cada hora de diferencia de la hora local corresponde a un cambio de longitud de 15 grados (360 grados divididos por 24 horas).
El mediodía local se define como el momento en el que el Sol se encuentra en el punto más alto del cielo. Esto es difícil de determinar directamente, ya que el movimiento aparente del Sol es casi horizontal al mediodía. El enfoque habitual era tomar el punto medio entre dos momentos en los que el Sol estaba a la misma altitud. Con un horizonte despejado, se podría utilizar el punto medio entre el amanecer y el atardecer. [36] Por la noche, la hora local se podía obtener a partir de la rotación aparente de las estrellas alrededor del polo celeste, ya sea midiendo la altitud de una estrella adecuada con un sextante o el tránsito de una estrella a través del meridiano utilizando un instrumento de tránsito. [37]
Para determinar la medida del tiempo absoluto se siguieron utilizando los eclipses lunares. Otros métodos propuestos incluyeron:
Esta es la propuesta más antigua, ya que fue sugerida por primera vez en una carta de Amerigo Vespucci refiriéndose a las observaciones que hizo en 1499. [38] [39] El método fue publicado por Johannes Werner en 1514, [40] y discutido en detalle por Petrus Apianus en 1524. [41] El método depende del movimiento de la Luna en relación con las estrellas "fijas", que completa un circuito de 360° en 27,3 días en promedio (un mes lunar), dando un movimiento observado de poco más de 0,5°/ hora. Por lo tanto, se requiere una medición precisa del ángulo, ya que 2 minutos de arco (1/30°) de diferencia en el ángulo entre la Luna y la estrella seleccionada corresponden a una diferencia de 1°.0' en la longitud: 60 millas náuticas (110 km) en el ecuador. [42] El método también requería tablas precisas, que eran complejas de construir, ya que debían tener en cuenta el paralaje y las diversas fuentes de irregularidad en la órbita de la Luna. Ni los instrumentos de medición ni las tablas astronómicas eran lo suficientemente precisos a principios del siglo XVI. El intento de Vespucci de utilizar el método lo situó a 82° Oeste de Cádiz , cuando en realidad estaba a menos de 40° Oeste de Cádiz, en la costa norte de Brasil. [38]
Galileo descubrió las cuatro lunas más brillantes de Júpiter, Ío, Europa, Ganímedes y Calisto en 1610. Habiendo determinado sus períodos orbitales, propuso en 1612 que con un conocimiento suficientemente preciso de sus órbitas se podrían utilizar sus posiciones como un reloj universal, lo que haría posible la determinación de la longitud. Galileo solicitó el lucrativo premio de España por soluciones al problema de la longitud en 1616. Trabajó en este problema de vez en cuando, pero no pudo convencer a la corte española. Más tarde solicitó su premio en Holanda, pero para entonces ya había sido juzgado por herejía por la Inquisición Romana y sentenciado a arresto domiciliario por el resto de su vida. [43] : 15-16
El método de Galileo requería un telescopio, ya que las lunas no son visibles a simple vista. Para su uso en la navegación marítima, Galileo propuso el celatone , un dispositivo en forma de casco con un telescopio montado de manera que se adaptara al movimiento del observador en el barco. [44] Esto fue reemplazado más tarde por la idea de un par de conchas hemisféricas anidadas separadas por un baño de aceite. Esto proporcionaría una plataforma que permitiría al observador permanecer estacionario mientras el barco rodaba debajo de él, a la manera de una plataforma con cardán . Para poder determinar el tiempo a partir de las posiciones de las lunas observadas, se ofreció un jovilabe ; Se trataba de un ordenador analógico que calculaba el tiempo a partir de las posiciones y que debe su nombre a su similitud con un astrolabio . [45] Los problemas prácticos fueron graves y el método nunca se utilizó en el mar.
En tierra, este método resultó útil y preciso. En 1668, Giovanni Domenico Cassini publicó tablas detalladas de las lunas de Júpiter. [43] : 21 Un uso temprano fue la medición de la longitud del sitio del antiguo observatorio de Tycho Brahe en la isla de Hven . Jean Picard en Hven y Cassini en París hizo observaciones durante 1671 y 1672, y obtuvo un valor de 42 minutos 10 segundos (tiempo) al este de París, correspondiente a 10° 32' 30", aproximadamente 12 minutos de arco (1/5° ) superior al valor moderno [46]
Las lunas de Júpiter proporcionaron información horaria para el proyecto de la Academia de Ciencias de Francia para estudiar Francia, que produjo un nuevo mapa en 1744 que mostraba que la costa estaba significativamente más al este que en mapas anteriores. [47]
Dos métodos propuestos dependen de los movimientos relativos de la Luna y una estrella o planeta. Un impulso es la distancia más mínima aparente entre dos objetos, una ocultación ocurre cuando la estrella o el planeta pasa detrás de la Luna, esencialmente un tipo de eclipse. Los tiempos de cualquiera de estos eventos se pueden utilizar como medida del tiempo absoluto de la misma manera que con un eclipse lunar. Edmond Halley describió el uso de este método para determinar la longitud de Balasore en la India, utilizando observaciones de la estrella Aldebarán (el "ojo de buey", siendo la estrella más brillante de la constelación de Tauro ) en 1680, con un error de poco más de medio punto. grado. [48] Publicó un relato más detallado del método en 1717. [49] James Pound describió una determinación de la longitud utilizando la ocultación de un planeta, Júpiter , en 1714. [50] El tránsito de Venus en 1769 brindó una oportunidad para determinar la longitud exacta de más de 100 puertos marítimos de todo el mundo. [43] : 73
La primera en sugerir viajar con un reloj para determinar la longitud, en 1530, fue Gemma Frisius , médica, matemática, cartógrafa, filósofa y fabricante de instrumentos de los Países Bajos. El reloj se ajustaría a la hora local de un punto de partida cuya longitud se conociera, y la longitud de cualquier otro lugar podría determinarse comparando su hora local con la hora del reloj. [51] [52] : 259 Si bien el método es perfectamente sólido y fue estimulado en parte por recientes mejoras en la precisión de los relojes mecánicos, todavía requiere un cronometraje mucho más preciso que el que estaba disponible en la época de Frisio. El término cronómetro no se utilizó hasta el siglo siguiente, [53] y pasarían más de dos siglos antes de que se convirtiera en el método estándar para determinar la longitud en el mar. [54]
Este método se basa en la observación de que, en general, la aguja de una brújula no apunta exactamente al norte. El ángulo entre el norte verdadero y la dirección de la aguja de la brújula (norte magnético) se llama declinación o variación magnética y su valor varía de un lugar a otro. Varios escritores propusieron que el tamaño de la declinación magnética podría usarse para determinar la longitud. Mercator sugirió que el polo norte magnético era una isla en la longitud de las Azores, donde la declinación magnética era, en ese momento, cercana a cero. Estas ideas fueron apoyadas por Michiel Coignet en su Instrucción Náutica . [52]
Halley realizó extensos estudios de la variación magnética durante sus viajes en el Paramour rosa . Publicó la primera carta que muestra líneas isogónicas (líneas de igual declinación magnética) en 1701. [55] Uno de los propósitos de la carta era ayudar a determinar la longitud, pero el método finalmente fracasó ya que los cambios en la declinación magnética a lo largo del tiempo demostraron demasiado grande y poco fiable para proporcionar una base para la navegación.
Las medidas de longitud en tierra y mar se complementaban entre sí. Como señaló Edmond Halley en 1717: "Pero como sería innecesario preguntar exactamente en qué longitud se encuentra un barco, cuando todavía se desconoce la longitud del puerto al que se dirige, sería de desear que los príncipes de la tierra hacer que se hagan tales observaciones, en los puertos y en los principales promontorios de sus dominios, cada uno por su cuenta, que puedan establecer de una vez por todas verdaderamente los límites de la tierra y el mar ". [49] Pero las determinaciones de la longitud en tierra y mar no se desarrollaron en paralelo.
En tierra, el período comprendido entre el desarrollo de los telescopios y los relojes de péndulo hasta mediados del siglo XVIII vio un aumento constante en el número de lugares cuya longitud había sido determinada con razonable precisión, a menudo con errores de menos de un grado, y casi siempre dentro 2-3°. En la década de 1720 los errores eran sistemáticamente inferiores a 1°. [56]
En el mar, durante el mismo período, la situación era muy diferente. Dos problemas resultaron intratables. La primera era la necesidad de obtener resultados inmediatos. En tierra, un astrónomo de, digamos, Cambridge, Massachusetts, podría esperar el próximo eclipse lunar que sería visible tanto en Cambridge como en Londres; poner un reloj de péndulo a la hora local unos días antes del eclipse; cronometrar los eventos del eclipse; enviar los detalles al otro lado del Atlántico y esperar semanas o meses para comparar los resultados con un colega de Londres que había hecho observaciones similares; calcular la longitud de Cambridge; luego envíe los resultados para su publicación, lo que podría ocurrir uno o dos años después del eclipse. [57] Y si Cambridge o Londres no tenían visibilidad debido a las nubes, espere el próximo eclipse. El navegante marino necesitaba los resultados rápidamente. El segundo problema era el medio marino. Hacer observaciones precisas en el oleaje del océano es mucho más difícil que en tierra, y los relojes de péndulo no funcionan bien en estas condiciones. Por lo tanto, la longitud en el mar sólo podía estimarse mediante navegación a estima (DR), utilizando estimaciones de velocidad y rumbo desde una posición inicial conocida, en un momento en que la determinación de la longitud en tierra era cada vez más precisa.
Para compensar la incertidumbre de la longitud, los navegantes a veces se han basado en su conocimiento exacto de la latitud. Navegarían hasta la latitud de su destino y luego navegarían hacia él a lo largo de una línea de latitud constante, conocida como marcha hacia el oeste (si va hacia el oeste, hacia el este en caso contrario). [58] Sin embargo, la línea de latitud era generalmente más lenta que la ruta más directa o más favorable, extendiendo el viaje por días o semanas y aumentando el riesgo de raciones escasas, escorbuto e inanición. [59]
En abril de 1741 se produjo un famoso desastre por error de longitud. George Anson , al mando del HMS Centurion , estaba doblando el Cabo de Hornos de este a oeste. Creyendo que había pasado el Cabo, giró hacia el norte pero pronto se encontró dirigiéndose directamente hacia tierra. Una corriente particularmente fuerte del este lo había colocado muy al este de su posición de estima, y tuvo que retomar su rumbo hacia el oeste durante varios días. Cuando finalmente pasó el Cuerno, se dirigió al norte hacia las islas Juan Fernández para comprar suministros para su tripulación, muchos de los cuales estaban enfermos de escorbuto. Al llegar a la latitud de Juan Fernández, no supo si las islas estaban al este o al oeste, y estuvo 10 días navegando primero hacia el este y luego hacia el oeste antes de llegar finalmente a las islas. Durante este tiempo, más de la mitad de la tripulación del barco murió de escorbuto. [35] [60]
En respuesta a los problemas de la navegación, varias potencias marítimas europeas ofrecieron premios por un método para determinar la longitud en el mar. Felipe II de España fue el primero y ofreció una recompensa por una solución en 1567; su hijo, Felipe III , aumentó la recompensa en 1598 a 6.000 ducados de oro más una pensión permanente de 2.000 ducados de oro al año. [43] : 15 Holanda ofreció 30.000 florines a principios del siglo XVII. Ninguno de estos premios produjo una solución, [61] : 9 aunque Galileo solicitó ambos. [43] : 16
La segunda mitad del siglo XVII vio la fundación de observatorios oficiales en París y Londres. El Observatorio de París fue fundado en 1667 bajo los auspicios de la Academia de Ciencias de Francia. El edificio del Observatorio al sur de París se completó en 1672. [62] Los primeros astrónomos incluyeron a Jean Picard , Christiaan Huygens y Dominique Cassini . [63] : 165-177 No estaba destinado a ningún proyecto específico, pero pronto se involucró en el estudio de Francia que condujo (después de muchos retrasos debido a guerras y ministerios hostiles) al primer mapa de Francia de la Academia en 1744. utilizó una combinación de triangulación y observaciones astronómicas, utilizando los satélites de Júpiter para determinar la longitud. En 1684, se habían obtenido datos suficientes para mostrar que los mapas anteriores de Francia tenían un error de longitud importante, mostrando la costa atlántica demasiado hacia el oeste. De hecho, se descubrió que Francia era sustancialmente más pequeña de lo que se pensaba anteriormente. [64] [65] ( Luis XIV comentó que le habían quitado más territorio a Francia del que había ganado en todas sus guerras).
El Observatorio Real de Greenwich, al este de Londres, fundado en 1675, pocos años después del Observatorio de París, se creó explícitamente para abordar el problema de la longitud. [66] John Flamsteed , el primer astrónomo real, recibió instrucciones de "dedicarse con el mayor cuidado y diligencia a rectificar las tablas de los movimientos de los cielos y los lugares de las estrellas fijas, a fin de descubrir la so- tan deseada longitud de lugares para el perfeccionamiento del arte de la navegación". [67] : 268 [29] El trabajo inicial consistió en catalogar las estrellas y su posición, y Flamsteed creó un catálogo de 3.310 estrellas, que formó la base para el trabajo futuro. [67] : 277
Si bien el catálogo de Flamsteed era importante, en sí mismo no proporcionaba una solución. En 1714, el Parlamento británico aprobó " Una ley para proporcionar una recompensa pública a la persona o personas que descubran la longitud en el mar " ( 13 Ann. c. 14) y creó una junta para administrar el premio. El pago dependía de la precisión del método: de £10 000 (equivalente a £1 538 000 en 2021) [68] para una precisión dentro de un grado de longitud (60 millas náuticas (110 km) en el ecuador) a £20 000 (equivalente a £3,076,000 en 2021) [68] para una precisión de medio grado. [61] : 9
Este premio a su debido tiempo produjo dos soluciones viables. El primero fueron las distancias lunares, que requirieron una observación cuidadosa, tablas precisas y cálculos bastante largos. Tobias Mayer había elaborado tablas basadas en sus propias observaciones de la luna y las presentó a la Junta en 1755. Se descubrió que estas observaciones proporcionaban la precisión requerida, aunque los largos cálculos requeridos (hasta cuatro horas) eran una barrera para el uso rutinario. . La viuda de Mayer recibió a su debido tiempo un premio de la junta directiva. [69] Nevil Maskelyne , el recién nombrado Astrónomo Real que estaba en la Junta de Longitud, comenzó con las tablas de Mayer y después de sus propios experimentos en el mar probando el método de la distancia lunar, propuso la publicación anual de predicciones de distancia lunar precalculadas en un informe oficial. Almanaque náutico con el fin de encontrar la longitud en el mar. Muy entusiasmado por el método de la distancia lunar, Maskelyne y su equipo de computadoras trabajaron febrilmente durante el año 1766, preparando tablas para el nuevo Almanaque Náutico y Efemérides Astronómicas. Publicado por primera vez con datos del año 1767, incluía tablas diarias de las posiciones del Sol, la Luna y los planetas y otros datos astronómicos, así como tablas de distancias lunares que indicaban la distancia de la Luna al Sol y nueve estrellas adecuadas para observaciones lunares (diez estrellas durante los primeros años). [70] [71] [72] Esta publicación se convirtió más tarde en el almanaque estándar para los marineros de todo el mundo. Dado que estaba basado en el Observatorio Real, contribuyó a la adopción internacional, un siglo más tarde, del Meridiano de Greenwich como estándar internacional.
El segundo método fue el uso de un cronómetro . Muchos, incluido Isaac Newton , se mostraron pesimistas en cuanto a que alguna vez se pudiera desarrollar un reloj con la precisión requerida. La Tierra gira un grado de longitud en cuatro minutos, [73] por lo que el error de cronometraje máximo aceptable es de unos pocos segundos por día. En aquella época, no existían relojes que pudieran acercarse a tal precisión en las condiciones de un barco en movimiento. John Harrison , un carpintero y relojero de Yorkshire, pasó más de tres décadas demostrando que era posible hacerlo. [61] : 14-27
Harrison construyó cinco cronómetros, dos de los cuales fueron probados en el mar. Su primero, el H-1, fue enviado a una prueba preliminar por el Almirantazgo , un viaje a Lisboa y de regreso. Perdió un tiempo considerable en el viaje de ida, pero tuvo un desempeño excelente en el tramo de regreso, que no formó parte de la prueba oficial. El perfeccionista de Harrison le impidió enviarlo en el viaje de prueba oficial de la Junta de Longitud a las Indias Occidentales (y en cualquier caso se consideró demasiado grande y poco práctico para uso de servicio). En cambio, se embarcó en la construcción del H-2 , seguido inmediatamente por el H-3. Durante la construcción del H-3 , Harrison se dio cuenta de que la pérdida de tiempo del H-1 en el viaje de ida a Lisboa se debía a que el mecanismo perdía tiempo cada vez que el barco se disponía a virar por el Canal de la Mancha. Inspirado por esta comprensión, Harrison produjo el H-4 con un mecanismo completamente diferente. La prueba de mar del H-4 en 1762 cumplió todos los requisitos para el Premio de la Longitud. Sin embargo, la junta retuvo el premio y Harrison se vio obligado a luchar por su recompensa y finalmente recibió el pago en 1773 después de la intervención del Parlamento. [61] : 26
Los franceses también estaban muy interesados en el problema de la longitud, y la Academia francesa examinó propuestas y también ofreció premios en metálico, especialmente después de 1748. [74] : 160 Inicialmente, los asesores estuvieron dominados por el astrónomo Pierre Bouguer , que se oponía a la idea de cronómetros, pero después de su muerte en 1758 se consideraron enfoques tanto astronómicos como mecánicos. Dominaron dos relojeros, Ferdinand Berthoud y Pierre Le Roy . Entre 1767 y 1772 se llevaron a cabo cuatro pruebas en el mar, en las que se evaluaron las distancias lunares y una variedad de cronometradores. Los resultados de ambas aproximaciones mejoraron constantemente a medida que avanzaban las pruebas y ambos métodos se consideraron adecuados para su uso en la navegación. [74] : 163-174
Aunque se había demostrado que tanto los cronómetros como las distancias lunares eran métodos practicables para determinar la longitud, pasó algún tiempo antes de que ambos se utilizaran ampliamente. En los primeros años, los cronómetros eran muy caros y los cálculos necesarios para las distancias lunares todavía eran complejos y requerían mucho tiempo, a pesar del trabajo de Maskelyne para simplificarlos. Ambos métodos se utilizaron inicialmente principalmente en viajes científicos y de exploración especializados. Según la evidencia de los cuadernos de bitácora y los manuales náuticos de los barcos, los navegantes comunes comenzaron a utilizar las distancias lunares en la década de 1780 y se volvieron comunes después de 1790. [75]
Si bien los cronómetros podían medir las condiciones de un barco en el mar, podían ser vulnerables a las condiciones exteriores más duras de la exploración y la topografía terrestres, por ejemplo en el noroeste de Estados Unidos, y las distancias lunares eran el principal método utilizado por topógrafos como como David Thompson . [76] Entre enero y mayo de 1793 realizó 34 observaciones en Cumberland House, Saskatchewan , obteniendo un valor medio de 102° 12' W, aproximadamente 2' (2,2 km) al este del valor moderno. [77] Cada una de las 34 observaciones habría requerido aproximadamente 3 horas de cálculo. Estos cálculos de distancias lunares se simplificaron sustancialmente en 1805, con la publicación de tablas utilizando la fórmula de Haversine por Josef de Mendoza y Ríos . [78]
La ventaja de utilizar cronómetros era que, aunque todavía eran necesarias observaciones astronómicas para establecer la hora local, las observaciones eran más simples y menos exigentes en cuanto a precisión. Una vez establecida la hora local y realizadas las correcciones necesarias en la hora del cronómetro, el cálculo para obtener la longitud fue sencillo. William Wales publicó una guía contemporánea del método en 1794. [79] La desventaja del costo fue disminuyendo gradualmente a medida que los cronómetros comenzaron a fabricarse en cantidad. Los cronómetros utilizados no fueron los de Harrison. Otros fabricantes, como Thomas Earnshaw , que desarrolló el escape con retén de resorte, [80] simplificaron el diseño y la producción del cronómetro. De 1800 a 1850, a medida que los cronómetros se volvieron más asequibles y fiables, desplazaron cada vez más el método de la distancia lunar.
Los cronómetros debían comprobarse y restablecerse a intervalos. En viajes cortos entre lugares de longitud conocida esto no suponía un problema. Para viajes más largos, particularmente de reconocimiento y exploración, los métodos astronómicos siguieron siendo importantes. Un ejemplo de la forma en que los cronómetros y los lunares se complementaban entre sí en el trabajo topográfico es la circunnavegación de Australia realizada por Matthew Flinders en 1801-1803. Al inspeccionar la costa sur, Flinders comenzó en King George Sound , un lugar conocido por el estudio anterior de George Vancouver . Siguió a lo largo de la costa sur, utilizando cronómetros para determinar la longitud de los accidentes a lo largo del camino. Al llegar a la bahía que llamó Port Lincoln , instaló un observatorio costero y determinó la longitud a partir de treinta conjuntos de distancias lunares. Luego determinó el error del cronómetro y volvió a calcular todas las longitudes de los lugares intermedios. [81]
Los barcos solían llevar más de un cronómetro. Dos darían redundancia modular dual , permitiendo una copia de seguridad si uno dejara de funcionar, pero no permitiendo ninguna corrección de errores si los dos mostraran una hora diferente, ya que sería imposible saber cuál está equivocado: la detección de errores obtenida sería la Lo mismo que tener un solo cronómetro y controlarlo periódicamente: todos los días al mediodía a estima . Tres cronómetros proporcionaban triple redundancia modular , permitiendo la corrección de errores si uno de los tres estaba equivocado, por lo que el piloto tomaría el promedio de los dos con lecturas más cercanas (voto de precisión promedio). Esto inspiró el dicho: "Nunca te hagas a la mar con dos cronómetros; lleva uno o tres". [82] Algunos buques llevaban más de tres cronómetros; por ejemplo, el HMS Beagle llevaba 22 cronómetros . [83]
En 1850, la gran mayoría de los navegantes oceánicos de todo el mundo habían abandonado el método de las distancias lunares. No obstante, los navegantes expertos continuaron aprendiendo las lunas hasta 1905, aunque para la mayoría esto era sólo un ejercicio de libro de texto requerido para ciertas licencias. Littlehales anotó en 1909: "Las tablas de distancias lunares fueron omitidas del Connaissance des Temps del año 1905, después de haber conservado su lugar en las efemérides oficiales francesas durante 131 años; y del Almanaque Náutico Británico de 1907, después de haber sido presentadas. anualmente desde el año 1767, cuando se publicaron las tablas de Maskelyne." [84]
La topografía en tierra continuó utilizando una combinación de triangulación y métodos astronómicos, a lo que se añadió el uso de cronómetros una vez que estuvieron disponibles. Simeon Borden informó sobre un uso temprano de cronómetros en agrimensura en su estudio de Massachusetts en 1846. Habiendo verificado el valor de Nathaniel Bowditch para la longitud de la Casa de Estado en Boston, determinó la longitud de la Primera Iglesia Congregacional en Pittsfield , transportando 38 cronómetros en 13 excursiones entre los dos lugares. [85] Los cronómetros también fueron transportados a distancias mucho más largas. Por ejemplo, el United States Coast Survey organizó expediciones en 1849 y 1855 en las que se enviaron un total de más de 200 cronómetros entre Liverpool y Boston , no para la navegación, sino para obtener una determinación más precisa de la longitud del Observatorio de Cambridge, Massachusetts. , y así anclar el US Survey al meridiano de Greenwich. [86] : 5
Los primeros telégrafos en funcionamiento fueron establecidos en Gran Bretaña por Wheatstone y Cooke en 1839, y en Estados Unidos por Morse en 1844. La idea de utilizar el telégrafo para transmitir una señal horaria para determinar la longitud fue sugerida por François Arago a Morse en 1837, [87 ] y la primera prueba de esta idea la realizó el capitán Wilkes de la Marina de los EE. UU. en 1844, sobre la línea Morse entre Washington y Baltimore. Se sincronizaron dos cronómetros y se llevaron a las dos oficinas de telégrafos para comprobar que la hora se transmitía con precisión. [88]
El método pronto empezó a utilizarse en la práctica para la determinación de la longitud, en particular por parte del US Coast Survey, y en distancias cada vez más largas a medida que la red telegráfica se extendía por América del Norte. Se abordaron muchos desafíos técnicos. Inicialmente, los operadores enviaban señales manualmente y escuchaban los clics en la línea y los comparaban con los tics del reloj, estimando fracciones de segundo. En 1849 se introdujeron relojes con interrupción de circuitos y grabadoras de bolígrafo para automatizar estos procesos, lo que condujo a grandes mejoras tanto en la precisión como en la productividad. [90] : 318–330 [91] : 98–107 Con el establecimiento de un observatorio en Quebec en 1850 bajo la dirección de Edward David Ashe, se llevó a cabo una red de determinaciones de longitud telegráfica para el este de Canadá y se vinculó a la de Harvard y Chicago. [92] [93]
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Una gran expansión de la "red telegráfica de longitud" se debió a la finalización exitosa del cable telegráfico transatlántico entre el suroeste de Irlanda y Nueva Escocia en 1866. [86] En 1870 se completó un cable desde Brest en Francia hasta Duxbury, Massachusetts, y dio la oportunidad de comprobar los resultados por una ruta diferente. En el intervalo, las partes terrestres de la red habían mejorado, incluida la eliminación de repetidores. Las comparaciones de la diferencia entre Greenwich y Cambridge Massachusetts mostraron diferencias entre mediciones de 0,01 segundos de tiempo, con un error probable de ±0,04 segundos, equivalente a 45 pies. [91] : 175 Resumiendo la red en 1897, Charles Schott presentó una tabla de las principales ubicaciones en los Estados Unidos cuyas ubicaciones habían sido determinadas por telegrafía, con las fechas y emparejamientos, y el error probable. [89] [94] La red se expandió al noroeste de Estados Unidos con conexión telegráfica a Alaska y el oeste de Canadá. Los enlaces telegráficos entre Dawson City , Yukon, Fort Egbert , Alaska, y Seattle y Vancouver se utilizaron para proporcionar una doble determinación de la posición del meridiano 141 donde cruza el río Yukon, y así proporcionar un punto de partida para un estudio de la frontera. entre los EE. UU. y Canadá hacia el norte y el sur durante 1906-1908 [95] [96] William Bowie ha dado una descripción detallada del método telegráfico utilizado por el Servicio Geodésico y Costero de los Estados Unidos . [97]
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La Marina de los Estados Unidos amplió la red a las Indias Occidentales y a América Central y del Sur en cuatro expediciones en los años 1874-1890. Una serie de observaciones vinculó Key West , Florida, con las Indias Occidentales y la ciudad de Panamá . [99] Un segundo cubría ubicaciones en Brasil y Argentina , y también conectaba con Greenwich a través de Lisboa . [100] El tercero iba desde Galveston, Texas , a través de México y América Central, incluido Panamá, y luego a Perú y Chile, conectando con Argentina a través de Córdoba . [98] El cuarto agregó ubicaciones en México, América Central y las Indias Occidentales, y extendió la cadena a Curazao y Venezuela . [101]
Al este de Greenwich, se realizaron determinaciones telegráficas de longitud de lugares de Egipto, incluida Suez, como parte de las observaciones del tránsito de Venus de 1874 dirigidas por Sir George Airy , el astrónomo real británico . [102] [103] Las observaciones telegráficas realizadas como parte del Gran Estudio Trigonométrico de la India, incluido Madrás , se vincularon a Adén y Suez en 1877. [104] [103] En 1875, la longitud de Vladivostok en el este de Siberia fue determinada por Conexión telegráfica con San Petersburgo . La Armada estadounidense utilizó Suez, Madrás y Vladivostok como puntos de anclaje para una cadena de determinaciones tomadas en 1881-1882, que se extendieron a través de Japón , China , Filipinas y Singapur . [105]
La red telegráfica dio la vuelta al mundo en 1902 con la conexión de Australia y Nueva Zelanda con Canadá a través de la All Red Line . Esto permitió una doble determinación de longitudes desde el este y el oeste, que coincidían dentro de un segundo de arco (1/15 de segundo de tiempo). [106]
La red telegráfica de longitud era menos importante en Europa occidental, que ya había sido estudiada en gran medida mediante triangulación y observaciones astronómicas. Pero en Europa se utilizó el "método americano", por ejemplo en una serie de mediciones para determinar la diferencia de longitud entre los observatorios de Greenwich y París con mayor precisión que la disponible hasta ahora. [107]
A Marconi se le concedió su patente para la telegrafía inalámbrica en 1897. [108] Pronto se hizo evidente el potencial del uso de señales horarias inalámbricas para determinar la longitud. [109]
La telegrafía inalámbrica se utilizó para ampliar y refinar la red telegráfica de longitud, proporcionando potencialmente una mayor precisión y llegando a lugares que no estaban conectados a la red de telégrafo por cable. Una de las primeras determinaciones fue la que había entre Potsdam y The Brocken en Alemania, una distancia de aproximadamente 160 km (100 millas), en 1906. [110] En 1911, los franceses determinaron la diferencia de longitud entre París y Bizerta en Túnez, una distancia de 920 km. millas (1.480 km), y en 1913-14 se tomó una decisión transatlántica entre París y Washington . [111]
Las primeras señales horarias inalámbricas para el uso de barcos en el mar comenzaron en 1907, desde Halifax, Nueva Escocia . [112] Las señales horarias se transmitieron desde la Torre Eiffel de París a partir de 1910. [113] Estas señales permitieron a los navegantes comprobar y ajustar sus cronómetros con frecuencia. [114] [115] Una conferencia internacional celebrada en 1912 asignó horarios para que varias estaciones inalámbricas de todo el mundo transmitieran sus señales, lo que permitió una cobertura casi mundial sin interferencias entre estaciones. [113] Los observadores terrestres en el campo también utilizaron señales horarias inalámbricas, en particular topógrafos y exploradores. [116]
Los sistemas de radionavegación se generalizaron después de la Segunda Guerra Mundial . Se desarrollaron varios sistemas, incluido el sistema Decca Navigator , el guardacostas estadounidense LORAN-C , el sistema internacional Omega y los soviéticos Alpha y CHAYKA . Todos los sistemas dependían de transmisiones de balizas de navegación fijas. Un receptor a bordo calculó la posición del barco a partir de estas transmisiones. [117] Estos sistemas fueron los primeros en permitir una navegación precisa cuando no se podían realizar observaciones astronómicas debido a la mala visibilidad, y se convirtieron en el método establecido para el transporte marítimo comercial hasta la introducción de los sistemas de navegación por satélite a principios de la década de 1990.
En 1908, Nikola Tesla había predicho:
En la niebla más densa o en la oscuridad de la noche, sin brújula ni otros instrumentos de orientación, ni reloj, será posible guiar un barco por el camino más corto u ortodrómico , leer instantáneamente la latitud y la longitud, la hora, la distancia. desde cualquier punto, y la verdadera velocidad y dirección del movimiento. [118]
Su predicción se cumplió parcialmente con sistemas de radionavegación, y completamente con sistemas de geoposicionamiento informático basados en balizas de satélite GPS .