Laivakronometri
Laivakronometri on erikoisvalmisteinen, hyvin tarkkakäyntinen kello, jota käytetään laivoissa astro­nomiseen navigointiin pituusasteen määrittämiseksi merellä. Kun sellainen 1700-luvulla saatiin kehitetyksi, se oli suuri tekninen saavutus, sillä pitkillä meri­matkoilla ajan tarkka mittaus oli navigoinnin vuoksi välttämätöntä. Ensimmäinen todellinen krono­metri oli yhden keksijän, John Harrisonin elämäntyö, jota hän kehitteli 31 vuotta tehden kokeita. Kun hän lopulta sai sen käyttö­kelpoiseksi ja hyväksytyksi, se mullisti merenkulun ja vauhditti osaltaan tutkimus­matkoja sekä myös siirto­maiden valloituksia.
Nimitys "kronometri" on muodostettu kreikan kielen aikaa tarkoittavasta sanasta "khronos" (χρονος) sekä mittaamista tarkoittavasta sanasta "metros" (μέτρος). Tiettävästi ensimmäisenä sitä käytti saksalainen professori Matthias Wassmut vuonna 1684 eräässä teoreettisessa tutkielmassaan. Nykyään kronometrilla tarkoitetaan testattua ja sertifioitua kelloa, joka täyttää säädetyt tarkkuus­vaatimukset. Sveitsissä voimassa olevien säädösten mukaan sana "chronometer" saa olla merkittynä Sveitsin virallisen kronometrien testaus­instituutin (COCS) sertifioimiin kelloihin.
Paikan määrittämiseksi maan pinnalla on välttämätöntä ja riittävää tuntea leveysaste, pituus­aste ja korkeus meren­pinnasta. Viimeksi mainittuun ei kuitenkaan meren pinnalla kulkevissa aluksissa tarvitse kiinnittää huomiota. Aina 1750-luvulle saakka tarkka navigointi merellä, kun maata ei ollut näkyvissä, oli pituus­asteen määrittämiseen liittyvien vaikeuksien vuoksi ratkaisematon ongelma. Meren­kulkijat pystyivät kyllä määrittämään leveys­asteen mittaamalla Auringon korkeus­kulman keski­päivällä, toisin sanoen sen ollessaan korkeimmillaan taivaalla eli sen kulminoidessa. Pohjoisella pallon­puoliskolla se oli helposti määritettävissä myös yöllä tai käytännössä hämärän aikana mittaamalla Pohjan­tähden korkeus­kulma horisontista. Pituus­asteen määrittäminen sen sijaan edellytti ajan mittaamista tavalla, joka toimii myös merellä. Tähti­taivaan säännöllisten ilmiöiden tarkkailu, esimerkiksi Galilein ehdottama menetelmä Jupiterin kuiden pimennysten ja niistä laadittujen taulukoiden käyttämiseksi pituus­asteen määrittämiseen ei laivan liikkeen vuoksi yleensä ollut merellä mahdollista. Vuonna 1514 Johannes Werner esitti Kuun ja jonkin muun taivaan­kappaleen välisen kulma­etäisyyden mittaamiseen perustuvan ratkaisu­ehdotuksen, jota myöhemmin paranneltiin vielä samoihin aikoihin kuin kronometri kehitettiin. Tarpeeksi tarkan kellon käyttöä pituus­asteen määrittämiseen ehdotti ensimmäisenä hollanti­lainen tiedemies Gemma Frisius vuonna 1530, mutta kesti vielä kauan, ennen kuin ehdotus voitiin käytännössä toteuttaa.
Jotta kronometria voidaan käyttää pituus­asteen määrittämiseen, se on asetettava näyttämään jonkin tunnetun paikka­kunnan paikallista keskiaurinkoaikaa, tavallisimmin Greenwichin aikaa (GMT). Tästä seuraa, että kun laivan sijainti­paikalla on keskipäivä, toisin sanoen kun aurinko on sieltä katsottuna korkeimmillaan, kronometrin näyttämä aika osoittaa tämän sijaintipaikan ja Greenwichin meridiaanin välisen aikaeron, ja sen avulla voidaan laskea paikan pituu­saste Greenwichin meridiaaniin nähden. Kun laivalla on kronometrin lisäksi on käytössä merenkulun almanakka ja trigonometriset taulukot, meren­kulkijat voivat määrittää sijaintinsa, paitsi Auringon, myös Kuun, näkyvien planeetojen tai tähtien avulla milloin tahansa horisontin ollessa näkyvissä. Tarkoitukseen on valittu 57 kirkasta, nauttisen hämärän aikanakin näkyvää tähteä, joiden kulloisetkin sijainnit on ilmoitettu merenkulun almanakassa.
Sellaisen kellon rakentaminen, joka toimii luotettavasti merellä, oli vaikeaa. Vielä 1700-luvulla kellot olivat niin epätarkkoja, että ne saattoivat vuorokaudessa poiketa oikeasta ajasta jo useita minuutteja, ja laivoissa kuukausien merimatkojen jälkeen useita tuntejakin. Pituusasteen riittävän tarkka määrittäminen edellytti kuitenkin, että kellon oli näytettävä minuutin tarkkuudella oikeaa aikaa. Tarkempia olivat 1900-luvulle saakka heilurikellot. Tavallinen pelkkään paino­voimaan perustuva heilurikello ei kuitenkaan merenkulkijoiden tarpeisiin kelvannut, sillä sen käyntiä häiritsi toisaalta laivan keinuminen aallokossa, toisaalta se, että painovoima vaihtelee suuruudeltaan noin 0,2 % eri puolilla maapalloa.
Christiaan Huygens, joka vuonna 1656 oli keksinyt heilurikellon, teki vuonna 1673 Ranskassa Jean-Baptiste Colbertin toimeksi­annosta ensimmäisen yrityksen laiva­kronometrin rakentamiseksi. Vuonna 1675 Huygens, jolle Ludvig XIV oli myöntänyt eläkkeen, keksi erään­laisen kronometrin, jossa sen käyntiä säätävä heiluri oli korvattu liipottimella ja kierre­jousella. Colbert myönsi keksinnölle patentin. Osoittautui kuitenkin, että merellä se ei ollut tarpeeksi tarkka navigointiin, mutta keksintö teki mahdolliseksi myöhemmin käyttöön tulleet tasku- ja rannekellot.
Sanaa kronometri ("chronometer") käytti ensimmäisenä Kielin yliopiston professori Matthias Wasmuth teoreettisessa tutkielmassaan "Arcanum Navarchicum" vuonna 1684. Myöhemmin sitä käytti kronometrin teoreettisessa kuvailussa englantilainen tiedemies William Derham vuonna 1713. Pääteoksessaan "Physico-theology, or a demonstration of the being and attributes of God from his works of creation" ("Fyysinen teologia, eli Jumalan olemassaolon ja ominaisuuksien osoittaminen hänen luomis­työnsä perusteella") hän ehdotti myös, että umpinaisessa säiliössä oleva tyhjiö varmistaisi kellojen tarkemman käynnin. Yritykset toimivan laiva­kronometrin rakentamiseksi aloittivat Jeremy Thacker Englannissa vuonna 1714 ja Henry Sully Ranskassa kaksi vuotta myöhemmin. Vuonna 1726 Sully julkaisi teoksen "Une Horloge inventée et executée par M. Sulli" ("Herra Sullin keksimä ja toteuttama kello"), mutta sen enempää hänen kuin Thackerinkaan kello ei käynyt merellä tarpeeksi tarkasti aallokon heiluttaessa laivaa.
Vuonna 1714 Britannian parlamentti sääti lain, jolla luvattiin 20 000 punnan palkinto sille, joka keksisi luotettavan menetelmän laivan sijainnin pituusasteen määrittämiseksi 30 mailin (noin 48 kilometrin) tarkkuudella. Nyky­rahassa tämä vastaa useita miljoonia puntia tai euroja. Yorkshireläinen puuseppä John Harrison ryhtyi toimiin vuonna 1730, ja vuonna 1735 hän sai valmiiksi kellon, joka perustui kahden vastakkaisiin suuntiin heilahtelevan palkin muodostanaan pariin, jonka liikkeeseen painovoima ja laivan liike eivät vaikuttaneet. Vuonna 1741 hän sai valmiiksi laivoissa käytettäviksi tarkoitetut kellot H1 ja H2, mutta hän totesi, että keskipakoisvoima vaikutti niihin sillä tavoin, etteivät ne olleet luotettavia merellä. Hänen kolmas yrityksensä, H3 vuodelta 1759, käytti uudenlaisia pyöreitä liipottimia, ja siihen sisältyi hänen keksimänsä bimetalliliuska ja koteloituja vierintä­laakereita, joita vielä nykyäänkin paljon käytetään. Kuitenkaan edes H3 ei osoittautunut tarpeeksi tarkaksi, ja sen vuoksi Harrison päätyikin hylkäämään suurikokoiset koneet.
Harrison sai tarkkuus­ongelmat ratkaistuksi paljon pienemmässä H4-krono­metrissaan vuodelta 1761. Se oli pitkälti suuri­kokoisen, 12 cm:n läpi­mittaisen taskukellon näköinen. Vuonna 1761 Harrison julkisti H4:n saadakseen luvatun 20 000 punnan palkinnon. Hänen krono­metrissaan käytettiin nopeasti lyövää liipotinta, jota sääti lämpötila­kompensoitu kierre­jousi. Tätä tekniikkaa käytettiin, kunnes vakaa elektroninen oskillaattori teki mahdolliseksi valmistaa hyvin tarkkoja kannettavia kelloja huokeaan hintaan. Vuonna 1767 "Board of Longitude" julkaisi kronometrista kuvauksen teoksessaan "The Principles of Mr. Harrison's time-keeper".
Harrisonin kronometri H4 testattiin kuljettamalla se laivalla Jamaikaan ja takaisin. Tällöin todettiin, että laiva­matkan jälkeenkin kronometri poikkesi oikeasta ajasta vain 5 sekuntia.
Suunnilleen samoihin aikoihin, vuonna 1748 ranskalainen Pierre Le Roy keksi nykyaikaisille kronometreille tyypillisen pidätetyn johtorattaan. Vuonna 1766 Pierre Le Roy rakensi uudenlaisen kronometrin, jossa oli pidätetty johtoratas, lämpötilakompensoitu liipotin ja isokroninen liipotinjousi. Harrison oli tosin jo osoittanut, että merellä luotettava kronometri on mahdollinen, mutta Rupert Gouldin mukaan nykyaikainen kronometri perustuu nimenomaan näihin Le Royn keksintöihin. Le Royn keksinnöt tekivät kronometrin tarkemmaksi kuin ennalta oli osattu odottaakaan.
Myös ranskalainen Ferdinand Berthoud ja englantilainen Thomas Mudge onnistuivat rakentamaan merellä luotettavasti toimineet ajannäyttäjät. Vaikka ne eivät olleet rakenteeltaan yksinkertaisia, ne osoittivat, että Harrisonin ratkaisu ei ollut ainoa mahdollinen. Suuresti entistä käytännöllisemmiksi kronometrin tekivät Thomas Earnshaw ja John Arnold, jotka vuonna 1780 kehittivät ja patentoivat yksinkertaisemman jouseen yhdistetyn johtorattaan, siirsivät lämpötila­kompensaation jouseen sekä paransivat kierrejousien rakennetta ja valmistusta. Tähän keksintöjen yhdistelmään myöhemmät laiva­kronometrit perustuivat siihen saakka, kunnes elektroniset laitteet tulivat käyttöön.
Uusi teknologia oli aluksi niin kallista, ettei kaikissa laivoissa ollut kronometria, kuten osoitti Englannin Itä-Intian kauppakomppanian Arniston-laivan tuho, jossa 372 henkeä sai surmansa. Kuitenkin vuodesta 1825 lähtien Britannian kuninkaallinen laivasto varusti kaikki aluksensa kronometrilla.
Jotta merenkulkijat voisivat tarkistaa kronometrinsa, otettiin monissa satamissa käyttöön aikapallot, jotka pudotettiin tiettynä määräaikana joka päivä. Ehkä tunnetuin sellainen sijoitettiin vuonna 1833 Greenwichin kunin­kaallisen observa­torion torniin lähelle Lontoon satamaa. Se pudotetaan joka päivä kello 13, ja aikoinaan satamasta lähtevät alukset usein odottivat Thames-joella sen pudottamista. Tämä käytäntö vaikutti osittain siihen, että Greenwichin keskiaika myöhemmin tuli kansain­väliseksi standardiksi. Aikapallo pudotetaan Greenwichissä edelleen joka päivä, mutta navigoinnin kannalta sillä ei ole ollut merkitystä enää sen jälkeen, kun 1920 luvulla radiolla alettiin lähettää aika­merkkejä, jotka nekin ovat myöhemmin, GPS:n tultua käyttöön, pitkälti menettäneet entisen merkityksensä. Sen lisäksi, että kronometrit asetettiin oikeaan aikaan ennen merimatkalle lähtöä, ne voitiin myös matkan aikana merellä tarkistaa auringosta tai kuusta tehtyjen havaintojen avulla.
Tavallisesti kronometri pidettiin suojatussa paikassa laivan kansien alapuolella, jotta se ei vahingoittuisi myrskyissäkään. Tehdessään tähtitieteellisiä havaintoja merenkulkijat käyttivät niin sanottua työkelloa (), joka ennen havaintojen tekoa asetettiin näyttämään samaa aikaa kuin kronometri. Työkello ei ollut läheskään yhtä tarkka kun kronometri ja oli sitä paitsi paljon halvempi, mutta kun se oli asetettu kronometrin mukaan, se näytti samaa aikaa yleensä riittävän kauan, jotta paikan määrittämiseen tarvittavat havainnot ehdittiin tehdä.
Vaikka teollistuminen muutoin mullisti kellojen valmistuksen jo 1800-luvun puolivälissä, kronometrien valmistus pysyi käsityönä vielä kauan sen jälkeen. Vuosisadan vaihteen aikoihin sveitsiläiset valmistajat kuten Ulysse Nardin tekivät ensimmäiset huomattavat yritykset niidenkin valmistamiseksi nykyaikaisen teollisin menetelmin, niin että niiden varaosat olivat täysin vaihdettavissa, mutta vasta toisen maailman­sodan aikana Hamilton Watch Company Yhdysvalloissa aloitti niiden massa­tuotannon niin, että Hamiltonin mallien 21 ja 22 kronometreja voitiin valmistaa tuhansittain Yhdys­valtojen meri- ja maavoimien ja muiden liittoutuneiden maiden laivastojen tarpeisiin. Hamiltonin menestyksestä huolimatta vanhaan tapaan valmistetut kronometrit eivät pitkään aikaan sen jälkeenkään kadonneet markkinoilta. Thomas Mercer Chronometers valmistaa mekaanisia kronometreja vielä nykyäänkin.
Laivakronometrien suuren tarkkuuden ja niiden mahdollistaman tarkan navigoinnin vuoksi on väitetty, että Britannian kuninkaallisen laivaston ja sen myötä Brittiläisen imperiumin nousu merten herroiksi tapahtui pitkälti juuri niiden ansiosta. Imperiumi syntyi sotien ja siirtomaiden valtausten tuloksena aikana, jolloin brittiläiset alukset pystyivät kronometrien ansioista navigoimaan luotettavasti, kun taas brittien portugalilaiset, hollantilaiset ja ranskalaiset kilpailijat eivät siihen kyenneet. Ranskalaiset olivat esimerkiksi saaneet tukevan jalansijan Intiassa ennen brittejä, mutta heidät voitettiin seitsen­vuotisessa sodassa.
Täydellisin kokoelma laiva­kronometreja, johon sisältyvät myös Harrisonin H1 ja H4, on Greenwichin kuninkaallisessa observatoriossa Lontoossa.
Laivakronometri kehittämisessä suurin ongelma oli sellaisen resonaattorin keksiminen, johon vaihtelevat olosuhteet laivalla eivät vaikuttaneet. Kellonjouseen kiinnitetty liipotin ratkaisi useimmat laivan liikkeestä johtuneet ongelmat. Useimpien liipottimeksi muutoin kelpaavien materiaalien jousivakio kuitenkin riippuu lämpötilasta. Jotta kello kävisi tarkasti riippumatta jousen alinomaa vaihtelevasta jäykkyydestä, liipottimet tehtiin yleensä kahdesta eri metallista koostuvista liuskoista, jolloin osa niiden painosta siirtyi vuoroin kohti värähtelyjen keskusta, vuoroin siitä poispäin muuttaen siten heilahdusaikaa samassa tahdissa jousen voiman kanssa. Tämän ongelman ratkaisi lopuolta elinvar -niminen nikkeliterässeos, jonka jousivakio pysyy normaaleissa lämpötiloissa muuttumattomana. Sen keksi Charles Édouard Guillaume, joka vuonna 1920 sai metallurgisista tutkimuksistaan Nobelin fysiikanpalkinnon.
Jokaisen mekaanisen kellon heikoin kohta on johtorattaan voitelu. Kun öljy ohenee ajan mittaan, lämpötilan tai kosteuksen vaikutuksesta tai höyrystymällä, liipottimen liike voi suuremman kitkan vuoksi hidastua paljonkin.
Kronometreihin on usein yhdistetty muita keksintöjä niiden tehokkuuden ja tarkkuuden parantamiseksi. Kovia kiviä kuten rubiinia tai safiiria on usein käytetty kivilaakereina kitkan ja kulumisen pienentämiseksi. Timanttia käytettiin usein alemman liipottimen tapin kansikivenä, jottei se kuluisi, kun raskas liipotin monien vuosien ajan pyörii pienen tapin päällä. Siihen saakka kunnes mekaaniset kronometrit 1900-luvun kolmannella neljänneksellä menettivät entisen merkityksensä, niiden valmistajat jatkuvasti kokeilivat uusia parannuksia kuten pallolaakereita tai kromilla päällystettyjä tappeja.
Laivakronometreiin kuuluu aina voimanlähde, joka pitää sen käynnissä silloinkin kun sitä parhaillaan vedetään, sekä laite, joka osoittaa, kuinka kauan se vielä pysyy käynnissä ennen kuin se on seuraavan kerran vedettävä. Laivakronometrit ovat tarkimpia koskaan valmistettuja mekaanisia kelloja, ja niillä on saavutettu tarkkuus 0,1 sekuntia vuorokaudessa tai alle minuutti vuodessa. Tämä riittää laivan sijainnin määrittämiseen noin 2–3 kilometrin tarkkuudella kuukauden merimatkan jälkeen.
Puhtaasti horologisessa miless kronometrin "arviointi" metkitsee sitä, että ennen kuin laite otetaan käyttöön, tehdään havaintoja siitä, minkä verran se keskimäärin edistää tai jätättää vuorokaudessa, ja asiasta laaditaan arviointisertifikaatti, joka seuraa laitetta. Saatua tulosta voidaan käyttää hyväksi laitteen näyttämän ajan korjaamiseksi, jotta saadaan oikea aika. Parhaissakin kronometreissa, joissa on hienoin lämpötilakompensaatio, esiintyy kahdenlaisia käynnin poikkeamia, satunnaisia ja jatkuvia. Laitteen suunnittelun ja valmistuksen laatu pitää satunnaiset virheet pieninä. Periaatteessa jatkuvat virheet voitaisiin poistaa säätämällä käyntiä, mutta käytännössä säätöä ei voi tehdä niin tarkasti, että virhe saataisiin kokonaan poistetuksi, ja niinpä käytetään arviointitekniikkaa. Käynti muuttuu myös kronometrin ollessa käytössä, esimerkiksi öljyn ohenemisen vuoksi, ja sen vuoksi pitkillä matkoilla sen käynti tarkistetaan aika ajoin tähtitieteellisten havaintojen perusteella saadun oikean ajan avulla.
Nykyisin laivojen navigoinnissa käytetään yleensä elektronisia apuvälineitä, varsinkin satelliittipaikannusta. Kuitenkin monissa tehtävissä ja eräiden merenkulkijoille myönnettävien kansainvälisten sertifikaattien kuten saamiseksi edellytetään yhä tähtitieteellisen navigoinnin taitoa, jossa on käytettävä tarkkaa kronometria., ja pitkillä matkoilla myös yksityisillä risteilyalueilla on oltava alan tutkinnon suorittanut henkilö.
Nykyaikaiset laivakronometrit perustuvat usein kvartsikelloihin, jotka säännöllisin väliajoin tarkistetaan GPS-signaalien tai radion antamien aikamerkkien avulla. Nämä kvartsikronometrit eivät aina ole kaikkein tarkimpia kvartsikelloja, kun tällaista signaalia ei ole saatu, ja signaalit saattavat hävitä tai tukkiutua. On kuitenkin olemassa kvartsikelloja, jopa rannekelloja kuten Omega Marine Chronometer, joiden tarkkuus on noin 5–20 sekuntia vuodessa. On myös kehitetty kvartsikronometri, jossa on useita kvartsikiteitä, joiden osoittamat ajat korjataan tietokoneen avulla lasketun keskiarvon avulla GPS:n aikamerkkien avulla tehtyjen korjausten lisäksi.