世界钟表史网上连载(二十四) 航海钟和精密计时器的发明(续1)
加利松擒纵机构的作用与一般的枢轴式擒纵机构不一样,如果后者冠形轮齿或擒纵轮齿只作用在卡瓦面上,那么,加利松擒纵机构在通过附加弧(从90°到145°)时,齿端静止在卡瓦的轮廓是摆线曲线的后部分。
图1给出了加利松擒纵机构的依次动作。
位置I中,3表示枢轴,4表示卡瓦,它们的表面与虚线圆相切;每一个瓦背所组成的圆弧的中心,位于通过枢轴的中心到卡瓦尖的线上。虚线5是擒纵轮齿端的轨迹。上边的齿1只由上边的卡瓦释放,下边的准备落在下边卡瓦的尖上,这个落值为0.04毫米。
位置II不是紧接着位置I的,但指示下边虚线齿的位置,只保留着下边的卡瓦,当齿2准备落向尖端时,指示在位置III上。继续振动的摆轮将齿2压向卡瓦的曲线背,在卡瓦上的压力保证了必需的振幅,然后向位置Ⅳ运动。线6指示卡瓦尖的位置,是由保证摆轮沿弧从平衡位置运动到145°的支撑来限制的。机件从位置Ⅳ回复到位置Ⅲ,当摆轮顺时针转动时,齿第二次落下。从这时起,和一般情况一样,齿2进行传冲。第一次主弹跳和卷动游丝所必需的力,是由摆轮来的。第二次弹跳的力,全部是游丝给的。加利松对摆线曲线形状轮廓的卡瓦背,给予了很高的评价。在图2上给出了这条曲线的最终形状0~4.
№4航海钟与№2和№3钟一样,为稳定冲量应用了带有中间弹簧的装置,每经过7 秒上条。随着精密擒纵机构的发明,在加利松之后,很快就失去了应用稳定冲量的必需性,但为了制造它,加利松不知花费了多少力量和时间!
为了№4钟的摆轮温度补偿,应用了航海№3钟里的装置。
在完成第四只钟的走时修正之后,加利松接到了经度局的决定,要进行议会决议的试验。不是加利松自己,而是他的儿子威尔亚姆(Уильям)带着这些精密计时器到牙买加(Ямайка)旅行。公元1761年11月18日他从朴茨茅斯(Портсмут)乘“Дептфорд”号船启航。
在旅行18天之后,根据加利松的钟确定的经度与当时在船上确定的经度不同。按通常的计算,船应该在朴茨茅斯以西经度13°50′处,而按加利松钟的指示却在15°19′处。对于做出钟不适用于确定经度的仓猝结论,这些已经是足够了。与此相反,威尔亚姆•加利松证明,如果马德拉群岛(Мадера)正确地标志在地图上,将在下一天可以看到。据此,他顽强地坚持,船长同意按他指出的航向航行,结果真的在第二天出现了岛屿。威尔亚姆•加利松同样以自己的钟为指南,精确地预报了到牙买加途中所有的岛屿,以及船与其看齐的时间。在61天旅行之后,当他到达路易港(Порт-Ройал)时,№4钟慢了近9秒钟。
公元1762年1月28日,“Дептфорд”号船从牙买加返回,公元1762年3月26日到达朴茨茅斯。№4钟在这段时间慢了1分5秒,与这个误差对应的航程为18浬,比国会要求的得到2万英镑奖金所允许的30浬的误差要小的很多。但是,№4钟在海上试验的成绩,没有使经度局相信,钟走时的正确性和钟作为确定经度的工具比天文方法更具有优点。
为了解№4钟的结构,英国国王格奥尔格三世指定了一个由11人组成的委员会。在这个委员会里,除了英国人之外,还有从法国巴黎科学院请来的卡穆斯(Камюс)、别尔图、拉兰德(Лаланд)。在了解了钟之后,委员会成员提出了一系列建议,但根据议会的法律草案,完成这些建议不是加利松的责任。
在成功地对№4钟进行海上试验和了解了钟的结构之后,对用钟来确定经度的可能性,已经是没有疑问的了,但它比用《月亮表》来确定经度的方法好多少,还不清楚①。用《月亮表》的方法,是格林威治天文台赞许的,而且在英国天文学家中应用的又相当普及。天文方法确定经度的保卫者,是皇家的天文学家尼维利•马斯凯兰(Нивиль Маскелайн),他强烈地反对加利松。
由于来自委员会委员们方面的异议和马斯凯兰方面的攻击,加利松决定对自己的钟进行第二次海上试验。
公元1763年12月,有12位学者参加了对钟走时机构的预先检查。这次检查是在光学家和天文学家詹姆斯•萧尔特(Джемс Щорт)家里进行的,每天将加利松钟的走时与安装在这个房子里的格拉哈姆天文摆钟的走时相比较。用观察太阳通过正午的方法校验格拉哈姆的钟。在8天时间里,№4钟与标准钟相比,走快9.6秒。同样,在不同温度下对钟的走时进行了校验,确定与温度变化的关系。
公元1764年3月28日,发明者的儿子威尔亚姆带着№4钟,在经度局代表的伴随下,乘“地狱号”军舰出发到巴巴多斯(Барбадос),5月13日到达。在那里发现,钟走快了43秒。6月4日,加利松乘“新伊丽莎白”号船返航。7月18日在萧尔特家附近登陆,然后他来到了伦敦,先后经过了136天。将№4钟重新与格拉哈姆钟比较,后者刚刚用子午管校准。在计算钟的走时时,考虑到了在进行试验时可能产生的偏差和每天记录的温度。钟的指示值比平太阳时慢15秒钟。所以,重新得到的时间与五个月之前调准的钟相比,只偏离了1/4分钟。萧尔特的计算和格拉哈姆钟的走时与№4钟相比较指出,在威尔亚姆•加利松第二次旅行的时间里,№4钟走快了54秒钟。公元1763年,萧尔特在一本小册子里发表了对加利松钟的结论和正确的评论,引用了一系列他所收集的关于加利松研制钟的证明材料。
第二次在海上对№4钟进行试验的结果是完全成功的,但没有得到加利松希望的超过1万英镑的奖金。第一次到牙买加航行之后他得到了1万英镑。
公元1765年8月22日,为了详细地了解№4钟的设计,经度局重新委派了一个7人专门委员会。委员会里包括的著名钟表专家有:托马斯•缪支、拉尔库姆•肯达尔等。加利松向委员会详细地介绍了自己钟的设计和制造工艺。委员会在指出所研制的钟的毫无疑问的优点之后,又补充了一些要求,以便于其他钟表匠制造这只钟。以后,曾委托委员会成员之一,肯达尔制造加利松№4钟的复制品。
在仔细地了解了№4钟装置之后,委员会成员们认为出版一本小册子《The Principles of the Harrison’s Timekeeper With Plates of the Same》(伦敦,公元1767年)是必要的。在小册子里给出了№4钟装置的资料,这些资料连同一些图纸,是委员会从加利松那里得到的。在这本小册子出版之后,广大的爱好者能够了解到钟的结构,从而也就在更广的范围内博得了更高的知名度。
在海上航行的时间里,不能每天校验№4钟的走时准确性,因为没有标准钟。因此 ,经度局在公元1760年5月委托马斯凯兰在格林威治天文台检验钟的日差。
首先,马斯凯兰组织了对日差变化的校验,先是从一个水平位置变换到另一个水平位置——钟盘向上和向下,然后使钟分别向字块Ⅻ、Ⅲ、Ⅵ和Ⅸ方面倾斜20°.这些试验占用了两个月的时间,然后在钟盘向上的位置试验了10个月(从公元1766年7月到1767年5月)。在试验的所有时间里,钟指示的偏离为1小时10分27.5秒,平均日差偏离为14.2秒。№4钟走时的不稳定性,是由于温度补偿不理想和等时性误差的存在。在60°F温度、水平位置时,日差偏离的最大。一昼夜慢的最多时为6.5分钟,是在冰点温度、钟盘向上的水平位置。
经度局公布了№4钟试验结果的全部总结,尼维尔•马斯凯兰为总结写了前言,其中指出,在去西印度群岛的6个星期里,加利松的钟不具有为确定经度所需要的走时稳定性和精度,甚至在1°范围内。用这只钟只能在两个星期的航行时间内确定半度经度的精度,而且要在一定的条件下,即温度要高于冰点。
琼•加利松为得到他所应得到的奖赏表现得十分顽强。詹姆斯•库克携带他的航海钟在公元1772年~1775年乘“Резольюшен”号船航行时,钟指示的经度精度达到了国会的要求。加利松去世之前不久,终于得到了全部奖金。
从现代的观点来评价加利松所取得的成就,不得不承认,他的所有发明,只有在上条时使钟不停走的双棘轮机构,至今还保留着自己的意义外,其余的发明(“草螽”擒纵机构、在中间联结摆轮的双金属快慢针、木质卡瓦和齿轮、为获得等时性的马鞍形装置、减小摩擦和排除使用润滑必需性的装置、最后是稳定装置)现在只有它的历史意义了。然而,他在精密计时方面的功劳是伟大的。从本质上来说,加利松实际地解决了当时所有的问题,这些问题又成为他的年轻的同代人,以后又是继承者专门研究的对象。他们都集中自己的注意力研究摆轮—游丝系统振动的等时性和稳定性、减小钟机构运动链的摩擦、摆轮—游丝系统的温度补偿等等,只是在加利松和皮叶尔•列鲁阿的继承者完全成功地解决了精密计时的这些问题之后,制造了我们今天的精密计时器才成为可能。
优秀的钟表专家拉尔库姆•肯达尔(公元1721~1795年)和托马斯•缪支(公元1735~1794年)在完善航海钟设计时,没有离开加利松№4钟的设计原理,他们仅限于在加利松钟的结构上增加或减少一些东西,肯达尔想尽力取消加利松钟机构的一部分和简化它的装置;缪支却相反,力图增加复杂和完善的零件,以使№4航海钟的走时精度能进一步提高。尽管所有的努力,以及他们在完善航海钟事业中所有的劳动成果,都不能与他们的同代人,如列鲁阿、别尔特、阿尔诺尔德和伊伦沙乌的成就相比。
肯达尔根据经度局给他的任务制造了加利松№4钟的复制品,它以肯达尔K-1钟而著称。制造了这只钟用了三年时间,于公元1769年完成了复制品的制造。在钟上刻有“Larcum Kendall 1769”的铭文。
经度局曾扩大航海钟的生产感兴趣,自然想知道,除了肯达尔外,其他钟表匠能否制造加利松№4钟。就这个问题也曾问过肯达尔,他回答说,大量生产加利松的钟不容易的,因为需要若干年时间的劳动和大量资金,要200英镑。
根据肯达尔的意见,№4钟的设计在生产之前应当简化。接受这个意见之后,经度局建议肯达尔制造简化结构的航海钟,他可以取消加利松航海钟的任何非本质部分。肯达尔于公元1772年完成了这个任务,制造了K-2航海钟。第三只钟(K-3)完成于公元1774年。为制造K-2钟,经度局给了肯<
图1给出了加利松擒纵机构的依次动作。
位置I中,3表示枢轴,4表示卡瓦,它们的表面与虚线圆相切;每一个瓦背所组成的圆弧的中心,位于通过枢轴的中心到卡瓦尖的线上。虚线5是擒纵轮齿端的轨迹。上边的齿1只由上边的卡瓦释放,下边的准备落在下边卡瓦的尖上,这个落值为0.04毫米。
位置II不是紧接着位置I的,但指示下边虚线齿的位置,只保留着下边的卡瓦,当齿2准备落向尖端时,指示在位置III上。继续振动的摆轮将齿2压向卡瓦的曲线背,在卡瓦上的压力保证了必需的振幅,然后向位置Ⅳ运动。线6指示卡瓦尖的位置,是由保证摆轮沿弧从平衡位置运动到145°的支撑来限制的。机件从位置Ⅳ回复到位置Ⅲ,当摆轮顺时针转动时,齿第二次落下。从这时起,和一般情况一样,齿2进行传冲。第一次主弹跳和卷动游丝所必需的力,是由摆轮来的。第二次弹跳的力,全部是游丝给的。加利松对摆线曲线形状轮廓的卡瓦背,给予了很高的评价。在图2上给出了这条曲线的最终形状0~4.
№4航海钟与№2和№3钟一样,为稳定冲量应用了带有中间弹簧的装置,每经过7 秒上条。随着精密擒纵机构的发明,在加利松之后,很快就失去了应用稳定冲量的必需性,但为了制造它,加利松不知花费了多少力量和时间!
为了№4钟的摆轮温度补偿,应用了航海№3钟里的装置。
在完成第四只钟的走时修正之后,加利松接到了经度局的决定,要进行议会决议的试验。不是加利松自己,而是他的儿子威尔亚姆(Уильям)带着这些精密计时器到牙买加(Ямайка)旅行。公元1761年11月18日他从朴茨茅斯(Портсмут)乘“Дептфорд”号船启航。
在旅行18天之后,根据加利松的钟确定的经度与当时在船上确定的经度不同。按通常的计算,船应该在朴茨茅斯以西经度13°50′处,而按加利松钟的指示却在15°19′处。对于做出钟不适用于确定经度的仓猝结论,这些已经是足够了。与此相反,威尔亚姆•加利松证明,如果马德拉群岛(Мадера)正确地标志在地图上,将在下一天可以看到。据此,他顽强地坚持,船长同意按他指出的航向航行,结果真的在第二天出现了岛屿。威尔亚姆•加利松同样以自己的钟为指南,精确地预报了到牙买加途中所有的岛屿,以及船与其看齐的时间。在61天旅行之后,当他到达路易港(Порт-Ройал)时,№4钟慢了近9秒钟。
公元1762年1月28日,“Дептфорд”号船从牙买加返回,公元1762年3月26日到达朴茨茅斯。№4钟在这段时间慢了1分5秒,与这个误差对应的航程为18浬,比国会要求的得到2万英镑奖金所允许的30浬的误差要小的很多。但是,№4钟在海上试验的成绩,没有使经度局相信,钟走时的正确性和钟作为确定经度的工具比天文方法更具有优点。
为了解№4钟的结构,英国国王格奥尔格三世指定了一个由11人组成的委员会。在这个委员会里,除了英国人之外,还有从法国巴黎科学院请来的卡穆斯(Камюс)、别尔图、拉兰德(Лаланд)。在了解了钟之后,委员会成员提出了一系列建议,但根据议会的法律草案,完成这些建议不是加利松的责任。
在成功地对№4钟进行海上试验和了解了钟的结构之后,对用钟来确定经度的可能性,已经是没有疑问的了,但它比用《月亮表》来确定经度的方法好多少,还不清楚①。用《月亮表》的方法,是格林威治天文台赞许的,而且在英国天文学家中应用的又相当普及。天文方法确定经度的保卫者,是皇家的天文学家尼维利•马斯凯兰(Нивиль Маскелайн),他强烈地反对加利松。
由于来自委员会委员们方面的异议和马斯凯兰方面的攻击,加利松决定对自己的钟进行第二次海上试验。
公元1763年12月,有12位学者参加了对钟走时机构的预先检查。这次检查是在光学家和天文学家詹姆斯•萧尔特(Джемс Щорт)家里进行的,每天将加利松钟的走时与安装在这个房子里的格拉哈姆天文摆钟的走时相比较。用观察太阳通过正午的方法校验格拉哈姆的钟。在8天时间里,№4钟与标准钟相比,走快9.6秒。同样,在不同温度下对钟的走时进行了校验,确定与温度变化的关系。
公元1764年3月28日,发明者的儿子威尔亚姆带着№4钟,在经度局代表的伴随下,乘“地狱号”军舰出发到巴巴多斯(Барбадос),5月13日到达。在那里发现,钟走快了43秒。6月4日,加利松乘“新伊丽莎白”号船返航。7月18日在萧尔特家附近登陆,然后他来到了伦敦,先后经过了136天。将№4钟重新与格拉哈姆钟比较,后者刚刚用子午管校准。在计算钟的走时时,考虑到了在进行试验时可能产生的偏差和每天记录的温度。钟的指示值比平太阳时慢15秒钟。所以,重新得到的时间与五个月之前调准的钟相比,只偏离了1/4分钟。萧尔特的计算和格拉哈姆钟的走时与№4钟相比较指出,在威尔亚姆•加利松第二次旅行的时间里,№4钟走快了54秒钟。公元1763年,萧尔特在一本小册子里发表了对加利松钟的结论和正确的评论,引用了一系列他所收集的关于加利松研制钟的证明材料。
第二次在海上对№4钟进行试验的结果是完全成功的,但没有得到加利松希望的超过1万英镑的奖金。第一次到牙买加航行之后他得到了1万英镑。
公元1765年8月22日,为了详细地了解№4钟的设计,经度局重新委派了一个7人专门委员会。委员会里包括的著名钟表专家有:托马斯•缪支、拉尔库姆•肯达尔等。加利松向委员会详细地介绍了自己钟的设计和制造工艺。委员会在指出所研制的钟的毫无疑问的优点之后,又补充了一些要求,以便于其他钟表匠制造这只钟。以后,曾委托委员会成员之一,肯达尔制造加利松№4钟的复制品。
在仔细地了解了№4钟装置之后,委员会成员们认为出版一本小册子《The Principles of the Harrison’s Timekeeper With Plates of the Same》(伦敦,公元1767年)是必要的。在小册子里给出了№4钟装置的资料,这些资料连同一些图纸,是委员会从加利松那里得到的。在这本小册子出版之后,广大的爱好者能够了解到钟的结构,从而也就在更广的范围内博得了更高的知名度。
在海上航行的时间里,不能每天校验№4钟的走时准确性,因为没有标准钟。因此 ,经度局在公元1760年5月委托马斯凯兰在格林威治天文台检验钟的日差。
首先,马斯凯兰组织了对日差变化的校验,先是从一个水平位置变换到另一个水平位置——钟盘向上和向下,然后使钟分别向字块Ⅻ、Ⅲ、Ⅵ和Ⅸ方面倾斜20°.这些试验占用了两个月的时间,然后在钟盘向上的位置试验了10个月(从公元1766年7月到1767年5月)。在试验的所有时间里,钟指示的偏离为1小时10分27.5秒,平均日差偏离为14.2秒。№4钟走时的不稳定性,是由于温度补偿不理想和等时性误差的存在。在60°F温度、水平位置时,日差偏离的最大。一昼夜慢的最多时为6.5分钟,是在冰点温度、钟盘向上的水平位置。
经度局公布了№4钟试验结果的全部总结,尼维尔•马斯凯兰为总结写了前言,其中指出,在去西印度群岛的6个星期里,加利松的钟不具有为确定经度所需要的走时稳定性和精度,甚至在1°范围内。用这只钟只能在两个星期的航行时间内确定半度经度的精度,而且要在一定的条件下,即温度要高于冰点。
琼•加利松为得到他所应得到的奖赏表现得十分顽强。詹姆斯•库克携带他的航海钟在公元1772年~1775年乘“Резольюшен”号船航行时,钟指示的经度精度达到了国会的要求。加利松去世之前不久,终于得到了全部奖金。
从现代的观点来评价加利松所取得的成就,不得不承认,他的所有发明,只有在上条时使钟不停走的双棘轮机构,至今还保留着自己的意义外,其余的发明(“草螽”擒纵机构、在中间联结摆轮的双金属快慢针、木质卡瓦和齿轮、为获得等时性的马鞍形装置、减小摩擦和排除使用润滑必需性的装置、最后是稳定装置)现在只有它的历史意义了。然而,他在精密计时方面的功劳是伟大的。从本质上来说,加利松实际地解决了当时所有的问题,这些问题又成为他的年轻的同代人,以后又是继承者专门研究的对象。他们都集中自己的注意力研究摆轮—游丝系统振动的等时性和稳定性、减小钟机构运动链的摩擦、摆轮—游丝系统的温度补偿等等,只是在加利松和皮叶尔•列鲁阿的继承者完全成功地解决了精密计时的这些问题之后,制造了我们今天的精密计时器才成为可能。
优秀的钟表专家拉尔库姆•肯达尔(公元1721~1795年)和托马斯•缪支(公元1735~1794年)在完善航海钟设计时,没有离开加利松№4钟的设计原理,他们仅限于在加利松钟的结构上增加或减少一些东西,肯达尔想尽力取消加利松钟机构的一部分和简化它的装置;缪支却相反,力图增加复杂和完善的零件,以使№4航海钟的走时精度能进一步提高。尽管所有的努力,以及他们在完善航海钟事业中所有的劳动成果,都不能与他们的同代人,如列鲁阿、别尔特、阿尔诺尔德和伊伦沙乌的成就相比。
肯达尔根据经度局给他的任务制造了加利松№4钟的复制品,它以肯达尔K-1钟而著称。制造了这只钟用了三年时间,于公元1769年完成了复制品的制造。在钟上刻有“Larcum Kendall 1769”的铭文。
经度局曾扩大航海钟的生产感兴趣,自然想知道,除了肯达尔外,其他钟表匠能否制造加利松№4钟。就这个问题也曾问过肯达尔,他回答说,大量生产加利松的钟不容易的,因为需要若干年时间的劳动和大量资金,要200英镑。
根据肯达尔的意见,№4钟的设计在生产之前应当简化。接受这个意见之后,经度局建议肯达尔制造简化结构的航海钟,他可以取消加利松航海钟的任何非本质部分。肯达尔于公元1772年完成了这个任务,制造了K-2航海钟。第三只钟(K-3)完成于公元1774年。为制造K-2钟,经度局给了肯<
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