¿Cómo no perderse navegando en el mar sin GPS?

Marzo 14, 2022
Astroséneca
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Escrito por Sergio Lleras, Capítulo Astroséneca

Gracias a la red de satélites GPS y la incorporación de esta tecnología en los teléfonos celulares, hoy en día es posible lograr una precisa geolocalización, aún sin conexión a los servicios de operadores celulares y en ausencia de antenas cercanas. Cabría preguntarse ¿cuál fue el invento precursor que permitió la navegación confiable en el mar durante los pasados tres siglos?

Aunque durante miles de años se ha conocido la manera para determinar la latitud de un lugar en el hemisferio norte, de acuerdo con el ángulo entre la estrella Polar y el horizonte, o las medidas de alturas máximas de estrellas conocidas durante observaciones nocturnas, la determinación de las longitudes si presentaba un gran problema.

Al desplazarse en direcciones hacia el oriente o el occidente de un punto inicial, lo que llamaríamos hoy día “la hora local” iría variando permanentemente. Conocer al menos una hora de referencia estable permitiría establecer la diferencia entre la ocurrencia del mediodía observado por la máxima altura del sol sobre el horizonte, comparado con la hora de referencia. Parecería obvio que un reloj haría el milagro.

El gran problema radicaba en que los relojes existentes eran de péndulo, haciéndolos inservibles dentro de un barco surcando las olas. Algunas soluciones improvisadas comprendían clepsidras, relojes de arena o velas de sebo con marcas que permitían estimar el paso de las horas. Y tampoco se había adoptado un patrón de husos horarios.

A finales del siglo XVII una flotilla inglesa sufrió un inmenso desastre cerca del Cabo de Hornos, en el extremo sur de Sudamérica. Una condición tormentosa que se prolongó durante casi dos meses en época invernal cobró cientos de vidas, en la travesía del Atlántico Sur hacia el Pacífico. Al finalizar la tormenta, el comandante enrumbó hacia una conocida isla del Pacífico que misteriosamente no aparecía.

Después de muchas vueltas y en medio del desespero, cayó en cuenta que todavía navegaba en el Atlántico, y no cerca del litoral Pacífico, como pretendían indicar los cálculos de posición propios de un avezado navegante. Al parecer, las corrientes marinas habían reversado el aparente movimiento hacia occidente, generado por los vientos prevalecientes. En aquellas latitudes australes extremas, la distancia entre meridianos es de unos pocos kilómetros, mientras en el ecuador sobrepasa los cien kilómetros (111.11 kmts). Además, los vientos, corrientes y mareas de la zona son el terror para cualquier navegante.

El Almirantazgo Británico estableció en 1714 un premio de 20.000 libras esterlinas para el desarrollo de un reloj que sirviera para la navegación marítima, con una precisión inferior a medio grado en trayectos transatlánticos. Desde un siglo antes, España había establecido algo similar. Holanda había hecho lo propio algunas décadas después.  En la “Junta de Longitud” participaron tres grandes celebridades científicas de la época, vinculadas al Observatorio de Greenwich: Sir Isaac Newton, Edmond Halley y John Flamsted. Los dos primeros opinaban que el problema de la longitud podría resolverse con una técnica diferente a un reloj preciso, mediante observaciones exactas de la distancia lunar, según técnica ideada por Euler.

Alternativamente sugerían métodos de triangulación lunar, midiendo ángulos con estrellas conocidas en fechas y horas precisas, contrastadas con el patrón de referencia. Precisamente Flamsted, puritano “Astrónomo del Rey” y fundador del observatorio, se resistía a publicar su catálogo, para corregirle algunos detalles. Newton y Halley, en un gesto de irreverente impaciencia publicaron copias “piratas” del catalógo Flamsted para procurar acelerar una posible solución al difícil problema. Pero ésta demoraría 40 años más. Ninguna de las tres celebridades vivió para verla.

El invento del “cronómetro marítimo” es una de las historias más apasionantes sobre un emprendimiento solitario de un humilde y terco genio: John Harrison. Hijo de un carpintero de provincia, tenía 21 años cuando se instituyó el famoso premio. Al parecer, le apasionaron tanto los relojes, que indagó sobre la “ecuación de tiempo” y el problema de la longitud desde muy joven. Su obsesión con la precisión lo llevó a diseñar engranajes en madera, resistentes al desgaste, aprovechando las vetas y condiciones precisas de maderas como el roble.

También investigó los efectos de expansión y contracción térmica de los metales, para diseñar mecanismos de corrección bimetálicos (bronce y acero), péndulos circulares y resortados, entre muchos otros. Aunque muchos pretendieron haber encontrado soluciones anteriores al primer prototipo presentado por Harrison, nunca pudieron cumplir con el requisito de precisión. Para ilustrar mejor la exigencia, basta anotar que medio grado es apenas un tiempo de dos minutos, igual a lo que demora la salida del Sol o la Luna.

En una travesía de 6 semanas, no debería atrasarse o adelantarse más de 20 segundos por semana, equivalente a algo menos de 3 segundos diarios. Los cambios de temperatura, humedad, la oscilación variable de los péndulos resortados y la resistencia de los mecanismos de cuerda parecían desafiar las soluciones mecánicas.

Harrison produjo su singular invento en 1735. Un gran reloj en bronce, con un peso de 75 libras y unas dimensiones de 70 cms de ancho, 63 de alto y 45 cms de profundidad, con apariencia de barco, expuesto y funcionando  hoy día en el Museo Marítimo Real en Gran Bretaña. Cuatro diales separados para las horas, minutos, segundos y fecha. Tiene dos contrapesos basculantes conectados por resortes, destinados a compensar el efecto de las oscilaciones marítimas. También incorpora una ingeniosa parrilla bimetálica que compensa los efectos de la dilatación térmica y un mecanismo de escape tipo “saltamontes”.

Fue probado en una travesía de ida y vuelta de Londres a Lisboa. Gracias a su exactitud, pudo corregir con pasmosa precisión, en el viaje de retorno, errores en los cálculos de navegación de 60 millas en la ubicación de una isla cercana a Dartmouth. Este primer “cronómetro marítimo” es conocido hasta el presente como “H-1”, en honor al ganador del codiciado premio. Sin embargo, el inventor no estaba del todo satisfecho.

Reconoció que las olas producían movimientos en los barcos que correspondían a cuatro dimensiones (tres espaciales y una de tiempo o frecuencia), de forma que no se podía orientar correctamente el aparato. Los siguientes veinte años produjo otros tres prototipos. H-2 y H-3 fueron variaciones sobre el modelo original, que nunca lograron mejoras sustanciales. H-4 si fue revolucionario. Harrison había adquirido un reloj de bolsillo de un afamado fabricante inglés.

Desarmando el instrumento, decidió rediseñar todos los mecanismos para lograr así precisiones nunca antes vistas. Con un diámetro de 13 cms y un peso de un kilo y medio, este cronómetro logró superar el límite de medio grado (2 minutos de atraso o adelanto acumulativo) en travesías transatlánticas.

Esta historia nos ilustra claramente porqué hasta el presente, la hora mundial de referencia y la longitud cero es la del meridiano del Observatorio de Greenwich. ¿Qué pasó con la navegación sin GPS? Simplemente que con un buen reloj podemos calcular la diferencia en tiempo de la ocurrencia del medio día solar (elevación máxima), sabiendo que cada hora de diferencia corresponderá a 15 grados de longitud.

Sólo se necesita un instrumento que permita determinar el ángulo máximo de altura del Sol sobre el horizonte, sin necesidad de medirlo con exactitud. Para cerrar este gran tema, conviene indicar que la tecnología del sistema GPS se basa también en una hora patrón que comparten con precisión de millonésimas de segundo todos los satélites.

Cuando un aparato receptor recibe las señales de tiempo, puede detectar y calcular permanentemente las variaciones en la llegada de cada señal, de forma que traza por cada par de satélites una “hipérbola espacial” que interseca el receptor. Con dos o más hipérbolas interceptándose, se logra una localización espacial exacta. Pero de nuevo, la clave es conocer una hora precisa.