（苏）B.H.∏ИПyЬIрOB著  张遐龄 译

航海钟和精密计时器的发明（续2）

皮叶尔•列鲁阿（公元1717 年~1785 年）在自己实验工作的基础上完全科学地确定了真正能够保证游丝振动等时性的条件，建立了开口双金属补偿摆轮结构的作用原理，发明了自由式擒纵机掏或擒纵调速器，在完善的基础上制造了天文钟式擒纵机构。

对于列鲁阿献给留多维克十五的钟，高乌尔德给予了很高的称赞：“这只制品——他写到——作为伟大的钟表专家之一，使他的名字流芳百世，有如他活在世上一样。”

在对皮叶尔•列鲁阿的这些评述里，对于他是一位真正天才的钟表专家这一点是毫无争论的，他以自己的劳动和发明奠定了研究现代天文钟设计的坚实基础，但还应说明，在自己创造性的活动中，皮叶尔•列鲁阿曾紧密地同制造准确的天文钟领域里的所有传统联系着。这些钟在法国，从亨利•修里时代起成长起来的，而这些钟的继承者是日尤尔恩•列鲁阿一一卓越的法国钟表专家，皮叶尔•列鲁阿的父亲。在制造准确的游丝摆钟方面，皮叶尔•列鲁阿是父亲的光荣继承者。那时，对完善测量时间的手段，不止一个钟表匠感兴趣，这个问题也是巴黎科学院注意的中心。公元1745年，科学院为"无论是在白天还是在黄昏，特别是在夜里，当水平线看不见的时候，在海上找到时间的最好方法"宣布了奖金。与此相联系的丹尼尔•别尔努里（Даниил БернУлли，公元1700---1782年）写了《关于比较好的方法测量海上时间问题的力学和天文学的研究》的论文。巴黎科学院为这篇论文给别尔努里颁发了奖金。作者以丰富的知识证明，研究制造准确钟的特殊意义和可能性。按他的意见，用天文方法确定时间非常紧密地同使用精密仪器联系着。

应叶尔•列鲁阿仔细地研究了一段时间别尔努里的论文，他从别尔努里那里得到的指点是，为了保证摆轮的走时稳定性，首先对摆轮要进行乎衡，即沿所有轮缘截面材从它的两边要遵守“重量等式”，使摆轮重心与摆轴轴心重合。列鲁阿利用了别尔努里谈到的思想，即关于应用"两根反向安装的游丝"的必需性。列鲁阿对别尔努里一些意见进行了批评，表示不能同意，当他没有足够基础就怀疑得到了经验证明的科学论断，例如，温度的变化引起了游丝弹力的变化。

不容置疑，别尔努里的论文推动了列鲁阿的创造思想，巴黎科学院对于接近涉及的题目宣布了奖金，支持了他制造准确钟的希望。费尔吉南德•别尔图也是促进他的一个补充因素。因此，高乌尔德证明，列鲁阿所有的都由自己负责，没有任何前辈和同时代人建议的活动。

应用游丝来调整钟走时的思想属于虎克和惠更斯，但列鲁阿发现了得到等时游丝的办法。他用实验方法确立了："任何游丝都存在己知长度，对于这个长度，所有的振动，大的和小的，将有一样的时间，……当减小或增加游丝的这个长度，振动将成为非等时的。"这样，借助于一定长度的游丝，可以使摆轮振动延续时间完全与它的振幅无关。

列鲁阿等时化的方法，实际上归结为：选择这样的平游丝，使其误差能够补偿所有的摆轮振动周期的误差，以这样的方法来补偿等时误差。列鲁阿是这样地深信自己等时化方法的无误差性，以至于在制造自己的航海钟时没有应用塔轮。

列鲁阿建议的等时规则，得到了理论上的证明。

吸引住列鲁阿注意力的另一个问题，是摆轮的温度补偿问题。公元1761 年，列鲁阿设想了双金属开口摆轮（图1）。轮缘是由钢和黄铜组成，用铆钉连结在一起。在两个直径相对位置上，轮缘这样开口：得到两对一样的弧，就象现代的积分摆轮.由于黄铜部分和钢部分连结的不完善，致使列鲁阿摆轮轮缘变形不均匀，破坏了钟的走时.列鲁问又研制了另外的补偿装置，是建立在应用水银温度计原理的基础上的（图2) 。在围绕轴转动的摆轮1上安装两个折弯的玻璃管2 ，其中的每一个端部是一个空球3，两个球相对地放置。管轴、摆轮轴和球心在一个平面上。球里注满乙醇，管里灌入水银。当温度上升和引起摆轮直径增加时，乙醇膨胀，从摆轮圆周向它的中心转动水银部分；相反，在温度降低和摆轮直径减小时，球里的水银收缩，水银部分从中心流向圆周。为了保证这个补偿装置的效用，必须：1）选择相应容积的球; 2) 管子带球的端部，有可能接近或离开摆轮中心; 3 )利用更为浓的乙障。

列鲁阿带有补偿装置的摆轮，直径108毫米，振幅可到120°。现代的天文钟，摆轮直径小些，摆幅能达到300°。或更大些。

列鲁阿想到了事先运用计算温度变化对天文钟走时精度的影响和修正它的可能性.公元1754年，提交给巴黎科学院的题目为"适于海上用钟的论述"的文章里，关于这一点写到：“根据温度计的指示，制订出对应于温度上升和下降1°钟走时快慢数值表。当钟走时误差是已知的，而已知的误差已经不是误差。这之后，应该只要求，每次上条时，值班军官记录温度计的指示。”

在钟表史上有着巨大进步意义的列鲁阿的第三个思想，是关于制造自由式擒纵机构的思想，这个思想在公元1748年第一只新设计的钟里实现了。

列鲁阿和科学院委员们卡缪斯（Камюс) 和杰•富希（Де фуши）在他们报告中这样表述了自由式擒纵机掏：“列鲁阿擒纵机构的基本优点在于，由游丝调整的摆轮，在自己的反行程中是自由的和不承受擒纵轮引起的任何摩擦。”

列鲁阿航海钟里利用了两根相对放置的游丝，用试验的办法这样来选择它们的长度：使它们能够保证摆轮——游丝的等时振动；在钟上条后的24小时过程中，钟的走时是稳定的。这样选择的游丝长度，甚至在没有塔轮和中间发条的情况了，都可以保证摆轮一游丝的等时振动。

在这个天文钟里应用的擒纵机构，与上述的列鲁阿双联式擒纵机构有着本质上的区别。应用在列鲁阿航海钟的擒纵机构(公元1776年) ，展示在图3。E——擒纵轮，其形状类似链轮，有6个长的沿射线方向排列的臂，其中每一个的端部都是齿。齿能接触和静止在叉子A 的卡瓦p上，或在卡瓦p′上。叉子可以围绕轴H 转动，在这个轴上刚性地装有臂cc''，其放置是时而高于、时而低于摆轮轮缘。在轮缘上，最近一边放置有套圈rrr ，最远的一边是同样的套圈000，以虚线表示。

如图3 所示，擒纵轮齿1静止在卡瓦p上，这时摆轮顺时针完成自由振动。当套圈rrr 端部同臂c''相遇时，使这个臂偏转，之后，叉子A很容易绕轴N转动，并释放齿1。这之后，齿2又落在冲瓦1上，传冲给摆轮（转动一定角度，使臂c 成为自由的）。齿1然后被卡瓦p''锁住，p''借助于自己的特殊装置在与擒纵轮换触时牵引在擒纵轮之下，这时臂c''与套圈rrr不接触，摆轮结束摆幅（转动约100°角)，开始返回振动。

套圈000端部现在可能遇到臂c，作用在叉子上，结果使齿1脱开接触，擒纵轮转动，齿2落在卡瓦p上，p将在擒纵轮齿下边牵开。这时，第二个臂c'' 将不与套圈000接触。在结束摆幅摆轮返回时，擒纵调王军器工作循环将重复。

在列鲁阿擒纵机构中，从擒纵轮传冲给摆轮，是直接传在摆轮轮缘上，而且在全振动过程中是一次。在传冲之后，擒纵轮静止在卡瓦上，众所周知，卡瓦是单独地固定的，不与擒纵轮和摆轮在一起。在传冲和释放之间，擒纵轮不能够给摆轮传递制动力矩。这时，摆轮运动完全是自由的，只有摩擦力和游丝的弹力作用。冲量是在接近平衡位置时传递的，对摆轮振动周期影响不大。可以认为，列鲁阿的自由式擒纵机构是单向传冲擒纵机构的始祖，至今仍在天文钟里应用。

列鲁阿航海钟的传动机构，是由四对齿轮和齿轴组成（图3)。列鲁阿拒绝在条盒轮传动上应用塔轮和上条不停走的措施。游丝是由两个半圈组成。指针机构简化了，在中心轮轴上的齿轴直接驱动时轮。根据当时的情况来看，列鲁阿航海钟擒纵机构的指标，已经是足够高了，日误差不超过32 秒钟。

把列鲁阿航海钟的机械装置同加利松钟№4比较一下，可以证实，列鲁阿作为钟表专家相当地高于加利松。加利松的钟与那时一般怀表的区别仅在于，他成功地应用了冲量稳定器、上条时钟走时不停的装置、卡瓦和其他消除一般钟表擒纵机构缺陷的手段。列鲁阿消除一般钟表擒纵机构所有的缺陷，是由于航海钟的设计实现在新的作用原理的基础上，而这个作用原理完全是他科学的研究成果。形象地说，加利松是在砂子上建筑房子，而列鲁阿——在坚实的基础上。公元1766年列鲁阿钟的设计对精密计时以后的进步产生了决定性的影响。众所周知，应用在所有现代天文钟的天文钟式擒纵机构，在列鲁阿自由式擒纵机构完善的基础上，又得到了自己的发展。关于摆轮一游丝系统振动等时化方法，列鲁阿建议的双金属开口摆轮，对于精密计时的发展有着巨大的意义。

图3 给出了全部调整装置，即带有双游丝和以前阐述过的水银温度计形式的补偿装置。摆轮直径为10厘米，它的轴的两端在抗摩擦导架上转动。

费尔吉南德•别尔图（公元1727~1807年）瑞士钟表专家，但一生的大部分时间是生活在巴黎。他作为发明者表现出很大的智慧，是钟表事业许多产品，首先是航海钟的作者。公元1754~1773年，别尔图设计和制造了11 只航海钟试验样钟。

他设计和制造的天文钟，无论在应用运动力方面，还是在调整装置方面，按其装配来看都是不同的。从制造粗笨的航海钟开始，在它们设计中包含着相当多的缺陷，别尔图逐渐地修正了这些错误，完善了自己的技艺，同时，继承了加利松、列鲁阿和其他天文钟制造者的成就。评价别尔图在制造航海钟的实践功劳时， 应当指出，他早期的设计，无论在思想上，还是在制造方面，都没有达到加利松和列鲁阿设计所固有的技术水平，但别尔图更晚些时候的航海钟设计，已经接近于现代天文钟，这是由于他成功地在完善列鲁阿擒纵机构的基础上，应用了天文钟式擒纵机构。

公元1769年，巴黎科学<