ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

Рис. 200. Устройство для температур­ ной компенсации (ранняя его конст­ рукция)

Рис. 201. Биметаллический термо­ метр, или градусник, примененный Гаррисоном в его третьих и чет­ вертых морских часах

Рис. 202. Циферблат четвертых морских часов Гаррисона

Рис. 203. Спусковой регулятор, примененный в четвертых морских часах

ройства было основано на том же принципе, что и решетчатый маятник Гаррисона. Спусковое устройство было аналогично первым морским часам Гаррисона (спусковому устройству «куз­ нечик») .

Вторые морские часы на море не испытывались, так как Анг­ лия находилась в состоянии войны с Испанией и была опасность, что часы могут попасть в руки неприятеля.

В 1741 г., вскоре после завершения работы над вторыми мор­ скими часами, Гаррисон приступил к изготовлению третьих мор­ ских часов; по неизвестным причинам они были закончены толь­ ко в 1757 г.

Неутомимая и настойчивая работа Гаррисона над усовер­ шенствованием морских часов была высоко оценена Королев­ ским обществом: в 1749 г. он был награжден золотой медалью Каплея, как за особо практически ценное изобретение.

Третьи морские часы Гаррисона сходны с его вторыми часа­ ми по общему устройству, примененного типа спускового меха­ низма и стабилизатора импульса, но различны по способу обес­ печения температурной компенсации системы баланс—спираль и ее изохронизации и по типу балансовой спирали, примененной

вэтих часах.

Втретьих морских часах (часах №3) вместо компенсацион­ ного устройства, основанного на принципе решетчатого маятника, Гаррисон применил устройство, которое следует назвать биме­ таллическим термометром, или градусником (рис. 201). Оно со­ стояло из медной и стальной пластинок, склепанных вместе в нескольких точках. Один конец этой биметаллической пластинки закреплен в колодке, а на ее свободном конце имелось два штиф­ та, предусмотренных для охвата с трением балансовой пружины близ наружной точки ее крепления.

Это компенсационное устройство действует на длину балан­ совой пружины непосредственно: оно укорачивает ее длину при повышении температуры и удлиняет при понижении. Тем самым достигалась компенсация действия изменения температуры на упругость спирали и на ход часов.

Компенсационное устройство Гаррисона вследствие нежела­ тельного механического контакта штифтов со спиралью не по­ лучило большого распространения. Однако сам принцип биме­ таллической компенсации получил всеобщее признание.

Ход третьих часов регулировался двумя большими баланса­ ми и одной спиральной пружиной, имевшей 11/2 витка.

Третьи морские часы Гаррисона никогда на море не были ис­ пытаны. Вместо них он в 1759 г. изготовил четвертые морские часы, которые и принесли ему награду в 20 тыс. фунтов стерлин­ гов. Позже он сделал еще пятые часы, в принципе мало чем от­ личавшиеся от четвертых.

По внешнему виду четвертые морские часы Гаррисона напо­ минают старинные большие карманные часы (рис. 202). Меха­ низм помещался в двух серебряных корпусах диаметром 10,5 см. Циферблат был покрыт белой эмалью; на этом белом фоне имелись украшения, выполненные черным цветом. Часовая и минутная стальные стрелки окрашены в голубой цвет; имелась также центральная секундная стрелка, которая вращалась меж­ ду двумя другими стрелками. Заводились часы через отверстие в обратной стороне внутреннего корпуса.

Морские часы №4 Гаррисона, в отличие от трех его первых

морских часов, не подвешивались на кардоновом подвесе, а во время качки корабля клались на мягкую подушку, и посредст­ вом внешнего корпуса и градуированной дуги их положение мог­ ло регулироваться так, чтобы они были слегка наклонены к го­ ризонтали.

Рассмотрим отдельные части механизма морских часов №4 Гаррисона. У них имелся только один баланс из обычной стали диаметром 5,25 см и весом 285,8 г. Балансовая пружина из отпу­ щенной мягкой стали состояла из трех и более витков. Темпера­ турная компенсация достигалась с помощью того же устройства, что и в часах №3. От применения спуска «кузнечик» Гаррисону пришлось отказаться и заменить его шпиндельным ходом (рис. 203). Палеты были изготовлены из диамита, а не из стали. Зубцы ходового колеса, как и палеты, были меньше зубцов, при­ менявшихся в обычном шпиндельном ходе. Плоскости палет параллельны друг другу, а не перпендикулярны, как в обычном шпиндельном ходе. Вследствие этого отход назад ходового ко­ леса мог быть незначительным.

Действие хода Гаррисона отличалось от действия обычного шпиндельного хода. Если в последнем случае зубцы коронного, или ходового, колеса действуют только на поверхность палет, то в ходе Гаррисона при прохождении дополнительной дуги (от 90 до 145°) кончики зубцов покоятся на задней части палет, имею­ щих очертание циклоидной кривой.

Рис. 204 схематически изображает последовательное действие хода Гар­

круговой дуги, образуемой спинкой каждой палеты, находится на линии, про­ ходящей от центра шпинделя к острию палет. Пунктирная линия 5 есть траек­ тория концов зубцов спускового колеса. В положении I верхний зуб 1 только что освободился от верхней палеты, а нижний готов упасть на острие нижней палеты. Величина этого падения составляет 0,04 мм.

Положение II не следует немедленно за положением I, но показывает положение, напоминающее положение нижнего заштрихованного зуба, только что оставившего нижнюю палету, в то время как зуб 2 готов для отскока к острию, показанному в положении III. Баланс, продолжающий свой размах, прижимает зуб 2 к криволинейной спинке палеты, и он движется вперед к по­ ложению IV; его давление на палету обеспечивает необходимый размах. Ли­ ния 6 показывает положение острия палеты, ограниченное упором, обеспечи­ вающим движение баланса по дуге в 145° от точки равновесия. Из положения IV детали возвращаются к положению III, но при вращении баланса по ча­ совой стрелке зуб дает второй отскок. С этого момента зуб 2 подает импульс, как обычно. Усилие, необходимое для первого главного отскока и для закру­ чивания балансовой пружины, исходит от баланса. Усилие для второго отско­ ка исходит исключительно от пружины баланса. Гаррисон придавал большое значение очертанию спинки палет по кривой в форме циклоиды. На рис. 205 показана окончательная форма этой кривой 0—4.

Рис. 204. Схема, изображающая последовательные действия хода

Рис. 205. Очертания спинки палет по циклоидной кривой

В морских часах №4, как и в часах №2 и 3, применено уст­ ройство для стабилизации импульса с промежуточными пружи­ нами, подзаводящие часы через каждые 71/2 с. С изобретением хронометрового хода вскоре после Гаррисона отпала необходи­ мость в применении стабилизации импульса, на создание которо­ го Гаррисон затратил так много сил и времени.

Для температурной компенсации баланса в часах № 4 было применено такое же устройство, как и в морских часах №3.

После окончания корректировки хода четвертых часов Д. Гаррисон получил распоряжение от Бюро долготы произве­ сти их испытание в соответствии с постановлением парламента. Б путешествие с этим хронометром на Ямайку отправился не сам Гаррисон, а ,его сын Уильям. Он отплыл из Портсмута 18 ноября 1761 г. на корабле «Дептфорд».

После 18-дневного путешествия сказалось различие в опре­ делении долготы по часам Гаррисона с тем, как оно определя­ лось тогда на корабле. По обычным вычислениям корабль дол­

статочным для того, чтобы сделать скороспелый вывод о непри­ годности часов для определения долготы. Вопреки этому Уильям Гаррисон утверждал, что, если Мадера правильно обозначена на карте, она будет видна на следующий день, и на этом он настаи­ вал так упорно, что капитан согласился идти по указанному им курсу, и действительно остров показался на следующий день. Точно так же Уильям Гаррисон, руководствуясь своими часами, предсказывал время, когда судно поравняется со всеми острова­ ми, лежащими на их пути в Ямайку. Когда он прибыл в ПортРойал после 61-дневного путешествия, часы №4 отставали при­ близительно на 9 с [264, 22].

Корабль «Дептфорд» отправился из Ямайки в обратный путь 28 января 1762 г. и прибыл в Портсмут 26 марта 1762 г. Часы №4 за это время отстали на 1 мин 5 с, что соответствовало по­ грешности в 18 миль, которая была намного меньше 30 миль — погрешности, допускавшейся постановлением парламента на получение премии в 20 тыс. фунтов стерлингов. Однако даже успех в испытании на море часов №4 не убедил Бюро долготы в верности их хода и в безусловном преимуществе часов как средства определения долготы перед астрономическими мето­ дами.

Английский король Георг III назначил комиссию для озна­ комления с устройством часов №4. В нее вошло 11 человек. Кроме англичан, туда входили Камус, Берту и Лаланд, пригла­ шенные из Парижской академии наук. После ознакомления с часами члены комиссии предложили ряд рекомендаций, выпол­ нение которых не входило в обязанности Гаррисона по биллю парламента 1714 г.

После удачно проведенного испытания на море часов №4 и ознакомления с их устройством уже не могло быть сомнения в возможности определения долготы с помощью часов, но оста­ валось неясным, насколько он лучше метода определения долго­ ты с помощью «лунных таблиц», одобренных Гринвичской обсер­ ваторией и пользовавшихся большой популярностью среди анг­ лийских астрономов 1. Защитником астрономического метода определения долготы был королевский астроном Невиль Маскелайн, составивший сильную оппозицию Гаррисону.

Ввиду сделанных возражений со стороны членов комиссии и атаки со стороны Маекелайна Гаррисон решился на второе ис­ пытание своих часов на море.

В декабре 1763 г. была организована предварительная про­ верка хода этих часов с участием 12. ученых. Она происходила в доме оптика и астронома Джемса Шорта. Решено было еже­ дневно сравнивать ход часов Гаррисона с ходом астрономиче­ ских маятниковых часов Грагама, установленных в том же доме. Часы Грагама проверялись путем наблюдения за прохождением Солнца в полдень. За восемь дней было констатировано опере­ жение часов №4 на 9,6 с по сравнению с ходом эталонных ча­ сов. Ход часов проверялся также при различных температурах для определения зависимости его от изменения температуры.

ратный путь Гаррисон отправился 4 июня на корабле «Новая Ели­ завета». Он прибыл в Лондон и высадился около дома Шорта 18 июля — через 136 дней после своего отъезда. Часы №4 снова

1Эти таблицы составил геттингский астроном Томас Майер на основе гравита­ ционной теории движения Луны, предложенной Л. Эйлером.

были сравнены с часами Грагама. Последние были только что выверены и установлены на точное время с помощью меридиан­ ной трубы. Ход часов был подсчитан с учетом возможных откло­ нений при проведенных испытаниях и с учетом температуры, за­ писывавшейся ежедневно. Часы показали на 15 с менее среднего солнечного времени. Следовательно, вновь найденное время на четверть минуты расходилось с часами, установленными пять месяцев тому назад. Произведенные Шортом расчеты и сравне­ ния хода часов Грагама с часами №4 показали, что последние за время второго путешествия Уильяма Гарриоона ушли вперед на 54 с. О полученных выводах и положительной оценке часов Гаррисона Шорт в 1763 г. опубликовал брошюру [292], где так­ же приведен ряд собранных им документов о работе Гаррисона над часами.

Результаты второго испытания на море часов №4 оказались вполне удачными, но не привели к исполнению надежды Гарри­ сона на получение награды в 10 тыс. фунтов стерлингов сверх 10 тыс. фунтов, полученных им после первого путешествия на Ямайку.

22 августа 1765 г. Бюро долготы вновь назначило специаль­ ную комиссию в составе семи человек для подробного ознаком­ ления с конструкцией часов №4. В эту комиссию входили такие знаменитые часовщики, как Томас Мюдж, Ларкум Кендаль и др. Гаррисон подробно ознакомил комиссию с конструкцией и технологией изготовления своих часов. Члены комиссии, отметив несомненные достоинства исследуемых часов, добавили требова­ ние, чтобы их конструкция была удобна для изготовления други­ ми часовщиками. Одному из членов комиссии, Кендалю, потом было дано поручение сделать дубликат часов №4 Гаррисона.

Члены комисии после детального ознакомления с устройст­ вом часов № 4 сочли нужным опубликовать брошюру «The Princip­ les of the Harrison's Timekeeper with Plates of the Same» (Lon­ don, 1767). В ней приведены данные об устройстве часов №4, которые были получены комиссией от Гаррисона вместе с неко­ торыми чертежами. После этой публикаций широкие круги заинтересованных могли ознакомиться с устройством часов, уже снискавших большую известность.

Во время плавания правильность хода часов №4 не могла подвергаться ежедневной проверке из-за отсутствия эталонных часов. Поэтому Бюро долготы в мае 1760 г. поручило Маскелайну провести в Гринвичской обсерватории проверку суточного хо­ да часов,

Маскелайн прежде всего организовал проверку изменения су­ точного хода при перемене одного горизонтального положения на другое — циферблатом вверх и циферблатом вниз, а также при наклонении часов на 20° в сторону цифр XII, III, VI и IX. Эти испытания заняли два месяца, после чего часы испытывались в горизонтальном положении с циферблатом вверх в тече­ ние 10 месяцев (с июля 1766 г. по май 1767 г.). За все время

испытаний часы показали уход на 1 ч 10 мин 27,5 с, среднесуточ­ ный уход составил 14,2 с. Нестабильность хода часов № 4 вызы­ валась неудовлетворительной температурной компенсацией и наличием изохронной погрешности. Наибольший уход суточного хода составлял 30 с при температуре 60° по Фаренгейту в верти­ кальном положении. Наибольшее отставание за сутки состав­ ляло 6,5 мин с термометром на точке замерзания и при горизон­ тальном положении часов с циферблатом вверх.

Полный отчет о результатах испытания часов №4 был обна­ родован Бюро долготы с предисловием Нивеля Маскелайна. В нем отмечалось, что часы Гаррисона не обладают той стабиль­ ностью и точностью хода, какая нужна для определения долготы

делена с помощью этих часов только в двухнедельном путешест­ вии и при непременном условии, что температура будет выше точки замерзания. Эти выводы оказались в явном противоречии с результатами испытания хода часов №4 на море во время двух путешествий Уильяма Гаррисона.

Джон Гаррисон настойчиво добивался получения заслужен­ ной им премии. Его морскими часами в 1772—1775 гг. пользовал­ ся Джеймс Кук во время путешествия на корабле «Резольюшен». Они показали долготу с точностью, требуемой парламентом, и Гаррисон незадолго до смерти получил, наконец, полную пре­ мию.

Оценивая достижения Гаррисона с современной точки зре­ ния, приходится признать, что из всех его изобретений только двойной храповой механизм для завода часов на ходу без оста­ новки механизма часов сохранил до сих пор свое значение; все же остальные его изобретения (ход «кузнечик», биметаллический градусник, связанные между собой балансы, его деревянные па­ леты и колеса, седлообразные устройства для получения изохро­ низма, устройства для уменьшения трения и для исключения не­ обходимости применения смазки и, наконец, устройство для ста­ билизации) имеют теперь только историческое значение. И тем не менее его заслуги перед хронометрией исключительно велики. По существу Гаррисон практически решил в рамках своего вре­ мени все те вопросы, которые потом стали предметом особой разработки уже его младшими современниками, а затем и после­ дующими продолжателями. Они сосредоточили свое внимание на разработке вопросов, касающихся изохронизации и стабилиза­ ции колебания системы баланс —спирали, уменьшения трения в кинематической цепи механизма часов, температурной компенса­ ции системы баланс—спирали и т. д. Только после того, как последователям Гаррисона и Пьера Леруа удалось прийти к вполне успешному решению этих проблем хронометрии, стало возможным создавать хронометр наших дней.

конструкции морских часов не отходили далеко от принципа устройства часов № 4 Гаррисона. Они ограничились лишь введе­ нием или изъятием некоторых деталей из часов Гаррисона. Кендаль прилагал старания, чтобы изъять некоторые части из меха­ низма часов Гаррисона и упростить их устройство. Мюдж, нао­ борот, стремился добавить сложные и усовершенствованные детали, чтобы добиться дальнейшего повышения точности хода морских часов №4. Несмотря на все старания, результаты их труда в деле совершенствования устройства морских часов не могут идти в сравнение с достижениями таких их современников, как Леруа, Берту, Арнольд и Ирншау.

Кендаль по заданию Бюро долготы изготовил дубликат часов №4 Гаррисона, которые известны как часы К-1 Кендаля. На вы­ полнение этого задания ушло более трех лет, изготовление дуб­ ликата было закончено в 1769 г. На хронометре была выграви­ рована надпись: «Larcum Kendall 1769».

Бюро долготы было заинтересовано в расширении производ­ ства морских часов и, естественно, хотело знать: смогут ли из­ готовлять часы №4 Гаррисона другие часовщики, кроме Кенда­ ля? Этот вопрос и был задан Кендалю, который ответил, что часы Гаррисона малодоступны для широкого изготовления, по­ тому что на это требуется несколько лет труда и большие сред­ ства, достигающие 200 фунтов стерлингов.

По мнению Кендаля, конструкция часов №4 до начала их производства должна быть упрощена. Бюро долготы, приняв это во внимание, предложило Кендалю изготовить морские часы уп­ рощенной конструкции, предоставив ему возможность изъять лю­ бые несущественные части из морских часов Гаррисона. Во ис­ полнение этого задания Кендаль изготовил морские часы К-2, которые закончил в 1772 г. Третьи часы (К-3) были им законче­ ны в 1774 г. За изготовление часов К-2 Бюро долготы выдало Кендалю 200 фунтов стерлингов, а за изготовление часов К-3 — 100 фунтов стерлингов.

Часы К-2 практически представляли собой больше карман­ ные часы обычного образца. Они имели шпиндельный ход с ру­ биновыми палетами. Подзавод с промежуточными пружинами отсутствовал, но было сохранено компенсационное устройство и храповой механизм для обеспечения завода часов без остановки механизма (или на ходу), которые имелись в часах №4 Гарри­ сона.

Конструкция часов К-3 мало чем отличалась от часов К-2; отличие было лишь в устройстве спускового механизма: имелось не одно, а два коронных колеса на общей оси; их зубцы сцепля­ лись с единственными рубиновыми палетами, расположенными между ними. Три маленьких циферблата показывали часы, ми­ нуты и секунды.

По своему достоинству часы К-2 и К-3 безусловно уступали часам К-1. Все они были испытаны во время продолжительного океанического плавания и дали неплохие результаты.

Часы К-1 после испытания в Гринвиче были взяты в плава­ ние капитаном Куком на корабль «Резольюшен». Это было вто­ рое из трех путешествий Кука, когда он совершил кругосветное плавание вокруг южнополярной области и пересек антарктиче­ ский круг с его мертвой зыбью, либо с неистовыми штормами, тропической жарой или лютым холодом. Испытание морских часов проходило, следовательно, в весьма суровых условиях, и тем не менее часы выдерживали испытания. Кук оставался до­ волен их ходом в течение всех трех лет плавания.

Был отмечен лишь один их недостаток — они несколько спе­ шили, но всегда с известным постоянством. Часы К-1 были испытаны на борту корабля во время северной полярной экспе­ диции, а затем использовались в течение нескольких лет на севе- ро-американских станциях. «Либо Кендаль,— пишет Гоулд,— был обескуражен своей неспособностью превзойти Гаррисона, либо тем фактом, что Бюро долготы цены на его часы уменьшало прямо в геометрической прогрессии; я не могу сказать, но он дос­ тиг успехов не более Гаррисона» [129, 74].

В 1765 г. Т. Мюдж был приглашен в члены комиссии, назна­ ченной Бюро долготы для составления доклада о механизме ча­ сов №4 Гаррисона. С согласия Королевского общества он опуб­ ликовал небольшой трактат, содержащий важнейшие данные об устройстве часов Гаррисона наряду с некоторыми собственными идеями о возможных дальнейших усовершенствованиях хрономет­ ра. Здесь, в частности, уже была высказана хотя еще и не вполне зрелая мысль о создании хода с постоянной силой. Этот неболь­ шой трактат давал возможность часовщикам ознакомиться с деталями устройства столь нашумевших часов Гаррисона.

Участие в экспертизе часов № 4 стало поворотным пунктом в жизни Мюджа; с этого времени он все свое внимание обра­ щает на усовершенствование морских часов. Он решил изгото­ вить часы более совершенные, чем часы Гаррисона, движимый к этому отчасти наградой в сумме 10 или 15 тыс. фунтов стер­ лингов, объявленной Королевским актом, но еще никем не по­ лученной.

В 1771 г., передав дела компаньону, Мюдж переселяется из Лондона в Плимут, чтобы всецело отдаться экспериментальным исследованиям по созданию хронометра и быть ближе к брату, известному физику. Первый свой хронометр Мюдж закончил в 1774 г.—в тот самый год, когда, против всякого ожидания, бы­ ла отменена награда в 15 тыс. фунтов стерлингов, а условия для получения награды в 10 тыс. фунтов стерлингов были сделаны еще более жесткими.

Морские часы Мюджа по устройству превосходили часы № 4 Гаррисона. Завод часов № 4 однодневный, а у часов Мюджа —- восьмидневный. Часы № 4 имели единственную балансовую пружину и биметаллический градусник, Мюдж установил две балансовые пружины и два биметаллических градусника. Вспо­ могательный подзавод в часах Гаррисона заводил промежуточ-

Рис. 206. Ход с постоян­ ной силой, примененный в морских часах Мюджа

ную пружину 8 раз в минуту, а в часах Мюджа заводились две промежуточные пружины, каждая из них—150 раз в минуту. Наконец, выполнение и отделка механизма часов № 4 была хо­ рошая, а у Мюджа — превосходная.

Не подлежит сомнению, что Мюдж, создавая свои морские часы, находился под влиянием Гаррисона, с часами которого он имел благоприятный случай ознакомиться в 1765 г. Как и в ча­ сах Гаррисона, у Мюджа имелся приводной барабан с фузеей и с устройством для завода механизма без останова его на ходу. Оригинальным в часах Мюджа был лишь спусковой механизм, который теоретически можно признать совершенным, но в ши­ рокой практике трудным для применения ввиду сложности устройства.

Спусковое устройство показано на рис. 206. Базой для его конструирова­ ния явился обычный шпиндельный ход, но он был применен так, что передача движения балансу от него происходила не прямо, а при посредстве двух про­ межуточных маленьких специальных пружинок. Составные части этого хода следующие: А — баланс; В — ось баланса, которая имеет вид согнутого коле­ на, чтобы она могла освобождать ход; она уравновешена противовесом W. Части согнутого колена несут два штифта Р и Р', установленные в стоячем положении на двух радиальных плечах r и r', выступающих горизонтально от двух осей, которые независимо вращаются на своих осях, расположенных на одной осевой линии с балансом, и к которым кольцами прикреплены внутрен­ ние концы промежуточных пружин для подзавода, а внешние концы присоеди­ нены к штифтам. Оси 5S' несут также две палеты р и р'. Действующие по­ верхности этих палет были сделаны из кремня; позже они были заменены ру­ бинами. С — коронное колесо.