Kronometer marin

Kronometer marin merupakan sejenis jam yang cukup persis dan tepat untuk digunakan sebagai piawaian waktu mudah alih, justeru ia boleh digunakan untuk menentukan kedudukan garis bujur secara pelayaran cakerawala. Sewaktu mula-mula dicipta pada abad ke-18, kronometer marin merupakan suatu pencapaian teknikal yang besar kerana pengetahuan waktu yang jitu adalah penting untuk pelayaran jangka masa panjang memandangkan tiadanya bantuan elektronik mahupun komunikasi. Kronometer sebenar yang pertama adalah hasil usaha sepanjang hayat oleh seorang lelaki bernama John Harrison yang tekun bereksperimentasi dan menguji selama 31 tahun yang merevolusikan pelayaran laut (dan udara) serta mempercepat Zaman Penemuan dan Kolonialisme.
Istilah chronometer (yang dipercayai dicipta pada tahun 1714 oleh Jeremy Thacker, seorang pesaing awal untuk hadiah yang ditawarkan oleh Akta Longitud pada tahun yang sama) kini lebih digunakan untuk memerikan jam tangan yang diuji dan diperakui mencapai piawaian kepersisan tertentu. Jam-jam yang dibuat di Switzerland boleh tertera perkataan 'chronometer' hanya jika diperakui oleh COSC (Institut Pengujian Kronometer Rasmi Switzerland).

Sejarah

Untuk menentukan suatu kedudukan di atas permukaan Bumi, adalah perlu dan memadai untuk mengetahui latitud, longitud, dan altitud. Bagaimanapun, pertimbangan altitud boleh diabaikan untuk kapal-kapal yang berlayar pada paras laut. Hinggalah pertengahan 1750-an, penentuan arah di tengah-tengah laut tanpa kelihatan daratan merupakan masalah yang tidak terselesai disebabkan kesukaran dalam menghitung longitud. Pelayar dapat menentukan latitud dengan mengukur sudut matahari pada waktu tengah hari (iaitu ketika matahari mencapai paras tertinggi di langit) ataupun, di Hemisfera Utara, mengukur sudut Polaris (Bintang Utara) dari kaki langit (biasanya ketika senja). Untuk menghitung longitud pula, mereka memerlukan piawaian masa yang boleh digunakan di atas kapal. aboard a ship. Pencerapan pergerakan malar cakerawala seperti kaedah Galileo yang berasaskan satelit-satelit semula jadi Musytari selalunya mustahil di tengah laut kerana kapal bergerak. Kaedah jarak bulan yang mula-mula diusulkan oleh Johannes Werner pada 1514 dicipta sejajar dengan kronometer marin. Saintis Belanda bernama Gemma Frisius adalah orang pertama yang mencadangkan penggunaan kronometer untuk menentukan longitud pada 1530.
Kronometer bertujuan mengukur dengan jitu waktu di suatu tempat tetap yang ditentukan, contohnya Waktu Min Greenwich (GMT) yang penting khususnya untuk pelayaran. Pengetahuan akan GMT pada waktu tengah hari tempatan membolehkan pelayar untuk menggunakan perbezaan masa antara kedudukan kapal dengan Meridian Greenwich untuk menentukan longitud kapal. Oleb sebab Bumi berputar pada kadar yang malar, maka perbezaan masa antara kronometer dan waktu tempatan kapal boleh digunakan untuk mengira longitud kapal secara relatif dengan Meridian Greenwich (yang ditentukan sebagai 0°) dengan menggunakan trigonometri sfera. Dalam amalan moden, almanak nautika dengan jadual-jadual pengurangan cerapan trigonometri membolehkan pelayar untuk mengukur sudut Matahari, Bulan, planet-planet yang kelihatan, ataupun mana-mana daripada 57 bintang pandu arah pada bila-bila masa yang kelihatan kaki langit.
Begitu sukarnya mencipta jam yang berfungsi dengan jitu di tengah lain. Hinggalah abad ke-20, alat waktu yang terbaik adalah jam bandul, tetapi olengan kapal di laut serta variasi graviti Bumi sehingga 0.2% menidakkan penggunaan bandul ringkas yang berasaskan graviti secara teori dan amali.

Kronometer marin pertama

Setelah mencipta jam bandul pada 1656, Christiaan Huygens melakukan cubaan pertama untuk mencipta kronometer main di Perancis pada tahun 1673 di bawah tajaan Jean-Baptiste Colbert. Pada 1675, Huygens yang menerima pencen daripada Louis XIV telah mencipta sebuah kronometer yang menggunakan roda pengimbang dan spring berpilin sebagai ganti bandul untuk pengaturan, dan oleh itu membuka laluan kepada kronometer marin dan juga jam saku dan jam tangan moden. Beliau memperoleh paten daripada Colbert untuk ciptaannya, tetapi jamnya tetap tidak persis di laut.
Lebih banyak cubaan dilakukan oleh Jeremy Thacker di Inggeris pada 1714, dan Henry Sully di Perancis pada 1716, yang menerbitkan hasil kerjanya pada 1726 menerusi Une Horloge inventée et executée par M. Sulli ("Sebuah Jam yang Dicipta dan Dilaksanakan oleh Tuan Sully"), tetapi ciptaan-ciptaan mereka ini masih tidak dapat menahan olengan di tengah-tengah laut demi menjaga masa dengan cukup jitu.
Pada 1714, kerajaan British menawarkan "hadiah longitud" bagi kaedah yang menentukan longitud di laut dalam bentuk wang tunai berjumlah £10,000 hingga £20,000 (beberapa juta paun pada nilai zaman sekarang) bergantung pada kepersisan. John Harrison, seorang tukang kayu dari Yorkshire menyerahkan sebuah projek pada 1730, kemudian pada 1735 beliau melengkapkan sebuah jam yang berasaskan sepasang turus pemberat berbolak-balik yang dihubungkan dengan spring yang tidak terpengaruh gerakannya oleh graviti atau pergerakan kapal. Sistem ini digunakan oleh dua buah jam laut pertamanya iaitu H1 dan H2, namun beliau sedar bahawa jam-jam itu mempunyai kepekaan asas terhadap daya emparan, iaitu ia tidak mungkin cukup jitu di laut. Penciptaan mesin ketiganya iaitu H3 pada 1759 mencakupi imbangan membulat baharu serta penciptaan jalur dwilogam dan galas pengguling terkurung, iaitu ciptaan yang masih meluas digunakan. Bagaimanapun, imbangan membulat H3 masih terbukti jauh daripada jitu, maka beliau menamatkan mesin-mesin besar itu.
Harrison menyelesaikan masalah kepersisan dengan reka bentuk kronometer H4 yang jauh lebih kecil pada 1761. H4 kelihatan mirip dengan jam saku berdiameter lima inci (12 cm). Pada 1761, Harrison menyerahkan H4 untuk hadiah longitud £20,000. Rekannya menggunakan roda pengimbang berentak laju yang dikawal oleh spring pilin terpampas suhu. Ciri-ciri ini terus digunakan hinggalah pengayun elektronik yang stabil membolehkan pembuatan jam mudah alih yang amat jitu pada harga yang berpatutan. Pada 1767, Lembaga Longitud menerbitkan pemerian kerja Harrison dalam The Principles of Mr. Harrison's time-keeper ("Prinsip-Prinsip Alat Penjaga Waktu Tuan Harrison").

Kronometer moden

Lebih kurang pada masa yang sama di Perancis, pada tahun 1748 Pierre Le Roy mencipta ciri-ciri bolosan penahan untuk kronometer moden. In 1766, Le Roy mencipta suatu kronometer revolusioner yang mencakupi bolosan penahan, imbangan terpampas suhu dan spring imbang isokron: Harrison menunjukkan kemungkinan memiliki kronometer yang andal di laut, tetapi perkembangan oleh Le Roy itu dikira oleh Rupert Gould sebagai asas kronometer moden. Usaha-usaha inovasi Le Roy menjadikan kronometer itu jauh lebih persis daripada yang dijangka-jangka.
Ferdinand Berthoud di Perancis, dan juga Thomas Mudge di Britain juga berjaya menghasilkan alat penjaga waktu marin. Walaupun kedua-duanya tidak ringkas ciptaannya, tetapi mereka berjaya membuktikan bahawa ciptaan Harrison bukanlah satu-satunya penyelesaian. Usaha-usaha yang paling gigih ke arah kepraktikalan dipikul oleh Thomas Earnshaw dan John Arnold yang mencipta dan mempatenkan bolosan "penahan spring" yang terasing dan dipermudah pada 1780, mengalihkan pemampasan suhu kepada pengimbang, serta memperbaiki reka bentuk dan pembuatan spring imbang. Gabungan inovasi ini menjadi asas kepada kronometer marin hingga zaman elektronik.
Teknologi baru ini pada mulanya amat mahal hingga bukan semua kapal dilengkapi dengan kronometer, seperti yang digambarkan oleh tragedi pelayaran terakhir kapal Hindia Timur Arniston. Bagaimanapun pada tahun 1825, Tentera Laut Diraja merutinkan pembekalan kronometer kepada armadanya.
Pada zaman itu adalah kebiasaan bagi kapal-kapal untuk memerhatikan bola waktu seperti yang terdapat di Greenwich untuk memeriksa kronometer sebelum bertolak untuk pelayaran jangka panjang. Every day, ships would anchor briefly in the River Thames at Greenwich, waiting for the ball at the observatory to drop at precisely 1pm. Amalan ini menjurus kepada penerimaan Waktu Min Greenwich sebagai piawaian antarabangsa. (Bola waktu menjadi tidak diperlukan sekitar 1920 setelah diciptanya isyarat waktu radio yang kemudiannya diatasi oleh waktu GPS.) Selain mengunci waktu sebelum bertolak, kronometer kapal juga diperiksa rutin untuk kejituan sewaktu di laut dengan melakukan pencerapan bulan atau matahari.
Walaupun kaedah-kaedah pengeluaran industri telah mula merevolusikan pembuatan jam tangan pada pertengahan abad ke-19, namun perkilangan kronometer kekal berasaskan kraf untuk jangka masa lama. Pada awal abad ke-20, tukang-tukang Swiss seperti Ulysse Nardin melakukan langkah-langkah besar ke arah penerapan kaedah-kaedah pengeluaran moden dan penggunaan alat-alat saling boleh tukar, tetapi pada permulaan Perang Dunia Kedua barulah Hamilton Watch Company di Amerika Syarikat menyempurnakan proses pengeluaran massa yang membolehkan penghasilkan ribuan utas kronometer Hamilton Model 21 dan Model 22 untuk Tentera-Tentera Laut dan Darat Amerika Syarikat dan lain-lain tentera laut Berikat. Sungguhpun dengan kejayaan Hamilton, namun kronometer yang dihasilkan dengan cara lama tidak lenyap dari pasaran pada zaman jam mekanikal. Thomas Mercer Chronometers masih menghasilkan kronometer marin hingga ke hari ini.
Tanpa kejituan kronometer serta ketepatan pencapaian pelayaran yang dimungkinkan oleh kronometer, besar kemungkinan Tentera Laut British dan juga Empayar British tidak akan bangkit. Ini adalah kerana pembentukan empayar menerusi peperangan dan penaklukan jajahan di seberang laut berlaku pada ketika kapal-kapal British mempunyai pemanduan arah yang jitu dengan kronometer yang tiada pada lawan-lawannya iaitu Portugis, Belanda dan Perancis. Misalnya, Perancis mantap di India dan lain-lain tempat sebelum Britain, tetapi ditewaskan oleh tentera laut British dalam Perang Tujuh Tahun.
The most complete international collection of marine chronometers, including Harrison's H1 to H4, is at the National Maritime Museum, Greenwich, Britain.

Kronometer mekanikal

Masalah yang penting sekali adalah mencari alat penggema yang tidak terjejas oleh perubahan cuaca di laut yang dihadapi oleh kapal. Roda pengimbang yang diabah-abahkan dengan spring menyelesaikan kebanyakan masalah berkenaan pergerakan kapal, tetapi malangnya kebanyakan bahan spring pengimbang berubah keanjalannya mengikut suhu. Untuk memampas kekuatan spring yang sentiasa berubah-ubah, majoriti pengimbang kronometer menggunakan jalur dwilogam untuk mengalihkan pemberat kecil berulang-alik dari pusat ayunan, justeru mengubah kala imbangan untuk mengimbangi daya spring yang berubah-ubah. Masalah spring imbang selesai dengan aloi nikel keluli bergelar Elinvar yang tidak berubah-ubah keanjalannya dalam suhu biasa. Penciptanya ialah Charles Édouard Guillaume yang meraih Hadiah Nobel dalam Fizik 1920 atas usaha kaji logamnya.
Bolosannya ada dua tujuan. Pertama, ia membolehkan rangkaian untuk maju secara berperingkat serta merakam ayunan pengimbang. Pada masa yang sama, ia membekalkan tenaga yang sedikit demi sedikit untuk mengimbangi kerugian kecil akibat geseran, justeru mengekalkan momentum pengimbang yang mengayun. Bolosan adalah alat yang berdetik. Memandangkan gema semula jadi pengimbang berayun bertindak sebagai pusat kronometer, maka bolosan kronometer direka untuk menyampuk pengimbang itu seringan-ringan yang boleh.
Terdapat banyak rekaan daya malar dan bolosan terpisah, tetapi yang paling umum adalah penahan spring dan penahan berpangsi. Bagi kedua-dua sistem penahan, sebutir penahan kecil mengunci roda bolosan dan membolehkan pengimbang untuk berayun bebas sama sekali daripada sampukan kecuali untuk satu ketika di tengah ayunan apabila ia paling kurang terdedah kepada pengaruh luar. Di tengah-tengah ayunan itu, sebutir pengguling di atas turus pengimbang sebentar mengalih penahan, membolehkan berlalunya sebatang gigi roda bolosan. Gigi roda bolosan itu kemudiannnya menyampaikan tenaganya kepada pengguling kedua di atas turus pengimbang. Oleh sebab roda bolosan hanya berputar ke satu arah, maka pengimbang menerima impuls di satu arah sahaja. Pada ayunan kembali, spring yang berlalu di hujung penahan membolehkan pergerakan pengguling nyahkunci di atas turus pengimbang tanpa mengalih penahan.
Kelemahan utama setiap jam mekanikal adalah pelinciran bolosan. Jika minyak pelincir menebal dek usia mahupun suhu, ataupun lesap akibat kelembapan atau penyejatan, maka kadar detikan jam itu boleh berubah dengan ketara kerana pergerakan imbangan merosot dengan bertambahnya geseran dalam bolosan. Bolosan penahan mempunyai kelebihan besar berbanding bolosan-bolosan lain iaitu tidak memerlukan pelinciran. Impuls dari roda bolosan ke pengguling impuls seakan-akan rentak mati, iaitu kurangnya tindakan geluncur yang perlu dilincirkan. Roda bolosan kronometer dan spring-spring berlalu itu biasanya diperbuat daripada emas disebabkan kurangnya geseran geluncuran berbanding loyang dan keluli.
Kronometer marin sentiasa mengandungi kuasa senggara yang mengekalkan hidupnya kronometer sementara ia dikunci waktunya, serta simpanan kuasa untuk menandakan berapa lama kronometer dapat berjalan tanpa dikunci. Kronometer marin adalah jam mekanik mudah alih yang paling jitu pernah dicipta, mencapai kepersisan sekitar 0.1 saat sehari atau 36.5 saat setahun. Ini cukup jitu untuk menentukan kedudukan kapal di dalam jarak 4,600 kaki (1,400 m) selepas sebulan berlayar.

Hari ini

Kapal-kapal umumnya menggunakan bantuan elektronik untuk memandu arah, terutamanya navigasi satelit. Namun demikian, pemanduan arah cakerawala yang memerlukan penggunaan kronometer yang persis masih merupakan keperluan untuk sijil perakuan pelaut antarabangsa tertentu seperti Pegawai Bertugas Jam Tangan Pelayaran dan jawatan-jawatan Nakhoda dan Malim Satu, di samping membantu nakhoda kapal layar di laut untuk pelayaran jarak jauh. Kronometer marin moden mungkin berasaskan jam kuarza yang dibetulkan dari masa ke semasa oleh isyarat GPS atau isyarat waktu radio (rujuk jam radio). Kronometer kuarza ini tidak semestinya jam kuarza yang paling jitu apabila tiada isyarat untuk diterima, malah isyarat itu boleh hilang atau dihambat. Bagaimanapun, terdapat pergerakan kuarza walaupun dalam jam tangan seperti Omega Marine Chronometer yang jitu dalam julat ralat 5 ke 20 saat setahun. Sekurang-kurangnya sebuah kronometer kuarza yang dicipta untuk pemanduan arah termaju memanfaatkan berbilang kristal kuarza yang dibetulkan oleh komputer dengan menggunakan nilai purata di samping pembetulan oleh isyarat waktu GPS.