Сущность определения долгот заключается в следующем. Земля, вращаясь вокруг своей оси, совершает полный оборот в 3600 за 24 часа. Таким образом, любая точка Земли проходит путь в 150 за 1 час или 10 за 4 минуты.
Для определения долготы нужно иметь на корабле часы, которые в любой точке океана показывали бы точное время того порта, откуда вышел корабль.
Определив время в данной точке (по солнцу или звездам) и сличив его с показаниями часов, определяют разность часовых углов.
Зная долготу порта по разности часовых углов, вычисляют долготу данной точки в градусах.
Для решения этой задачи нужны были точные часы. Маятниковые часы обладали высокой точностью, но установить и на корабле было нельзя.
Усилия всех часовых мастеров были направлены на то, чтобы создать часы высокой точности.
Первые карманные часы были изобретены жителем г. Нюрнберга Петром Генлейном в 1510 году. На его часах была только одна часовая стрелка.
В 1550 году появляются часы с минутной стрелкой, а в 1860 – с секундной стрелкой.
Бурное развитие мореплавания и связанное с ним открытие новых земель требовали точных способов определения географических координат.
Для решения этой задачи в 1714 году английский парламент учредил специальную комиссию долгот, куда вошли выдающиеся ученые того времени - Ньютон, Кларк и Уистон.
В этом же году были назначены премии в сумме 10 000, 15 000 и 25 000 фунтов стерлингов ученым, решившим эту задачу.
Кроме английского правительства премии были назначены Испанией – в 1000 экю и Голландией – 30 000 флоринов.
В 1735 году английский механик Джон Гаррисон предложил часы, ошибка хода которых в месяц не превышала 1 секунды.
В 1758 году, в возрасте 65 лет, Гаррисон создал четвертую модель часов, которые назвал хронометром.
Три года парламентская комиссия решала вопрос о хронометре и вынесла решение проверить его в длительном плавании.
В полдень 18 ноября 1761 года хронометр был установлен на корабле «Депфорд», державшем курс на о. Ямайку. Корабль вез на Ямайку нового губернатора Литльтона. На этом же корабле отправлялась комиссия, в состав которой входил и сын Гаррисона.
Джон Гаррисон не мог участвовать в экспедиции по состоянию здоровья, ему тогда было 68 лет и он поручил наблюдать за хронометром своему сыну.
Сразу же после выхода корабля из Портсмута в море начался шторм, который длился 18 суток. Когда шторм утих, штурман определил место корабля по своим часам и долгота его была равна 13050’ западной долготы, а по хронометру Гаррисона 15019’. Разница оказалась большой – в 1029’, что составляло примерно 170 км. По предположению капитана уже должен был виден остров Портланд. Капитан усомнился в показаниях хронометра, но сын Гаррисона заявил: «Если остров Портланд правильно показан на карте, то я уверен, что через день мы его увидим».
Капитан колебался, но курс корабля не изменил.
7 декабря в 7 часов утра все увидели остров Портланд. Хронометр работал отлично, команда и люди были спасены. Если бы капитан не поверил хронометру Гаррисона и повел корабль по другому курсу, остров остался бы в стороне, и все остались бы без свежих продуктов.
Когда корабль прибыл в Порт-Рояль (Кингстон) хронометр был проверен на суше. Долгота Порт-Рояля была определена еще в 1743 году по наблюдениям за прохождением планеты Меркурий. На этой долготе хронометр должен был показывать по портсмутскому времени 5 часов 2 минуты и 51 секунду, а показал 5 часов 2 минуты и 46 секунд. С момента отплытия из Портсмута прошел 81 день и за это время хронометр Гаррисона отстал только на 5 секунд.
Через 161 день корабль «Депфорд» возвратился в Портсмут. Хронометр проверили в Гренвичской обсерватории и оказалось, что ошибка хода не превышала нескольких секунд.
Затем, по решению комиссии, хронометр был проверен вторично.
28 марта 1764 года сын Гаррисона с хронометром отплыл в Америку. 13 мая, т.е. через 47 дней, корабль благополучно прибыл к острову Барбадос (Антильские острова). С помощью хронометра Гаррисона были определены географические координаты острова.
18 сентября, после 175 дней плавания, корабль возвратился в Англию. Комиссия единодушно отметила, что долгота острова Барбадос была определена точнее, чем требовалось по условиям конкурса. Для того времени хронометр Гаррисона был величайшим достижением техники.
В 1767 году Гаррисон издал книгу об устройстве хронометра. Гениальность его изобретения состоит в том, что он создал компенсированный баланс, благодаря которому, точность хода хронометра не зависела от окружающей температуры.
В два срока Гаррисону была выплачена премия в сумме 15 000 фунтов стерлингов, вместо обещенной – в сумме 25 000 фунтов стерлингов.
Умер Джон Гаррисон в 1776 году в возрасте 83 лет.
В настоящее время изготавливают хронометры, у которых ошибка хода в сутки не превышает 0,003 секунды.
Для определения географической широты в северном полушарии чаще всего пользуются Полярной звездой. Полярная звезда входит в созвездие Малой Медведицы ( Ursae Minoris).
Полярная звезда расположена приблизительно в направлении оси вращения Земли и поэтому сохраняет на небе почти неизменное положение . Для практических целей можно считать, что она находится на оси вращения и по сравнению с размером Земли находится в бесконечности.
Полярной звездой пользуются для ориентирования, для определения широты и азимута.
В нашу эпоху Полярная звезда уклоняется от направления оси вращения Земли приблизительно на 10, чем практически пренебрегают.
Из рисунка видно, что если на полюсе ρ1, установить угломерный инструмент и навести зрительную трубу на Полярную звезду, то угол возвышения звезды будет равен широте φ = 900.
В точке А широта φ будет равна углу возвышения Полярной звезды над плоскостью горизонта.