（苏）B.H.∏ИПyЬIрOB著  张遐龄 译

第　三　章

精密计时器历史

公元15世纪末到16世纪前半叶，随着地理学上的伟大发现，开始了更大规模的殖民战争、殖民贸易和远洋的航海时代。

航海从封闭的地中海移向开放的大西洋之后，保证远洋航行的安全，就成了异常迫切重要的问题，但是不会精确地测定纬度和经度—在辽阔的海洋中船位置的基本座标，就无法解决。还在公元16世纪之前，根据太阳在水平线上的高度，就能够满意地确定地方的纬度；可是，在公元17世纪甚至到18世纪，尽管所有与殖民贸易和航海有关的欧洲国家都坚持力图解决这个问题，但还是不会确定经度到需要的精度。

为了推动这方面的发明工作和成功地解决测定经度问题，葡萄牙和西班牙在公元16世纪、荷兰在17世纪、英国和法国在18世纪，都宣布了巨额的奖励。

公元1714年，英国议会批准的法律规定，根据确定经度的精度，奖金额分为1、1.5、2万英磅。最高奖励的要求是，在航行到西洋印度洋和返回的时间里，确定经度的误差在1/20以内，或者30浬。为了解决类似问题所设的巨额奖赏，在此之前谁都没有得过。为了根据这个法律接受和研究有关建议，建立了经度局，其中工作的优秀学者有：牛顿、萨穆伊拉尔克（СамуилКларк）、威茨统（Уитстон）。

在英国政府小组和皇家协会小组里，对确定经度深厚的和日益增长的兴趣，为成功地解决确定经度而设立的巨额奖赏，强烈地鼓励着发明和科学思想的进步。

最后结果，指明了两种确定经度的方法：一种是机械方法，应用钟表；另一种是用天文法，应用天文工具。

借用钟表确定经度的机械方法，西班牙人桑托•克鲁斯（Санто Крус）在公元1510年就指出了。公元1530年，格姆萨•弗得吉乌斯（Гемса Фризиус）在比利时安特卫普出版的《天文学和宇宙起源论原理》一书中重复了他的思想。第一次确定地理的经度，是皮叶尔•克鲁格尔（Пьер Кругер）在公元1615年借助钟表进行的。

但是这个确定经度的方法，不能在航海中得行进一步的应用，因为装有富利欧摆轮和枢轴式擒纵机构的钟表，不能达到为确定经度而需要的精度。就是在应用摆和摆轮钟表，应用游丝作为调速器代替富利欧摆轮之后，也未能成功地将钟表的走时精度提高到需要的水平，原因就是仍保留了老的枢轴式擒纵机构。

在钟表里应用摆和摆轮一游丝系统，或者有固有振动周期的调速器具有巨大的意义，在精密时时的历史上开辟了新时代。从这时起，在古典力学、物理学和精密计时学之间建立起了紧密的联系。我们知道，惠更斯的工作：根据摆钟的设计导致理论力学的新分支，即刚体制点系统的动力学。为了应用游丝摆轮钟表的调速器，罗别尔特•虎克根据对游丝实验工作的结果，建立了材料强度定律和游丝振动等时性。
在公元17世纪下半叶，惠更斯、修理和其他人在利用摆钟和摆轮钟表来确定经度方面没有取得成功，因此，应用天文方法的思想在天文学家中可用得普遍了，特别是月亮的距离方法—测量月亮和星星之间的距离，开始利用了更为普遍了。早在公元1514年，德国纽伦堡的德•维尔聂尔在注解托勒密的《地理学》中就论述了月亮距离方法的适应性。在公元18世纪，这个方法是格林威治天文台和天文学家注意的中心。在发明精密计时器之前，普遍认为这种方法显然比借助钟表来确定经度要好。

公元1668年在巴黎和公元1676年在格林威治建立的天文台曾用于航海。它们都需要应用精密摆钟作为时间标准，在公元18世纪第一个10年，这个问题被英国优秀的钟表专家格奥尔格•格拉哈姆解决了。他应用水银摆进行温度补尝，用静止摩擦和无擒纵轮后退的英国式擒纵机构代替了枢轴式擒纵机构。格拉哈姆的钟在一百五十多年的时间里成为天文台制造和使用的样板钟。

与在海上确定经度有关的天文学和力学的科学问题，成了公元18世纪学者注意的中心。公元1753年，列奥那尔多•爱列尔研究了月亮运动的引力理论。德国格廷根（Геттинген）的天文学家托比阿斯•马叶尔（Тобиас Майер），在这个理论的基础上编制了月亮表。到公元19世纪初，格林威治天文台利用了这个表计算月亮　的星历表和确定经度。作为在天体力学问题的研究中做出了卓越科学贡献的学者，爱列尔的月亮运动的理论不仅促进了天文学的进一步发展，也促进了理论学的发展，就像惠更斯在制造摆钟时的理论研究一样。

巴黎天文台从公元1669年开始定期出版《时间知识》，这是日•德•卡西尼（Ж.Д.Кассини）奠定的基础。格林威治天文台从1677年出版了琼•弗列姆斯契德（Джон Флемстид）的《航海文选》。这些刑物成了海员手头必备的书籍。

实际上，应用天文方法确定经度很复杂，带动量很大，也不够准确。公元18世纪末，这个问题得到了解决，但不是应用天文学的方法，而是应用在完善带有游丝的摆轮钟表的基础上制造准确的钟表的方法。

最巨大的奖赏属于琼•加利松，他在公元1759年制造了四只航海钟。事实上，加利松证明了用自己的四只航海钟确定经度的可能性，而精度比公元1714年法律规定的高度，比利用天文学工具和方法更为成功。但加利松航海钟的装置相当复杂，制造费用也很大，因此，不能成为批量生产的模型。托马斯•缪支和拉尔库姆•肯达尔（Ларкум Кендаль）试图完善加利松的钟，使其适合于批量生产，但未能做出成绩。加利松的功劳基本上在于，他成功地使自己的同代人相信，借助他制作的钟，可以以所希望的精度来确定经度，在此之前，无论是学者，还是钟表专家，都不相信这一点。

根据拉一曼施（Ла-Манш）的意向，皮叶尔•列鲁阿在法国制造了航海钟，希望能得到巴黎科学院宣布的奖赏。他的大多数钟的结构比加利松四只钟更为成功，以至于后来所有研究的成功，都归结在他的基础上。

在惠更斯之后，法国和英国在完善摆钟和带游丝的摆钟方面，所取得的巨大成就完会不是偶然的。在法国和英国，天文台开始需要走时精确的摆钟比其他国家都早。公元18世纪，正是英国和法国进入强盛时期，也是对制造精密计时器更为感兴趣的强国。

适用于确定经度的精密计时器，或者走时准确的钟的发明，正值英国技术革命的开始，也正值瓦特发明了双作用蒸汽机，他在1784年获得了这项专利。

航海钟和精密计时器的发明

琼•加利松（公元1693年-1766年）生在英国约克郡（Иоркшир）附近的木工家庭里，他很可能也从事于钟表的修理工作。公元1700年，他迁居到巴罗（Барроу，英国兰开夏郡）。琼•加利松学习他父亲的职业，但很早就爱好机械。当他22岁时，他制作了带有木质零件的钟。公元1726年，他发明温度补偿摆，称为筛摆。

当他知道了研究适于确定经度方法而设立的高额奖赏时，得到奖金的前景吸引了他，充满信心地开始制造适合所提条件的钟。公元1726年，为了更准确地知道奖金的条件和为实现理想获得必需的财力上的支持，他来到了伦敦。加利松找到了格林威治天文台长爱德蒙德•加列（Здмунд Галлей），可他拒绝了给予财力上的帮助，但建议他去找格奥尔格•格拉哈姆。他给了加利松制作第一只所需的津贴。

公元1728年，为了在经度局表现他的发明，加利松带着他制作的补偿筛摆和特殊结构的擒纵机构，又来到了伦敦。格拉哈姆在了解了这些发明之后，建议加利松在未最终制成钟和预先进行走时试验前，不急于给经度局看。

从伦敦返回巴罗之后，加利松以更大的热情继续进行制作钟的试验。他力图减小船的运动对钟走时的作用，并且发明了保证钟在走时时就能上条的装置，使机芯运转不间断。试验继续到公元1735年，当加利松迁居到伦敦时，也运来了他完成的第一只钟。这只钟相当笨重的，木质框架，好像一只大的摆钟（图1）。这只钟保存在格林威治天文台。在这只钟里，不是应用摆作为调速器，而是两个重的摆轮，用四只摆轮弹簧来驱动，组成彼此间摩擦传递的摆轮，彼此间能沿相反方向进行振动，和承受船的作用是一样的，但方向是相反的。这样，大大的减小了船的运动对钟走时的影响。

加利松发明的擒纵机构装置（图2），以“草螽”的名字著称，因为很像这种昆虫的后爪子。丙外委会卡瓦A和B铰链地在点C和D与杠杆的端部连接，杠杆位于带有摆的轴上。卡瓦A和B是用硬质木材制成的，弹簧E和F用作反弹的缓冲器。在这个机械系统里，当存在一个不动点时，其余全部构件都有自由运动的可能性。擒纵轮交替地一会儿推动右卡瓦，一会儿推动左卡瓦，同时，传冲给调速器。在这个擒纵机构的结构中，卡瓦和擒纵轮之间没有摩擦力，不需要润滑。

在加利松里作为动力的是，装在单独条盒轮中的两根走时发条，条盒轮与双棘轮装置一起驱动中心塔轮，双棘轮装置保证保证在钟走时时上条，使机芯不停走（图３）。这是加利松个人的发明。
 
Ⅰ-塔轮；A-自由地装在塔轮轴BC上的大轮；D-棘轮（同样自由地安装在轴BC上）；Ⅱ-从下边视塔轮的形状；E-与塔轮组成一个整体的第二个塔轮，在齿轮D齿的反方向上铣削的齿；Ⅲ-棘轮D从上边的视图；J-棘轮上的孔；K-轮E齿的定位棘爪；Ⅳ-大轮从上边的视图；G-连接辅助弹簧F的销钉，齿轮A借助于这个弹簧与齿轮D连接（见在位置Ⅳ沿A和D的截面）。

图3-在加利松钟里应用的辅助上条

当钟正常工作时，上紧的发条通过链传递自己的力量给塔轮。棘轮Ｅ从塔轮将运动传递给棘轮Ｄ，经过销钉Ｇ从齿轮传递给大齿轮Ａ。

在上条时，条盒轮在通过工作情况下要反向旋转，机芯停走，是由于与能源脱开了。为了预防这种停走，加利松发明了辅助上条。在上条时，棘爪Ｋ阻止棘轮Ｅ转动棘轮Ｄ，在棘轮Ｄ上弹簧Ｇ能自动开始缩短，驱动大齿轮Ａ以及全部齿轮的转动。通常，这个弹簧能够驱动齿轮转动3-