Gps xviii века: морские хронометры
- До появления морских хронометров первооткрыватели не знали, как опять найти среди морей собственные великие находки
Их история, насчитывающая более трех столетий, полна тайн, интриг и страстей. В эру борьбы за морское господство мастерство их создания было среди самых оберегаемых национальных тайн, а кабинеты министров сулили часовщикам огромные деньги за изобретение самые совершенных устройств.
Полцарства за
Блуждая, к примеру, в горах либо по лесу, возможно подметить выдающиеся валуны либо деревья и обрисовать собственный путь от ориентира к ориентиру. Море же коварно стирает волнами след корабля, и, появлявшись среди водного пространства, остается поручить собственную судьбу только звёздам и Солнцу.
Так, фактически, и поступали древние мореплаватели, определяя направление собственного перемещения с севера на юг и напротив, и широту места, где был их корабль. Они знали, что Почва вращается, а Полярная звезда, в отличие от вторых светил, неподвижна на небосклоне. Они ведали, что отправившись к южному горизонту, достигнешь жарких государств.
Опыт научил их, что оставшееся до цели расстояние возможно приблизительно выяснить, измерив угол между горизонтом и Полярной звездой.
Сложнее было разбираться с плаванием на запад и обратно. Вращение Почвы все время «сдвигает» звезды (за час отечественная планета поворачивается на 15 градусов), и в этом случае они становятся нехорошим ориентиром.
В 1514 году нюрнбергский ученый Иоганн Вернер создал способ определения долготы, основанный на наблюдении за перемещением Луны, а Галилео Галилей в 1616 году — способ вычислений на основании положения спутников Юпитера. Но и то и другое потребовало оснащения корабля телескопом, таблицами и специальными инструментами. В море же обычно выходили «авантюристы и флибустьеры», не подготовленные к столь важным изучениям.
В 1510 году испанец Санто Крус внес предложение несложной и дешёвый метод определения географических координат корабля в море: забрав за точку отсчета какое-либо место на Земле (к примеру, на данный момент таковой точкой считается британский Гринвич) и имея весьма правильные часы, вести расчеты, принимая к сведенью время в исходной точке и местное время. Умноженная на 15 отличие между ними именно и равна долготе.
Но нужны были правильные часы, талантливые трудиться в своеобразных условиях качки, перепадов температуры, давления, влажности и различной на различных широтах силы тяжести. Так как стоит пребывающим на экваторе часам поспешить либо опоздать всего на одну секунду, и расчеты долготы корабля дадут неточность в 400 м.
Практически три века лучшие умы человечества трудились над совершенствованием и созданием часов для мореплавателей. Наряду с этим двигала ими не только пытливость. Большую роль сыграло «материальное стимулирование». Морские державы не желали больше терпеть огромные утраты из-за не сильный развития штурманского дела (за 1707 год Англия утратила четыре корабля и около двух тысяч людей).
И в 1714 году английский парламент заявил приз для создателя устройства, которое имело возможность бы определять долготу судна в любой точке Почвы с точностью в полградуса. Большая сумма (за точность в полградуса при плавании из Англии в Индию) была предложена фантастическая, как по тем, так и по нынешним временам, — 20 тыс. фунтов (около двух миллионов сегодняшних долларов).
Интриги английского двора
Тысячи часовых мастеров начали борьбу за надёжность и точность часов, талантливых трудиться на корабле. Наиболее целеустремленным и терпеливым был британский мастер Джон Харрисон. Сначала он был плотником, но после этого увлекся конструированием и починкой часов и более сорока лет дал разработке морских хронометров.
Но ему, создателю четырех моделей, ставших прообразом морского хронометра, было нужно много пережить до 1773 года, в то время, когда по окончании его жалобы самому королю Георгу III правительство Великобитании решилось расстаться с обещанными деньгами.
К 1735 году мастер представил Королевскому обществу собственный первый опыт — неповторимые по конструкции, но огромные и тяжелые (более 35 кг) часы. Распознав при опробованиях 150-мильную неточность в определении положения судна, они все же не соответствовали одному из условий конкурса — «практичности».
Через четыре года Джон Харрисон представил более усовершенствованную (но и более тяжелую) модель, опробованиям которой помешала Семилетняя война. А во второй половине 50-ых годов XVIII века жюри конкурса потребовало, дабы хронометр был небольшим по весу и размерам.
Изобретатель справился и с этим. Новая модель была всего 12 см в диаметре. Возможно, он уже слышал звон монет, от получения которых его отделяли лишь морские опробования на маршруте Портсмут (Англия) — Порт-Ройал (Ямайка).
Но повреждения хронометра, вызванные ожесточённым штормом на обратном пути, стали предлогом отказать в выдаче вознаграждения, не смотря на то, что по пути на Ямайку прибор дал погрешность всего в одну 60 секунд пять секунд, что соответствовало 18милям (условия конкурса потребовали не более тридцати).
Обстоятельством же было то, что в состав громадного жюри входили кое-какие соперники Харрисона, сохранявшие надежду применять задержку выплаты для завершения собственных работ. Но отказать ему в повторных опробованиях они не смогли. И пятимесячное путешествие, за время которого часы совершили ошибку лишь на 15 секунд, подтвердило приоритет Харрисона.
И все же пригодилось еще девять лет обивания бюрократических порогов и еще одна модель хронометра, выполненная мастером в 78 лет, перед тем как «приз отыскала храбреца». А учёные и мореплаватели поверили в способ перевозки часов для определения географической долготы.
Пружинка против маятника
К началу XVI столетия показались механические часы, показывавшие не только время, но и фазы Луны, положение планет и звезд, руководившие перемещениями сложных фигур. Вот лишь точность часов оставалась фактически той же, что и за 500 лет до того — ±30 мин. в день. А для определения долготы необходимы были устройства, неточность которых не должна была быть больше десятых долей секунды в день.
Отчего же первые механические часы давали столь неправильные показания? Все дело в конструкции устройства, несущего ответственность за точность, в современных часах именуемого осциллятором. В природных «часах» точность задает сама Почва, равномерно вращающаяся около собственной оси.
Отражением этого перемещения есть изменение положения тени (солнечные часы) либо звезд на небосводе (звездные часы). В произвольных вторых часах задатчик точности нужно создать человеку. Но для того чтобы совершенного устройства не было впредь до XVII века.
Переворот совершили два известных ученых — Галилео Галилей и Христиан Гюйгенс, открывшие законы колебания маятника и создавшие независимо друг от друга первые маятниковые часы.
Период колебания маятника зависит лишь от его длины. Все остальные параметры, масса, материал (сталь, дерево, стекло, камень и т. д.), не воздействуют на равномерность перемещения. Галилей доказал законы маятника экспериментально, Гюйгенс же дал математическое обоснование.
Но и изобретение маятника, и применение гиревого двигателя не помогли создать хронометр. Как ни старался Гюйгенс сделать морские часы с таким механизмом, ничего не получалось: в штиль они еще трудились, но при мельчайшем беспокойстве останавливались. Необходимы были второй другой двигатель и задатчик точности.
Во второй половине XVII столетия закипели страсти около основополагающего открытия, разрешившего наконец создать осциллятор, талантливый трудиться в море, в карете либо в кармане. В 1675 году Гюйгенс создал первые часы с колебательной совокупностью «баланс — спираль».
Баланс представляет собой маховое колесо, снабженное достаточно долгой спиральной пружиной — «волоском». Пружина информирует балансу изохронные колебания (колебания, частота которых не зависит от амплитуды). Волосок прикреплен одним финишем к оси баланса, вторым — к стойке, соединенной с корпусом часов.
В то время, когда баланс выводится из положения равновесия, то под действием упругости волоска он начинает колебаться вправо и влево около собственной оси — подобно тому, как колеблется маятник под действием силы тяжести.
Но колебательная совокупность «баланс — спираль», так же как и мaятник, подвержена влиянию температуры. К примеру, при трансформации температуры изменится размеры баланса и длина спирали, соответственно, и точность колебаний часов и частота баланса.
Первым постарался устранить влияние температуры на ход часов Джон Харрисон. К волоску баланса он присоединил решетку, складывающуюся из четырех маленьких латунных и двух долгих металлических стержней. При трансформации температуры металлические и латунные прутки сжимаются либо удлиняются в противоположных направлениях, и неспециализированная протяженность волоска остается постоянной.
А французский конструктор Пьер Леруа создал баланс, складывающийся из двух неполных полуколец, каждое из которых спаяно из двух полос — наружной латунной и внутренней металлической — с маленькими грузиками на финишах. При повышении температуры латунная полоса, расширяясь посильнее стальной, загибается вовнутрь и приближает грузик к оси баланса, что ведет к уменьшению момента инерции.
Улитка, кузнечик, два баланса
Если не подталкивать баланс, он в итоге остановится. Но кроме того в случае если подталкивать (что совершает пружина), то он движется колебательно, а часовой механизм — вращательно. Исходя из этого между балансом и последней, самой быстровращающейся, осью механизма имеется «посредник» — движение, либо спуск.
Его роль содержится в сообщении часовому механизму верного, через строго определенные промежутки времени повторяющегося, перемещения и в поддержании колебания самого баланса. Имеется хода, именуемые несвободными, в которых баланс в течение практически всего времени колебания находится в контакте с ходовым колесом. В этом случае из-за трения зубца ходового колеса о движущуюся часть баланса правильность колебаний последнего нарушается. Но имеется и целый класс так называемых свободных ходов.
В них баланс сцепляется с ходовым колесом только чтобы высвободить часовой механизм для поворота на определенный угол и дабы, со своей стороны, получить от ходового колеса импульс для поддержания амплитуды на определенной величине.
Самый вольный из созданных для переносных устройств времени — хронометровый движение. Он передает импульс балансу один раз за полный период его колебания.
В отличие от гиревого механизма, создающего равномерный крутящий момент, момент пружины изменяется: в заведенном состоянии он громаднейший, в раскрученном — мельчайший. И именно эта особенность механизма продолжительно являлась причиной происхождения погрешности: дневная отличие в десять колебаний балансного колеса уже ведет к расхождению с правильным временем в две секунды.
Проблему постоянства момента заводной пружины удалось решить еще на заре хронометрии. Для выравнивания крутящего момента пружины была изобретена фузея (время от времени ее именуют «улиткой»): чертежи пружинного двигателя с фузеей видятся в трудах итальянских конструкторов XV века, среди них и Леонардо да Винчи.
Как же устроена фузея? На основной шестеренке часового механизма закреплен конус с зубчатыми, расположенными по спирали «ступенями». На зубцы «ступеней» конуса навита цепь, которая одним финишем крепится к его основанию, а вторым — к внешней поверхности барабана, в котором находится пружина часов. В то время, когда пружина всецело заведена, цепь намотана на конус и фузею оказывает большое сопротивление вращению за счет силы трения.
В то время, когда же пружина разворачивается, цепь перематывается на усилие и барабан пружины, нужное для поворота конуса, значительно уменьшается. При верно вычисленном конусе это поддерживает однообразный момент как заведенной, так и раскрутившейся пружины, соответственно, высокую точность хода.
Пробовал Харрисон уменьшить воздействие на ход часов перемещения корабля, качки. В собственных первых морских часах 1735 года он применял два баланса, соединенных между собой фрикционной передачей. Они имели возможность колебаться в противоположных направлениях, и так достигалось большое уменьшение погрешностей, вызванных перемещением корабля.
Еще одно новшество пребывало в следующем. В большинстве случаев при заводе часы останавливались, и это приводило к потере точности. Изобретатель ввел в потребление устройство с двойным храповым механизмом для поддержания хода часов на протяжении завода ходовой пружины.
С того времени прошло много лет. На смену механическим часам пришли кварцевые а также ядерные. Показались спутниковые совокупности определения положения судов.
Но и сейчас, не обращая внимания на множество современных способов передачи сигналов времени на расстояние, каждое судно имеет на борту морской хронометр — эталон времени, слабо отличается от подобных устройств XIX века.
Джон Харрисон
- Джон Харрисон
Компенсатор силы заводной пружины «Улитка» 1. Барабан пружины 2. Завиток 3. Струна, цепочка 4. Пружина завитка 5. Рычаг завитка 6. Палец завитка
Появившийся в первой половине 90-ых годов XVII века Джон Харрисон был провинциальным плотником, но, как и его брат Джеймс, интересовался часами. Особенно большое количество внимания братья уделяли проблемам точности, и во второй половине 20-ых годов XVIII века им удалось сделать несколько механизмов, каковые отставали не более чем на секунду в месяц. Необходимо подчернуть, что часы братьев Харрисонов были по большей части древесными, а приступив к созданию морского хронометра, Джон заключил , что для повышения прочности их нужно будет делать из бронзы.
Потому, что это очень сильно удорожало проект, он обратился в конкурсную рабочую группу по созданию хронометра за денежной помощью, и ему удалось убедить одного из участников, что представил изобретателя-самоучку известному научному филантропу Джорджу Грэму. Тот, убедившись в возможностях Харрисона как знающего часового и умелого механика мастера, выделил личные средства на постройку
и разработку хронометра.
Христиан Гюйгенс
- Христиан Гюйгенс
Морские часы Гюйгенса со циклоидальным маятником и стабилизатором импульса 1. Гиря, передающая импульс ходовому колесу. 2. Гиря для натяжения цепи.
3. Стопорный рычаг. 4. Стопорное колесо. 5. Храповое колесо. 6. Секундное колесо. 7. Ходовое колесо. 8. Нить, по которой смогут перемещаться вверх и вниз грузики (9), дабы изменять приведенную длину маятника.10. Циклоидальные щеки.
11. Линза маятника
Голландский физик, механик, астроном и математик Христиан Гюйгенс (16291695) известен как один из изобретателей маятниковых часов. Долгое время он изучил теоретические неприятности механики, которые связаны с работой и созданием часов. Гюйгенс пробовал сконструировать на базе маятниковых часов с гиревым двигателем прибор времени для мореплавателей и в первой половине 60-ых годов XVII века представил пример на суд научной общественности.
Результаты его опробований на судах были плачевны. На протяжении штиля часы давали хорошие показания, но опыты в открытом океане распознали полную непригодность маятниковых часов для определения долготы.
Кстати
САМЫМ ИЗВЕСТНЫМ ХРОНОМЕТРОМ, созданным по окончании «морских часов» Харрисона, был механизм Ларкама Кендалла. Ему, главному английскому часовых дел мастеру, поручили сделать для опробования в Гринвичской обсерватории копию четвертой модели часов Харрисона. Данный хронометр был испытан на протяжении второго путешествия капитана Кука, и за три года плавания в Атлантике отклонение дневного хода ни при каких обстоятельствах не превышало восьми секунд (две морские мили на экваторе).
Кук писал с мыса Хорошей Надежды: «Часы мистера Кендалла превысили ожидания кроме того самых рьяных их защитников. Данный инструмент, показания которого корректировались по лунным наблюдениям, являлся отечественным верным проводником через все превратности и климаты». Хронометр Кендалла хранится в Национальном морском музее в Гринвиче.
В НАЧАЛЕ XIX ВЕКА В Российской Федерации хронометры стали использовать не только на море, но и на суше. В 1843 и 1844 годах Пулковская обсерватория проводила определение собственной долготы относительно Гринвича. В экспедиции применяли 81 хронометр, из которых только семь принадлежали обсерватории.
Остальные были предоставлены русскими и частными и иностранными учреждениями лицами — к примеру, адмиралом Крузенштерном и князем Константином.
Во второй половине 70-ых годов XX века палубные часы и морские хронометры Первого столичного часового завода с честью выдержали опробование, совершив поход к Северному полюсу на атомоходе «Арктика».
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№13, ноябрь 2003).
<
h4>