TECHNIKATÖRTÉNET
SZILÁGYI JÓZSEF*
Epizódok az óraszerkezetek és a földrajzi hosszúság mérésének történetéből
Egy kis óraismeret
A "longitude problem"
Egy kis kitérő: a polinézek
Visszatérve a "longitude problem"-re
John Harrison
Gátszerkezetek
Irodalom
A modern kor egyik hajtóereje a technika feltétlen fejlődésébe vetett hit volt. Ennek jegyében a reneszánsztól kezdődően, de különösen a XVIII-XIX. században a mechanikai újdonságok korábban soha nem látott özöne jelent meg. A mechanikus találmányoknál szabadon csodálhatjuk az emberi értelem fortélyosságát, mert a legcsavarosabb szerkentyűk lényegét is - némi szemlélődés után - megértjük, vizuálisan felfogjuk, s így zsenialitásuk is világos számunkra. Később, az elektromosság és az elektronika bevonulásával a kép némileg homályosabbá válik, hiszen ekkor már egy szerkezet szétszerelt részeiből szinte alig lehet következtetni annak működésére. A XX. század folyamán mind a tudomány és a technika, mind a társadalmi viszonyok szinte átláthatatlanul bonyolulttá válnak a hétköznapi értelem számára. Az ezredfordulóhoz közelítve, a posztmodern jegyében az ember visszavágyik az átláthatóbb, emberléptékűbb eszközök, illetve viszonyok közé. Ennek egyik megnyilvánulása a mechanikus vagy legalább félmechanikus órák divatja. Nem érdektelen tehát a mechanikus órák történetének egy kis szeletét felidézni.
Az óraszerkezetek fejlesztése során az egykori órásmesterek rengeteg érdekes és nagy fordulatot hozó találmányt vezettek be. Ezek jó része már akkoriban, főként brit, illetve francia földön szabadalmat is szerzett. Neves mesterek, zseniális feltalálók hozták létre az újabbnál újabb mechanikus megoldásokat, amelyek az időmérés pontosítását szolgálták. Az időmérés elmélete és annak technikai megvalósítása a tudományok sok olyan képviselőjét vonzotta, akiket inkább fizikusként, matematikusként vagy például íróként jegyzünk. Így igen jelentőset alkotott az óraszerkezetek területén Galilei, aki az inga bevezetéséhez készítette elő az utat, míg az inga gyakorlati alkalmazását Huygens valósította meg. De készített órát Benjamin Franklin, amerikai politikus, nyomdász, fizikus, aki az akkor még iparilag elmaradott Amerikában akart könnyen gyártható, egyszerű órát készíteni. Műkedvelő "órás" volt Stephenson, a gőzmozdony, és Fulton, a gőzhajó megalkotója. De ide tartozott Beaumarchais is, akinek Figaro halhatatlan alakját köszönhetjük, s aki Madame Pompadour számára készítetett egyedi órát. Szenvedélyes amatőr órás volt Thomas Jefferson, az USA harmadik elnöke, akinek tervei alapján francia és angol órások dolgoztak; ismert műve az obeliszkóra.
 |
1. ábra |
Egy kis óraismeret
Galilei és Huygens nyomán az ingaszabályozás megjelenése óriási jelentőségű volt. A korábbi foliószabályozást az órák gyermekkorának tekintve, szinte csak ekkortól beszélhetünk igazán óraszerkezetről. Az inga, mint az óra szabályozója, egyenletes lengőmozgásával biztosítja azt az egységnyi időintervallumot, ami a folyamatosan múló idő szakaszokba osztását, és ezzel mérését lehetővé teszi. Később a gravitáció révén működő inga szabályozó szerepét a rugóval működtetett billegő veszi át; ez a mechanikus, hordozható óráknál, zsebóráknál és karóráknál nélkülözhetetlen alkatrész. A kvarcórákban már kvarckristály a szabályozó, kihasználva annak piezoelektromos tulajdonságát: hossztengelye mentén elektromos feszültség alá helyezve a kristály rezgésbe kezd, amelynek rezgésszáma szigorúan állandó. Az órák általános felépítését az 1. ábra szerinti blokkvázlat mutatja.
Mivel a szabályozó mint lengőrendszer (2. ábra) mozgása során a súrlódás, közegellenállás stb. miatt állandóan energiát veszít, ezért ezt pótolni kell. Erre szolgál az energiatároló, amely annyi energiát tárol, amennyi az óra működéséhez bizonyos ideig (konstrukciós és rendeltetési szempontoktól függően pl. 32 óráig, 8 napig, 1 hónapig, 400 napig stb.) szükséges. A tárolt energia lehet súlyhajtású óráknál helyzeti energia, rugós óráknál rugalmassági energia, valamint elektromos energia vagy ezek kombinációja.
 |
2. ábra |
Az energiatároló (súly) nagy nyomatékú, de kis fordulatszámú mozgásának átalakítását végzi a futószerkezet, amely általában egy fogaskerékrendszer.
A szabályozó, mint lengőrendszer, alternáló mozgást végez, míg a futószerkezet egyirányú forgómozgást, szükség van tehát egy szerkezeti egységre, amely a forgómozgást alternáló mozgássá alakítja és a szabályozóhoz továbbítja. Ezt a feladatot tölti be a gátszerkezet, amely egyúttal meggátolja a kerékrendszert a gyors lefutásban azáltal, hogy mozgását szakaszossá teszi a szabályozó mozgása által meghatározott ütemben. A mutatószerkezet mintegy megszámolja és vizuálisan láthatóvá teszi a szabályozó lengéseit. A szerkezet működéséhez szükséges energiát az energiatárolóba a felhúzószerkezeten keresztül tápláljuk be.
A kerékrendszer forgó mozgását a gátszerkezet alakítja alternáló mozgássá és továbbítja a szabályozóhoz. Ez impulzusszerűen megy végbe, a szabályozónak minden teljes vagy minden fél lengése alkalmával. Míg a szabályozó lengését végzi, a kerékrendszer áll, mert a gátszerkezet megakasztja. Az energiaátadás pillanatát a szabályozó határozza meg, a gátszerkezetre visszahatva mintegy lehívja a következő energiadózist. A szabályozó (inga) és a gátszerkezet együttműködése eredményezi azt, hogy a mutatók szabályozott időközönként egy-egy osztást előrelépnek.
A gátszerkezet feladata tehát: 1. a kerékrendszer forgó mozgását alternáló mozgássá alakítani és azt a szabályozónak meghatározott pillanatban átadni, 2. míg a szabályozó lengő mozgását végzi, az energiaátadás közti időben a kerékrendszert megállítani.
A "longitude problem"
A gátszerkezetek témakörében az egyik legnagyobb jelentőségű feltaláló egy angol ácsmester, John Harrison volt. Amíg Harrison meg nem alkotta kronométereit, (szinte) senki nem tudott kelet-nyugati irányban biztonsággal tájékozódni. Az ókor kiváló hajósaitól, a föníciaiaktól kezdve a vikingeken át a nagy felfedezőkig lényegében part menti navigáció folyt. A földrajzi felfedezések részben azért is várattak magukra oly sokáig, mert senki sem mert nekivágni a végtelennek tűnő óceánnak. A hajósok az ismert partoktól csak akkor távolodtak el, ha előzetes tapasztalatok alapján ezt biztonsággal megtehették. A földközi-tengeri hajósok már az ókorban annyi tapasztalattal rendelkeztek működési területükről, a veszélyesebb szirtekről, zátonyokról, illetve a távolságokról, hogy nem is igényelték különösebben a longitudinális tájékozódás képességét. Ez az igény az óceánok birtokbavételekor merült fel és erősödött a XVIII. századra olyan megkerülhetetlen problémává, hogy a brit királyi kormány súlyos pénzösszeggel tetézett díjat tűzött ki a megoldására. A problémát John Harrison (1693-1776) oldotta meg elsőként.
Mi köze van az órának és az időmérésnek a tájékozódáshoz? A hajósok az észak-déli tájékozódást, a földrajzi szélesség meghatározását a sarkcsillag horizont feletti magasságának mérésével meg tudták oldani. Kelet-nyugati irányban, a földrajzi hosszúság meghatározásánál az tűnt a legcélravezetőbbnek, ha egy pontos órán beállítják egy ismert földrajzi pont delelési idejét - pl. a greenwichi időt - majd az utazás során nap mint nap megállapítják, hogy mennyit mutat az óra, amikor az adott helyen a Nap delel. Mivel a Nap 24 óra alatt "kerüli meg" a Földet, naponta 360o-ot tesz meg, látszólagos égi mozgása tehát 15o óránként. A Nap delelési ideje közötti egyórás időtartam tehát földrajzi hosszúság tekintetében 15o-ot jelent, 1o hosszúság pedig 4 percnyi látszólagos napmozgásnak felel meg. Így például, ha a greenwichi időt mutató óra a Nap delelésekor még csak 11 óra 20 percet mutatott, akkor a tengerészek kiszámíthatták, hogy a nyugati hosszúság 10o-án járnak.
A problémát az jelentette, hogy nem voltak kellően pontos órák. Manapság, a GPS korában a tájékozódás gyerekjátéknak tűnik. A több száz, több ezer kilométeres tengeri és légi járatok már évtizedek óta nagy pontossággal érik el célállomásukat. A rádiótechnikai eszközök megjelenése előtt azonban a földrajzi helymeghatározás, különösen a hosszúsági, azaz kelet-nyugati irányú, igen nagy nehézségekbe ütközött. Valójában az 1700-as évek közepéig - amikor John Harrison megalkotta az ehhez kellően pontos kronométerét - az európai tengerészet nem tudott kelet-nyugati irányban megfelelően tájékozódni. Magyarán, ha hosz- szabb hajóútnak vágtak neki, például Amerikába hajóztak, a tengerészeknek csak hozzávetőleges fogalmuk volt arról, hogy éppen hol járnak. Ez a bizonytalanság olyan jelentős volt, hogy a két földrész közötti durván 6000 kilométeres út során a helymeghatározás több száz kilométert is tévedhetett.
Egy kis kitérő: a polinézek
Tudománytörténeti érdekesség, hogy a polinézek megoldották a longitudinális tájékozódás kérdését. Kik is a polinézek? A Csendes-óceánban szétszórt apró szigetcsoportok lakói, akik eszközhasználati szintjüket tekintve olyan kezdetlegesek, hogy a polinézeket elsőként felfedező európaiak számára az is kétséges volt, vajon embernek tekintsék-e őket. Az általuk behajózott terület óriási, a Föld felszínének körülbelül egyharmada, amelyhez képest a Földközi-tenger egy kacsaúsztató. Az ágyékkötős polinéz hajósok kis lélekvesztőkön tesznek meg több ezer kilométeres utakat e felszín bármely két szigete között a tájékozódás teljes biztonságával. Az egyszerű fa, csont és háncs alapanyagokat használó (kőkorszaki szinten álló) polinézeket nem zavarta, hogy Európában - a technikai fejlettség különbségét tekintve - mintegy 20 ezer évre, technikai fejlesztések és társadalmi átalakulások sokaságára volt szükség, hogy a csiszolt kőkorszaktól Harrison találmányáig jussunk, és a longitudinális helyzetmeghatározás megvalósuljon. S az sem zavarja őket, hogy az európai tudomány még azt sem igazán derítette ki, vajon milyen eszköz vagy egyéb révén képesek ők ezt évszázadok, évezredek óta megtenni.
Ezek a jeles tengeri hajósok a Csendes-óceán nyílt vizein hatalmas utakat tesznek meg a tengerben szétszórt kis szigetek között. Polinézia óriási, háromszög alakú területet foglal magában. E háromszög csúcsa, a Húsvét-szigetek, a 3760 kilométernyire fekvő Dél-Amerika felé néz, alapjának déli sarka Új-Zéland, északi sarka a Hawaii-szigetcsoport. Négyszer akkora a területe mint Európa, az óceánban fekszik, amelynek területe jóval nagyobb, mint az összes szárazföld együttvéve. A legnagyobb polinéziai sziget, Új-Zéland, alig akkora, mint Magyarország, s a többi sziget területe nagyobbára néhány száz vagy száznál is kevesebb négyzetkilométer. Hogy milyen óriási távolságokat tettek meg hajóikon biztonságosan és igen gyakran a polinéziaiak, azt talán el tudjuk képzelni a következő adatból: a Fülöp-szigetek és Peru között a közvetlen hajóút 25 000 kilométer.
Polinéziában nincs szextáns, kronométer s egyéb hasonló, navigációt szolgáló műszer. Egyes feltétezések szerint a polinézek csodaeszköze nem más, mint egy közönséges tök, amelynek felső részét levágták, s körös-körül néhány nyílást fúrtak rajta a felső peremétől pontosan meghatározott távolságban. A tököt megtöltötték vízzel, s készen állt a navigációs műszer. Elég volt a tököt vízszintesen tartani, úgy, hogy a víz szintje minden oldalon a kifúrt nyílásokig érjen, s az egyiken át a tök peremén keresztül figyelni egy kiválasztott csillagot. Ha a kép közvetlenül a vízzel megtöltött tök pereménél verődött vissza, akkor - a nyílás helyzete szerint - például 20 fok földrajzi szélességet értek el…
Visszatérve a "longitude problem"-re
A végtelennek tűnő tengeren tehát nem könnyű eligazodni. Az iránytű előtti időkben a Nap, a Hold, a csillagok szolgáltak iránymutatóul, s a hajósok jól-rosszul meghatározott sebesség és iránymérések alapján tájékozódtak. Az egyenlítőtől északra és délre számított szélességi fokokat a Nap delelési magasságának vagy a Sarkcsillag, illetve a Dél Keresztje csillagai horizont feletti magasságának mérésével megmérésével elég jól meg tudták állapítani, de a hosszúsági fokot - keletre vagy nyugatra - hosszadalmas, körülményes számítgatással, sebesség- és irányméréssel próbálták meghatározni, gyakran rosszul. A rossz tájékozódás miatt súlyos hajókatasztrófák történtek. Anson admirális például 1741-ben tíz hajóból álló flottájával egy hónapig vesztegelt a Horn-fok körül kedvező szélre várva, hogy Angliába hazamehessen. Milyen nagy volt a csodálkozása, amikor 10 hosszúsági fokot tévedve az Atlanti-óceán helyett a Csendes-óceán egy magányos szigetére, Juan Fernandezre értek (ahol Robinson Crusoe, illetve Selkirk matróz töltötte magányos éveit).
Navigáció dolgában tehát igen gyengén álltak. Még a jó kapitánynak sem kellett szégyenkeznie, ha a kijelölt partraszállás helyét akár 160 kilométerrel elvétette, s az utolsó útszakaszt part menti navigáció segítségével tette meg tengerészeti kézikönyvekben fellelhető hajózási útmutatók alapján, amelyeket már akkor minden tengeri ország kiadott, és amelyek többé-kevésbé pontos leírást tartalmaztak minden partról és az ott található nevezetes jelekről. A "megengedhető hiba" nagysága szemléltetően példázza, milyen sürgetően megoldandó kérdés volt az idő pontos mérése, ami lehetővé teszi a pontos navigációt.
II. Károly angol király Greenwichben csillagvizsgálót alapított, kifejezetten a hajózás megsegítésére. Az intézet kiadványa - a Nautical Almanac - 1767 óta évente megjelenik.
Sokan törték a fejüket a jó tengeri tájékozódás érdekes, fontos és égetően sürgős feladatán. Legtöbben csak elvi megállapításokra jutottak, mint például Regiomontanus, Mátyás király egykori csillagásza, mert holdtáblázatainak elkészítéséhez megfelelő csillagvizsgáló sehol sem működött.
Tobias Meyer német csillagász a holdtávolságok módszerét ajánlotta. Ki kell számolni valamely kikötő helyi idejében, hogy a Hold különböző napok különböző idejében hány fokra látszik egy-egy fényesebb csillagtól. A tengeren észlelt holdtávolság a táblázatban található kikötői helyi idővel összevetve megadja az időkülönbséget, illetve a hosszúsági fokot.
A Galilei által megfigyelt Jupiter-holdak ugyancsak alkalmasak lehetnek a hosszúság meghatározására. A módszer meglehetősen körülményes, de elég pontos volt, a hajózási évkönyvek a közelmúltig közölték az adatokat; a második világháború felderítő- és bombázórepülői használták a módszert.
Gemma Frisius flamand csillagász 1530-ban megjelent Principes Astronomiae Cosmographiae című művében már ajánlotta, hogy órát kell készíteni, ami a kiindulóállomás helyi idejében megindítva, az úton pontosan járva, rögzíti az ottani időt. A saját helyi dél időpontja és az óra által mutatott otthoni időpont közötti különbségből a hosszúság kiszámítható. Ilyen pontosságú órát azonban még több mint két évszázadig nem készítettek, Huygens 1657-es kettős - kardanikus - felfüggesztésű hajóórája is csak nyugodt vízen járt pontosan. Newton egy parlamenti bizottságban a következőképpen nyilatkozott az órákkal történő navigálás lehetőségeiről. "A hosszúság meghatározására tengeren számos, elvileg jó, gyakorlatilag kivihetetlen terv létezik. Az egyik terv szerint pontos órát kell használni, de tekintetbe véve a hajó szabálytalan mozgásait, a hideg és meleg változásait, nedvességet, szárazságot, a különféle hosszúságokon jelentkező gravitációkülönbséget, ki kell jelentenem, hogy olyan óra nem készíthető." A "szakma" tehát erős előítélettel viseltetett a probléma mechanikus megoldásával szemben.
Ingaóra nem jöhetett számításba, az akkori hajszálrugós billegővel ellátott órák viszont a hézagok, pontatlanságok, a hőtágulás, a légnyomásváltozás és a páratartalom ingadozása okozta bonyodalmak miatt nem lehettek pontosak. Új utat kellett keresni. Anna, brit királynő aláírásával 1714-ben pályázati kiírás jelent meg, amely magas jutalmat helyezett kilátásba annak, aki a hosszúságmeghatározás nehéz kérdését kielégítően megoldja. Eszerint 10 ezer fontot kap az a személy, aki a hosszúságmeghatározást 1 fok pontossággal megoldja, 15 ezret, ha a pontosság 40 ívpercen és 20 ezret, ha a pontosság 30 ívpercen belül marad. Ez utóbbi körülbelül 55 kilométernyi hibát jelent az Egyenlítőn. Egy Nyugat-Indiába menő hajóút során az óra tehát 2 percnél többet nem tévedhet. A pályázatok felülbírálására és a valóban fejedelmi díjak (20 ezer akkori font mai értéke körülbelül 2 millió font, tehát majdnem 800 millió forint) megítélésére megalakították a Board of Longitude nevű bizottságot 11 taggal, akik admirálisok, tudósok, hajóépítők és egyéb jeles személyek voltak. Az admiralitás első lordja elnökölt az összejöveteleken, a bizottság 1818-ig működött, ezalatt pontosan 100 ezer fontot osztottak ki.
John Harrison
A legjelentékenyebb pályázó - aki negyven éven át foglalkoztatta a bizottságot - nem tudós, nem órás, hanem ácssegéd volt, aki bebizonyította, igenis lehet olyan órát készíteni, ami a földrajzi hosszúság meghatározására alkalmas. A munka kezdetekor 21 éves volt John Harrison, de amikor a pályadíj teljes összegét megkapta, közel járt a 70-hez - a feltalálók sorsa már akkor sem volt egyszerű.
Harrison Yorkshire-ben, Foulbyben született 1693-ban, apja mesterségét követte, ácsnak készült, de tudományos érdeklődése korán felébredt, tanult, nem is keveset. Több vaskos kötetnyi tudományos naplóját egy régiségkereskedő aukción eladta, azóta hiába nyomoznak utána.
Harrison részt akart venni a pályázaton. Tervezett egy tengerészórát, és 22 oldalas leírást, tervtanulmányt készített, rajzokkal ellátva be akarta mutatni a bizottságnak, amelyik azonban éppen nem ülésezett. Felkereste Halleyt, a greenwichi csillagvizsgáló igazgatóját, aki Grahamhez, London első órásmesteréhez küldte. Mondhatnánk, helytelen volt Grahamhez fordulni, aki talán maga is foglalkozott a "longitude problem"-mel, de Graham becsületes ember volt, nem használta ki a fiatalember naivitását, szerénységét, jóhiszeműségét, hanem segítséget nyújtott neki, pénzt adott, elindította a cél felé.
Négy év múltán elkészült az első tengerészóra, a Timekeeper No. 1. (3. ábra), Harrison legérdekesebb műve. Hatalmas, 36 kg súlyú, bonyolult szerkezet volt, jelezte az órákat, perceket, másodperceket, napot (tehát naptáróra is volt). Napi sietése-késése nem volt több 3 másodpercnél. Ezt Harrison úgy ellenőrizte, hogy háza kéménye mellé fakeretbe foglalt irányzófonalat erősített, és azon át figyelte valamelyik csillag átvonulását, tehát órája járását csillagidőben ellenőrizte. Inga vagy kerékbillegő helyett két nagy, súlyos, kettőssúlyzószerű balansza bólogató mozgást végzett. Ez azzal a nagy előnnyel járt, hogy a szabályozó egyenletes ritmusú lengése függetlenné vált a gravitáció irányától. Amikor a hajó hullámvölgybe ereszkedett, az egyik balansz meggyorsult, a másik ugyanannyival lelassult, a két mozgás tehát egymást kiegyenlítette. Szellemes megoldások szolgáltak a hő okozta tágulás és összehúzódás kiegyenlítésére, és a súrlódást is a minimumra csökkentette. Számos kereke puszpángfából készült, és csupán fogai sárgarézből. Gátlóművében - ez volt az úgynevezett grasshopper escapement, sáskajárat - a sáska lábaira emlékeztető, karos szerkezet dolgozott (4. ábra). Fő előnye az volt, hogy kenést nem igényelt, mert minimális súrlódással működött. Közben fivérével más órákat is készített, főleg álló- és asztali órákat. Több ma is megvan közülük, ezek szerkezete is túlnyomóan fa.
 |
3. ábra |
 |
4. ábra |
Az órát a Humber-folyón próbálták ki, majd a bizottság megbízásából - és költségére - 1736-ban Lisszabonba utaztak a Centurion nevű hajóval, amelynek kapitányi fülkéjében járt az óra. Az utazás részletei nem ismeretesek, a kapitány meghalt, jelentést nem írhatott. Lisszabonban átvitték az órát az Orford nevű hajóra, azzal ment vissza Londonba, s közben számos helymeghatározást végezve az óra kitűnően vizsgázott. Visszafelé, a Lisszabon-London útvonalon a műszer 1,5 fok tévedéssel navigált, ami szép eredmény, de kevés volt a díj elnyeréséhez. A bizottság a pályadíjat nem adta ki, mert az órát emellett túlságosan nehéznek, bonyolultnak, kényesnek is találták, de 500 fontot adtak Harrisonnak azzal, hogy fejlessze tovább találmányát. Annyi bizonyos, hogy a Timekeeper No. 1. bebizonyította, az óra alkalmas a hosszúság meghatározására. Ez már óriási dolog volt.
Két év múltán Harrison újabb szerkezettel jelentkezett, ez volt a Timekeeper No. 2. (5. ábra), ebben is balanszrudak lengtek, már kisebb, könnyebb óra volt, a bizottság újabb 500 fontot kifizetett.
 |
5. ábra |
Egy harmadik óra, a Timekeeper No. 3. (6. ábra) 33 kg súlyú szerkezete Harrison más elfoglaltságai miatt 17 év alatt készült el, ebben már egymással szemben perdülő, nagy átmérőjű balanszkerekek dolgoztak. A feltaláló újabb részletet kapott, s ekkor elhatározta, olyan órát készít, ami könnyű, kicsiny és valóban alkalmas huzamos szolgálatra dülöngélő hajón, változó hőmérsékleti és légköri viszonyok között is.
 |
6. ábra |
Elkészült végre a Timekeeper No. 4. (7. ábra). Zsebóra alakú, tenyér nagyságú, gyönyörűen és finoman kidolgozott szerkezet volt. Cizellált alkatrészei, kerekei, mutatói, számlapja csillogtak. A mai órákkal való összevetésként érdemes megjegyezni, hogy az átmérője 13 cm, súlya 1,45 kg (!) volt. A maga nemében fantasztikus konstrukció, 1760 táján senki nem gondolta, hogy egy zsebóra méretű szerkezet komolyabb pontosságra képes lehet.
 |
7. ábra |
Harrison ekkor már 67 éves volt. Fia vállalkozott arra, hogy az órát elkíséri jamaicai próbaútjára. Ez meg is történt, és 1761-ben az óra a hosszú tengeri úton pontosan járt. Először Madeira szigetén kötöttek ki. A hajó kapitánya és hivatalos navigátora kilenc nap után jelezte, hogy 13 fok 19 perc hosszúságon vannak. A fiatal Harrison 15 fokot és 19 percet mért, és kijelentette, ha a térkép jó, Madeirát a következő napon látni kell. A kapitány fogadást ajánlott, "ötöt egy ellen", hogy Harrison - illetve órája - téved. Másnap meglátták Madeirát. A legénység örült a legjobban, mert fogytán volt a sörük. Jamaicába érkezve az óra csupán 5 másodperc késést mutatott, ami háromszorosa volt a díjhoz megkövetelt pontosságnak. Hanem az admiralitás lordja és a bizottság más tagjai nem voltak sietős emberek. Hozzájárultak 5000 font kifizetéséhez, de a teljes összeget Harrison csak akkor kaphatja meg - mondták -, ha bebizonyosodik, hogy a No. 4. órát más is el tudja készíteni. Harrison az órát a bizottság előtt szétszedte és összerakta, de a bizottság ragaszkodott követeléséhez. Így azután az órát átadták Larcum Kendallnak, London egyik legkiválóbb órásának, aki a másolatot - némileg egyszerűbb kivitelben - elkészítette. Ezt az órát vitte magával James Cook kapitány Föld körüli útjára. Az óra - Cook teljes elismeréssel nyilatkozott - mindenütt, minden éghajlat alatt, viharban és szélcsendben pontosan járt, céljának, feladatának megfelelt. Végül Harrisonnak a teljes összeget, ezenfelül még 2500 fontot fizettek, ez utóbbit kamatnak és fájdalomdíjnak tekintették. Annyi megjegyzendő, hogy ezt az összeget sem a bizottság ítélte meg, hanem III. György angol király közbenjárásával parlamenti törvény rendelkezett róla. A király előzőleg házi asztronómusával saját obszervatóriumában teszteltette az órát. A bizottság végig azon a véleményen volt, hogy Harrison szerkezete csak a véletlenek szerencsés összejátszása miatt sikeredett pontosra. A bizottságot vezető Nevil Maskelyne, aki hamarosan Astronomer Royal, királyi csillagász lett, és aki maga is pályázott a díjra a földrajzi hosszúság holdtávolságmérésen alapuló, inkább elméleti módszerével, elképzelhetetlennek tartotta, hogy egy mechanikus szerkezet többre legyen képes, mint a magas tudományokon alapuló módszer, és minden eszközt bevetett annak megakadályozására, hogy egy egyszerű "mechanikus" igényt tarthasson a díjra. Bár Newton már idézett nyilatkozatát figyelembe véve az akadémikusok szkepszise bizonyos fokig érthető.
Harrison 83 éves korában, 1776-ban halt meg Londonban, tengerészkörökben akkor már mindenki elragadtatással beszélt óráiról. A Harrison-órák - amelyek a mester műhelyében készültek - nem kerültek később hajóra, az admiralitás páncélszekrényeiben maradtak. A második világháborút óvóhelyen vészelték át, az idő bizony meglátszott rajtuk. Ahol fa alkatrészek voltak, a korhadás jelei mutatkoztak, a fém alkatrészek pedig korrodálódtak. Egy lelkes és szakértő nyugalmazott tengerészkapitány, Rupert T. Gould, ügyszeretetből évekig tartó restauráló munkával az órákat rendbe hozta, és azok most a greenwichi tengerészeti múzeumban láthatók. Mindegyik óra jár.
Harrison zsenialitása talán újszerű gátszerkezeteiben nyilvánult meg leginkább, elsősorban a már emlegetett grasshopper escapement, "sáskajárat"-ban, de ezenkívül rengeteg jelentős találmánya, újítása volt. Ilyen például az ún. hőkompenzációs inga vagy rácsinga (gridiron pendulum), amellyel az ingák hőtágulását küszöbölte ki. Ha a hőtágulás hatására az inga hossza megváltozik, akkor a súlyponteltolódás következtében megváltozik lengésideje is, a hőmérséklet emelkedésével az óra késni fog, hidegben pedig sietni. A rácsinga ezt úgy küszöböli ki, hogy az inga szára tartalmaz egy különböző hőtágulású rudakból álló rácsot, amelynél a rudak hőtágulása egymással szemben dolgozik, azaz kioltja egymást. Hasonló módon küszöbölte ki a rugós billegő hőtágulásból adódó pontatlanságát is: a billegőkereket eltérő hőtágulású fémekből állította össze (bimetál), amelyek hőtágulása egymás ellen hatott, így a kerék tehetetlenségi nyomatéka hőmérsékletváltozás esetén is állandó volt. A súrlódás lehető legteljesebb kiküszöbölésére törekedve Harrison kidolgozta a kosaras gördülőcsapágyat. Ez utóbbi két találmányát még ma is széleskörűen alkalmazzák. Legnagyobb jelentőségű találmánya talán mégis gátszerkezete volt, ezért a sáskajáratra még visszatérünk.
Harrison ismertetett óraszerkezetei olyan pontosságot értek el, hogy már kronométerek voltak. A kronométer fogalom ma is használatos, sőt szabványos minősítés alapján eldönthető egy óráról, hogy vajon eléri-e a kronométer szintjét. 1877-ben Biel városában a legnagyobb svájci gyártók létrehozták a Controle Officiel Suisse des Chronometres (COSC) nevű szervezetet. A szervezet ma több városban is működik, és 1952-ben elfogadott szabványok alapján minősíti a szerkezeteket. Az órákat 15 napig vizsgálják, az óraállást 24 óránként olvassák le s hasonlítják össze a zsinórmértékkel, a svájci Pranginsban található nemzetközi referenciaórával. Ha a szerkezet egyetlen napon sem késik többet 4, és nem siet többet 6 másodpercnél, kiérdemli a kronométer megjelölést. Manapság évente több mint 1 millió órát (2000-ben például 1 032 258 darabot) minősítenek kronométernek.
Gátszerkezetek
A mechanikus óra pontossága tekintetében döntő fontosságú, hogy működés közben a gátszerkezet a szabályozót szabad lengésében minél kevésbé zavarja. A működés akkor ideális, ha a gátló a szabályozóval csak az energiaátadás pillanatában érintkezik, és a továbbiakban a szabályozó már szabadon leng. Ez a szabad gátszerkezet, míg állandó kapcsolat esetén súrlódó gátszerkezetről beszélünk.
A gátszerkezetek szerkezeti kialakítása és gyakorlati kivitelezettsége nagyban befolyásolja az óra minőségét. A gátszerkezetek a történeti fejlődés során szinte egymásból alakultak ki (kissé hasonlóan a biológiai törzsfejlődéshez), mindegyik kiküszöbölt valamit elődje hiányosságából. Ez a fejlődési folyamat annyira nyilvánvaló, hogy a legkorszerűbbnek ismert és precíziós órákban is elterjedten alkalmazott ún. svájci horgony gátszerkezet származása, "családfája" a különböző fejlődési stádiumokon át egyenes vonalban visszavezethető a XVII. században feltalált, de még ma is használatos Clement-gátszerkezetig (William Clement, 1680). Az időmérés fejlődése nagymértékben a gátszerkezetek fejlődésének volt a függvénye.
A 8. ábrán látható Clement-gátszerkezetnél a horgony egytengelyű a nem ábrázolt ingával, így az ingával együtt billeg jobbra és balra. Eközben karmai (emelői, emelőkövei) "beleakadnak" a gátkerék fogaiba, és megállítják, illetve továbbengedik annak forgását. Ez a szakaszos forgó elmozdulás adódik át a mutatókra. A Clement-gátszerkezetnél azonban a horgony és a gátkerék érintkezése igen sok súrlódással jár, ami az órát nagyon pontatlanná teszi.
 |
8. ábra |
(A különböző gátszerkezetek mozgása megtekinthető a http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Hall/3934/ escapement.html web-lapon.)
A 9. ábrán látható a Harrison-féle "grasshopper escapement" vázlatos ábrázolása, amelynél a súrlódás a minimumra csökkent.
 |
9. ábra |
A mechanizmus működésekor a P1 és P2 lengőreteszek felváltva tartják, majd elengedik az óramutató járásával egyezően forgó W gátkereket. Csupán a fogak hegyei támaszkodnak fel a P1, P2 lengőreteszek végein lévő emelőkövekre. A gátkereket - fogaskerékrendszeren keresztül - súly forgatja. A P1, P2 lengőreteszek egy F keretrúdra vannak rögzítve, amely a B ingalencséhez (ingasúlyhoz) kapcsolódik, és együtt leng vele egy központi csapágy körül elfordulva. A P1, P2 lengőreteszek nem mereven kapcsolódnak a keretrúdhoz, hanem maguk is forgathatóan csapágyazottak, körülbelül annak fele hosszánál. A lengőreteszek enyhén fenéksúlyosak, és önmaguktól az emelőkövek eltávolodnának a W gátkeréktől, de csak annyira tudnak eltávolodni, amennyire az R1, R2 támaszkarok ezt engedik. Ezek ugyanott vannak csapágyazva, mint az általuk vezérelt P1, P2 lengőreteszek. Az R1, R2 támaszkarok orrsúlyosak - nagyobb mértékben, mint amennyire a P1, P2 lengőreteszek fenéksúlyosak, így a lengőretesz-támaszkar kombináció önmagában a W gátkerék felé lendülne. Az R1, R2 támaszkarok gátkerék irányú mozgását két kis szeg határolja be, amelyek az F keretben vannak rögzítve.
A 10-13. ábrán látható mozgásfázisokat követve a gátszerkezet működése a következő:
(1) Amikor gátkerék megtolja a P1 lengőreteszt, az F keretrúd is az óramutató járásával egyezően fordul el, és a B ingalencsét balra lendíti.
(2) Amint az inga balra lendül, a P2 lengőretesz is érintkezésbe kerül a gátkerék fogával. Ebben a pillanatban mindkét lengőretesz érinti a gátkereket.
 |
 |
10. ábra |
(3) Az ingasúly továbbra is balra leng, s ekkor a P2 lengőretesz kissé visszaforgatja a gátkereket. Ennek hatására a P1 lengőretesz érintkezése megszűnik a gátkerék fogával, és egyet lendülve eltávolodik attól, amíg az R1 támaszkart el nem éri.
(4) Amint az inga eléri szélső helyzetét, a P2 lengőretesz leemeli az R2 támaszkart a keretrúdban lévő szegről. Pillanatnyi álló helyzetét követően az inga elkezd vissza, jobbra lendülni, s ebben a gátkerék is segíti, megtolva a P2 lengőreteszt.
 |
 |
11. ábra |
(5) Középhelyzetben az inga legnagyobb sebességével halad balról jobbra, az R2 támaszkar visszaül a szegre, és a gátkerék folyamatosan tolja a P2 lengőreteszt.
(6) Mint az imént, itt is bekövetkezik az a pillanat, amikor az F keretrúd forgásával a P1 lengőretesz is érintkezésbe kerül a gátkerékkel, amikor tehát mindkét lengőretesz érinti a gátkereket. Az inga továbbfordulásával a P1 lengőretesz kissé megtolja a gátkereket, azaz kissé előreforgatja, s ezzel kioldja a P2 lengőreteszt.
 |
 |
12. ábra |
(7) Amint az inga továbbhalad jobbra, a P1 lengőretesz leemeli a szegről az R1 támaszkart. A kioldott P2 lengőretesz eltávolodott a gátkeréktől és megtámaszkodott az R2 támaszkaron.
(8) Miután az inga elvesztette lendületét, vissza, a középhelyzet felé mozog. A P1 lengőreteszt tolja a gátkerék, az R1 és R2 támaszkarok a szegeken ülnek, és a P2 lengőretesz az F kerettel együtt az órajárásnak megfelelően fordul, és újra érintkezésbe hozza a P2 lengőreteszt a gátkerékkel. Visszatért az (1) állapot, de közben a gátkerék egy fognyit elfordult.
 |
 |
13. ábra |
John Harrison mintegy 250 éve készült kronométerei megfelelő kivitelezésben képesek voltak havi 1 másodperc pontossággal járni, ami a jobb kvarcórák sajátossága. Manapság a - kizárólag tudományos célra használt - atomórák évi járáshibája az ezredmásodperces nagyságrendben mozog, így a mechanikus órákat hajlamosak vagyunk avítt szerkezetekként kezelni. Sokukban azonban, így Harrison óráiban is, a precizitás és a szerkezetek szellemessége - invenciótartalma - bármely mai találmánnyal felveszi a versenyt.
Irodalom
Magyar László: Az órás. Műszaki Könyvkiadó, 1976
Magyar László: Óraipari zsebkönyv. Műszaki Könyvkiadó, 1979
Katona János-Pallai Sándor: Órajavítás. Műszaki Könyvkiadó, 1967
Magyar László: Órások és óragyűjtők kisenciklopédiája. Műszaki Könyvkiadó, 1984
Horváth Árpád: Órák és órások. Gondolat, 1982
Ludvig Soucek: A betlehemi csillag nyomában. Madách, 1971
http://www.nmm.ac.uk/
http://www.harrisonclocks.co.uk/
http://www.antique-horology.org/
http://wwp.greenwichmeantime.com/clocks-watches/watch/watches/
harrison/
http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Hall/3934/escapement.html
http://www.ernie.cummings.net/clock.htm
Lábjegyzetek:
* Szabadalmi elbíráló, Magyar Szabadalmi Hivatal