1. Man brauchte eine lage- und beschleunigungsunabhängige Alternative für das Pendel der Uhren an Land. Man fand sie in diversen und stetig verbesserten Formen einer Unruh mit Spiralfeder – und lagerte zudem bald die ganze Uhr horizontal in einem kardanischen System.
1. What was needed was an alternative to the pendulum which would not be affected by location or movement. The answer was found in various improved forms of a balance with balance-spring in a horizontally aligned gimbal-mounted clock.
2. Eine möglichst frei und unabhängig von äußeren Bewegungsimpulsen laufende Hemmung war zu entwickeln. Sie ist für die Aufteilung der Antriebskraft in gleichmäßige Zeiteinheiten von ausschlaggebender Bedeutung. Die Hemmung lieferte ein weites Feld für Experimente: Das Rennen machte schließlich eine verblüffend einfache, aber nicht leicht zu fertigende Lösung, die dann auch künftig als Chronometerhemmung bezeichnet wurde.
2. It was also necessary to develop an independent escapement unaffected by external movement. Together with the balance wheel, this was especially important in releasing the power of the spring in uniform units of time. The escapement was also the subject of further experiments. This race was won by the so-called detent escapement.
3. Auch Temperatur- und Luftdruckschwankungen dürfen den Gang nicht beeinflussen. Sie zu kompensieren, erwies sich als nicht minder weites Feld umfassender Untersuchungen und Lösungsversuche.
3. The clock also had to be immune to changes in temperature and air pressure. Finding a solution resulted in a whole range of theories and experiments.
Der niederländische Astronom und Physiker Christian Huygens (1629-1695), der 1657 die Pendeluhr erfunden hatte, ließ sie auch auf ihre Eignung zur Längenbestimmung an Bord von Schiffen prüfen – ohne Erfolg. Um lageabhängige Pendel zu vermeiden, entwickelte er die Unruh mit Spiralfeder – sogar bereits als gegenläufige Doppelunruh. Trotz seiner genialen Entwicklungen und tiefen Durchdringung der Probleme gelang es ihm nicht, eine hinreichend präzise Uhr zu schaffen. Die Komplexität der Störeinflüsse erwies sich damals noch als unüberwindlich.
The Dutch astronomer and physicist Christian Huygens (1629-1695), who invented the pendulum clock in 1657, also investigated the possibility of using these devices to determine longitude at sea – but without success. To replace the pendulum, which requires constant vertical alignment, he developed the sprung balance wheel – even at that time incorporating a double balance wheel. In spite of his brilliant contribution and deep knowledge of the problem, he was not able to create a sufficiently accurate timepiece. The complexity of external influences was simply overpowering.
Uhr mit gegenläufigen Pendeln und Grasshopper-Hemmung nach John Harrison von 1735 (Nachbau), Sinclair Harding, Huddersfield (GB) 20. Jh.
Die Uhr verdeutlicht die Grundidee, wie zwei gegenläufige Pendel Fehler durch Bewegungen wie auf See ausgleichen sollen.
Clock with swinging balances and grasshopper escapement based on John Harrison, 1735 (Reconstruction by Sinclair Harding, Huddersfield, UK, 20th century).
This timepiece demonstrates the principle of using swinging balances to compensate for errors caused by movement at sea.
Die Uhr verdeutlicht die Grundidee, wie zwei gegenläufige Pendel Fehler durch Bewegungen wie auf See ausgleichen sollen.
Clock with swinging balances and grasshopper escapement based on John Harrison, 1735 (Reconstruction by Sinclair Harding, Huddersfield, UK, 20th century).
This timepiece demonstrates the principle of using swinging balances to compensate for errors caused by movement at sea.
Huygens stieß bei seinen Versuchen auch auf das Problem der Temperaturabhängigkeit des Ganges wegen veränderlicher Elastizität der Spiralfeder und Lagerreibung. Wie schwierig allein dieser Faktor zu kompensieren war, zeigt der lange Zeitraum, der verging, bevor man das Problem hinreichend zuverlässig gelöst hatte: Zunächst trachtete man (z.B. der Erfinder des Chronometers, John Harrison) danach, den Temperaturfehler durch eine bimetallische Verkürzung oder Verlängerung der Unruh-Feder zu kompensieren. Das Prinzip, das sich nach jahrzehntelangen Experimenten durchsetzte, war jedoch ein anderes: eine Unruh, die selbst aus Bimetall gefertigt war und mit zunehmender Wärme geringere Durchmesser einnahm. Diese sog. Kompensationsunruh wurde 1761 vom französischen Uhrmacher Pierre Le Roy (1717–1785) und dem englischen Uhrmacher Thomas Earnshaw (1749-1829) erdacht – jedoch ständig in unterschiedlichsten Varianten weiterentwickelt. Wirklich befriedigend – auch trotz der verschiedenen seit 1860 erfolgenden Weiterentwicklungen – war allerdings erst die Kompensation des als Sekundärfehler bezeichneten Restfehlers durch den Physiker und Uhrmachersohn Charles Édouard Guillaume (1861-1938): Er verwendete für den bimetallischen Reifen der Unruh Messing und die von ihm 1896 entwickelte Eisen-Nickel-Legierung Invar und schuf so eine optimale Temperaturkompensation.
As a result of his experiments, Huygens realised the importance of the influence of temperature on spring elasticity and friction in the movement. How difficult it was to compensate for this factor alone is shown by the time it took to find an adequate solution. Initially it was attempted (for example by John Harrison, the inventor of the chronometer) to offset such errors by including a bi-metal spring which would expand or contract. But after decades of experimentation, it was another principle which prevailed. This was based on a balance wheel which was itself made of two metals and whose diameter decreased as temperature rose. This so-called temperature-compensated balance was conceived in 1761 by the French clockmaker Pierre Le Roy (1717– 1785) and the English horologist Thomas Earnshaw (1749-1829). It evolved, however, in many extremely different variations. Despite the many amendments made by Thomas Mercer (1822-1900) as from 1860, it was not until 1896 that a satisfactory result in this problem, the so-called middle-temperature error was achieved by the physicist and clockmaker son Charles Édouard Guillaume (1861-1938). His idea was to make the balance wheel of Invar, a nickel-steel alloy which had been developed in 1896 and which was virtually resistant to temperature changes.