Джон Гаррисон (1693—1766) родился возле Йоркшира в семье плотника, который, возможно, занимался также и ремонтом часов. В 1700 г. он переехал в Барроу (Ланкашир). Д. Гаррисон обучался профессии отца, но рано проявил склонность к механике. Когда ему исполнилось 22 года, он изготовил часы с деревянными деталями. В 1726 г. он изобрел так называемый решетчатый маятник для температурной компенсации.

Когда Гаррисон узнал о высоких премиях за разработку методов, пригодных для определения долготы, то перспектива по лучения награды увлекла его. Он проникся стремлением изготовить часы, которые могли бы соответствовать поставленному условию. В 1726 г. он отправился в Лондон, чтобы более точно узнать условия получения награды и добиться необходимой де нежной помощи для осуществления своего замысла. Директор Гринвичской обсерватории Эдмунд Галлей, к которому Гаррисон обратился, отказал в денежной помощи, но порекомендовал обратиться к Георгу Грагаму. Последний предоставил в распоряжение Гаррисона денежное пособие, необходимое для создания первого образца часов.

Рис. 197. Самая ранняя конструкция морских часов Гаррисона 1735 г.

Рис. 198. Спусковое устройство под названием «кузнечик», примененное Гаррисоном в трех его морских часах

В 1728 г. он снова прибыл в Лондон с изобретенным им «решетчатым» компенсационным маятником и спуском особого устройства, чтобы продемонстрировать их в Бюро долготы. Ознакомившись с этими изобретениями, Грагам посоветовал Гаррисону не торопиться с представлением их на рассмотрение Бюро дол готы до окончательного изготовления самих часов и предвари тельного испытания их хода.

После возвращения в Барроу из Лондона Гаррисон с еще большей энергией продолжил опыты по созданию часов. При этом он стремился уменьшить действие на ход часов движения корабля и изобрести устройство, обеспечивающее завод часов на ходу, без перерыва действия механизма. Опыты продолжались до 1735 г., когда Гаррисон переселяется в Лондон и привозит сюда первые законченные им часы. Они были достаточно громоздки, с деревянной рамой и напоминали большие маятниковые часы (рис. 197). Теперь они хранятся в Гринвичской обсерватории. В этих часах в качестве регулятора применен не маятник, а два массивных баланса, которые приводились в действие четырьмя балансовыми пружинами. Балансы, образуя между со бой фрикционную передачу, могли колебаться в противоположных направлениях по отношению друг к другу и испытывать действие корабля одинаково, но в противоположном направлении. Этим достигалось значительное уменьшение влияния на ход часов движения корабля.

Спусковое устройство (рис. 198), изобретенное Гаррисоном, известно под названием «кузнечика» из-за сходства с задними лапками этого насекомого. Две палеты А и В шарнирно присоединены в точках С и D к концам рычагов, находящихся на одной оси с маятником. Палеты А и В изготовлены из твердого дерева, а спиральные пружины Е и F служат демпфером отскоков. В этой механической системе при наличии одной неподвижной точки имеется возможность свободного движения всех остальных звеньев. Ходовое колесо попеременно толкало то правую, то левую палету и вместе с тем передавало им пульс регулятору. В этой конструкции спуска отсутствует трение между па летами и зубцами ходового колеса. Смазки не требовалось.

В качестве движущей силы в часах Гаррисона служили две ходовые пружины, установленные в отдельных барабанах, которые двигали центральную фузею вместе с двойным храповым устройством, обеспечивающим завод часов на ходу, не останавливая механизма часов (рис. 199). Оно было собственным изобретением Гаррисона.
При нормальной работе часов заводная пружина передает свое усилие на фузею через цепь. От фузеи движение передается храповому колесу D через храповое колесо Е, а от колеса — к большому колесу А через штифт G.

Во время завода барабан вращается в обратную сторону, чем при обычной работе, и механизм часов останавливается вследствие разъединения с источником энергии. Для предотвращения этой остановки Гаррисоном был введен вспомогательный завод собственного изобретения. Во время завода храповое колесо Е перестает вращать храповое колесо D, так как этому препятствует собачка К. Пружина G на колесе D, предоставленная самой себе, начинает сокращаться и приводит в действие большое колесо А и всю колесную передачу. Обычно эта пружина способна приводить в действие колесную передачу в течение 3—4 мин или с интервалом более чем достаточным, чтобы можно было осуществить полный завод основной ходовой пружины.

Гаррисоном было проявлено много изобретательности, чтобы свести к возможному минимуму трение в работающих частях механизмов и добиться автоматической компенсации действия на балансовые пружины изменений температуры. Эта компенсация была достигнута присоединением неподвижных концов пружин к разнородным латунным и стальным стержням, расширением и сжатием которых автоматически регулировалось напряжение пружин, как в решетчатом маятнике Гаррисона.

Первые часы Гаррисона (или часы №1) перед доставкой в Лондон были испытаны на борту шлюпки. Эксперты Галлей, Брадлей, Грагам и Шмидт в 1735 г. засвидетельствовали, что Гаррисон изобрел и создал инструмент для измерения времени на море, что принципы, заложенные в конструкции этих часов, позволяют определять долготу и, наконец, что эти часы необходимо подвергнуть дальнейшему испытанию в морских условиях. Последнее требование экспертов было выполнено. Первые часы Гаррисона совершили путешествие в мае 1736 г. до Лиссабона и обратно с одобряющими результатами. Руководствуясь результатами этих испытаний, Бюро долготы представило в распоряжение Гаррисона некоторую сумму денег, чтобы он мог продолжить опыты по созданию вторых часов. 30 мая 1737 г. в сводках Гринвичской обсерватории появилось сообщение об изобретении Гаррисона. С этого времени он приобретает известность. Вторые свои часы Гаррисон закончил в 1739 г. Они отличались от его первых часов применением устройства для стабилизации им пульса (remontoire) с промежуточными пружинами. В нем две геликоидальные, или цилиндрические, пружины через каждые 33/ минуты подзаводились силой от действия ходовой пружины. Получался крутящий момент всегда на одном и том же уровне и передавался от этих пружин ходовому колесу.

Джон Гаррисон

Рис. 199. Вспомогательный завод, примененный в часах Гаррисона

/ — фузея: А — большое колесо, свободно сидящее на оси ВС фузеи; D — храповое колесо (также свободно установлено на оси ВС); //— вид на фузею снизу: Е — второе храповое колесо, составляющее одно целое с фузеей; зубцы нарезаны в направлении, противоположном зубцам колеса D; /// — вид сверху на храповое колесо D; J — отверстие, имеющееся на этом колесе; К — собачка, которая фиксируется зубцами колеса Е; IV — вид сверху на большое колесо A; G — штифт, к которому присоединена вспомогательная пружина F. Колесо А связано с колесом D посредством этой пружины (см. сечение по А и D в положении IV)

Основной механизм часов включал в себя также фузею для выравнивания крутящего момента, передаваемого ходовой пружиной, и устройство для ограничения диапазона работы пружины, а также двойной храповой механизм для завода ходовой пружины без остановки механизма часов.

Чтобы противодействовать влиянию движения корабля, боковой и килевой его качке, два тяжелых баланса были соединены проволоками и образовывали фрикционную передачу, как и в первых часах. Они двигались в противоположных направлениях и были поэтому мало подвержены действию движения корабля. Колебание балансов регулировалось четырьмя геликоидальными пружинами. Температурная их компенсация достигалась применением системы из четырех коротких латунных и двух длинных стальных стержней (рис. 200). Действие компенсационного устройства было основано на том же принципе, что и решетчатый маятник Гаррисона. Спусковое устройство было аналогично первым морским часам Гаррисона (спусковому устройству «кузнечик») .

Рис. 201. Биметаллический термометр, или градусник, примененный Гаррисоном в его третьих и четвертых морских часах

Рис. 202. Циферблат четвертых морских часов Гаррисона

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

Вторые морские часы на море не испытывались, так как Англия 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 морскими часами, Гаррисон приступил к изготовлению третьих морских часов; по неизвестным причинам они были закончены толь ко в 1757 г.

Неутомимая и настойчивая работа Гаррисона над усовершенствованием морских часов была высоко оценена Королевским 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 механизма и стабилизатора импульса, но различны по способу обеспечения температурной компенсации системы баланс—спираль и ее изохронизации и по типу балансовой спирали, примененной в этих часах.
В третьих морских часах (часах №3) вместо компенсационного устройства, основанного на принципе решетчатого маятника, Гаррисон применил устройство, которое следует назвать биметаллическим 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 штифта, предусмотренных для охвата с трением балансовой пружины близ наружной точки ее крепления.

Это компенсационное устройство действует на длину балансовой 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 нежелательного механического контакта штифтов со спиралью не по лучило большого распространения. Однако сам принцип биметаллической компенсации получил всеобщее признание.

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

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

По внешнему виду четвертые морские часы Гаррисона напоминают старинные большие карманные часы (рис. 202). Механизм 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 между 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 посредством внешнего корпуса и градуированной дуги их положение могло регулироваться так, чтобы они были слегка наклонены к горизонтали.

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 отпущенной мягкой стали состояла из трех и более витков. Температурная 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, имеющих очертание циклоидной кривой.

Рис. 204 схематически изображает последовательное действие хода Гаррисона.

В положении / окружность 3 изображает тело шпинделя; 4 — диамитовые палеты; их поверхности касательны к пунктирной окружности, а центр 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 положению IV; его давление на палету обеспечивает необходимый размах. Линия 6 показывает положение острия палеты, ограниченное упором, обеспечивающим движение баланса по дуге в 145° от точки равновесия. Из положения IV детали возвращаются к положению III, но при вращении баланса по часовой стрелке зуб дает второй отскок. С этого момента зуб 2 подает импульс, как обычно. Усилие, необходимое для первого главного отскока и для закручивания балансовой пружины, исходит от баланса. Усилие для второго отскока 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 устройство для стабилизации импульса с промежуточными пружинами, подзаводящие часы через каждые 71/ с. С изобретением хронометрового хода вскоре после Гаррисона отпала необходимость в применении стабилизации импульса, на создание которого 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 произвести 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 определении долготы по часам Гаррисона с тем, как оно определялось тогда на корабле. По обычным вычислениям корабль дол жен был находиться западнее Портсмута на 13°50′ долготы, а по показаниям часов Гаррисона — на 15°19′. Это оказалось до статочным для того, чтобы сделать скороспелый вывод о непригодности 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 настаивал 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 Порт- Ройал после 61-дневного путешествия, часы №4 отставали приблизительно на 9 с.

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 методами.

Английский король Георг III назначил комиссию для ознакомления с устройством часов №4. В нее вошло 11 человек. Кроме англичан, туда входили Камус, Берту и Лаланд, приглашенные из Парижской академии наук. После ознакомления с часами члены комиссии предложили ряд рекомендаций, выполнение 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 оставалось неясным, насколько он лучше метода определения долго ты с помощью «лунных таблиц», одобренных Гринвичской обсерваторией и пользовавшихся большой популярностью среди английских астрономов 1. Защитником астрономического метода определения долготы был королевский астроном Невиль Маске- лайн, составивший сильную оппозицию Гаррисону.

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

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

28 марта 1764 г. сын изобретателя Уильям с часами №4 и в сопровождении представителя Бюро долготы на военном корабле «Тартар» отправился в Барбадос, куда прибыл 13 мая. Там было обнаружено, что хронометр ушел вперед на 43 с; в об 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 1 Эти таблицы составил геттингский астроном Томас Майер на основе гравитационной 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 отклонений при проведенных испытаниях и с учетом температуры, записывавшейся 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 сравнения хода часов Грагама с часами №4 показали, что последние за время второго путешествия Уильяма Гаррисона ушли вперед на 54 с. О полученных выводах и положительной оценке часов Гаррисона Шорт в 1763 г. опубликовал брошюру, 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 Гаррисона 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 специальную комиссию в составе семи человек для подробного ознакомления 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 требование, чтобы их конструкция была удобна для изготовления другими часовщиками. Одному из членов комиссии, Кендалю, потом было дано поручение сделать дубликат часов №4 Гаррисона. Члены комисии после детального ознакомления с устройством 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 некоторыми 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 Маскелай- ну 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 течение 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, среднесуточный уход составил 14,2 с. Нестабильность хода часов № 4 вызывалась неудовлетворительной температурной компенсацией и наличием изохронной погрешности. Наибольший уход суточного хода составлял 30 с при температуре 60° по Фаренгейту в вертикальном положении. Наибольшее отставание за сутки составляло 6,5 мин с термометром на точке замерзания и при горизонтальном положении часов с циферблатом вверх.

Полный отчет о результатах испытания часов №4 был обнародован Бюро долготы с предисловием Нивеля Маскелайна. В нем отмечалось, что часы Гаррисона не обладают той стабильностью и точностью хода, какая нужна для определения долготы в пределах даже 1° при путешествии в Вест-Индию в течение 6 недель. С точностью до полуградуса долгота может быть определена с помощью этих часов только в двухнедельном путешествии 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. пользовался Джеймс Кук во время путешествия на корабле «Резольюшен». Они показали долготу с точностью, требуемой парламентом, и Гаррисон незадолго до смерти получил, наконец, полную премию.

Оценивая достижения Гаррисона с современной точки зрения, приходится признать, что из всех его изобретений только двойной храповой механизм для завода часов на ходу без остановки механизма часов сохранил до сих пор свое значение; все же остальные его изобретения (ход «кузнечик», биметаллический градусник, связанные между собой балансы, его деревянные палеты и колеса, седлообразные устройства для получения изохронизма, устройства для уменьшения трения и для исключения необходимости применения смазки и, наконец, устройство для стабилизации) имеют теперь только историческое значение. И тем не менее его заслуги перед хронометрией исключительно велики. По существу Гаррисон практически решил в рамках своего времени 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 стабилизации колебания системы баланс —спирали, уменьшения трения в кинематической цепи механизма часов, температурной компенсации 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.

Выдающиеся часовщики Ларкум Кендаль (1721— 1795) и Тома с Мюдж (1715—1794) в усовершенствовании конструкции морских часов не отходили далеко от принципа устройства часов № 4 Гаррисона. Они ограничились лишь введением или изъятием некоторых деталей из часов Гаррисона. Кен- даль прилагал старания, чтобы изъять некоторые части из механизма часов Гаррисона и упростить их устройство. Мюдж, наоборот, 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 выполнение этого задания ушло более трех лет, изготовление дубликата было закончено в 1769 г. На хронометре была выгравирована надпись: «Larcum Kendall 1769».

Бюро долготы было заинтересовано в расширении производства морских часов и, естественно, хотело знать: смогут ли изготовлять 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 средства, 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 упрощенной конструкции, предоставив ему возможность изъять любые несущественные части из морских часов Гаррисона. Во исполнение этого задания Кендаль изготовил морские часы К-2, которые закончил в 1772 г. Третьи часы (К-3) были им закончены 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 карманные часы обычного образца. Они имели шпиндельный ход с рубиновыми 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 Гаррисона.

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 сцеплялись с единственными рубиновыми палетами, расположенными между ними. Три маленьких циферблата показывали часы, минуты 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 плавание капитаном Куком на корабль «Резольюшен». Это было второе из трех путешествий Кука, когда он совершил кругосветное плавание вокруг южнополярной области и пересек антарктический 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 спешили, но всегда с известным постоянством. Часы К-1 были испытаны на борту корабля во время северной полярной экспедиции, а затем использовались в течение нескольких лет на северо-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 достиг успехов не более Гаррисона».

В 1765 г. Т. Мюдж был приглашен в члены комиссии, назначенной Бюро долготы для составления доклада о механизме часов №4 Гаррисона. С согласия Королевского общества он опубликовал небольшой трактат, содержащий важнейшие данные об устройстве часов Гаррисона наряду с некоторыми собственными идеями о возможных дальнейших усовершенствованиях хронометра. Здесь, в частности, уже была высказана хотя еще и не вполне зрелая мысль о создании хода с постоянной силой. Этот небольшой 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 обращает на усовершенствование морских часов. Он решил изготовить часы более совершенные, чем часы Гаррисона, движимый к этому отчасти наградой в сумме 10 или 15 тыс. фунтов стерлингов, 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. Вспомогательный подзавод в часах Гаррисона заводил промежуточную 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 хорошая, а у Мюджа — превосходная.

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

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 часах 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 широкой практике трудным для применения ввиду сложности устройства.

Спусковое устройство показано на рис. 206. Базой для его конструирования 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 внутренние концы промежуточных пружин для подзавода, а внешние концы присоединены к штифтам. Оси 5S’ несут также две палеты р и р’. Действующие поверхности этих палет были сделаны из кремня; позже они были заменены рубинами. С — коронное колесо.

Томас Мюдж

При действии зуба коронного колеса на палету р происходит подзавод верхней промежуточной пружины по дуге 27°. По окончании подзавода этой пружины зуб ложится на палец палеты. Представим себе баланс, колеблющийся в направлении, показанном стрелкой; когда он проходит по дуге 27° от положения равновесия шрифт Р, встретив промежуточную пружину, освобождает зуб, до того покоившийся на пальце палеты.

Коронное колесо, будучи теперь свободным, вращается под влиянием сил, передаваемых колесной системой от ходовой пружины, а плечо r’, действующее на палету р’, подзаводит нижнюю промежуточную пружину по дуге 27°, а затем зуб окажется запертым. При своем возвращении баланс поднимает плечо r’ после подзавода при дуге 27° за положением равновесия и снова выключает коронное колесо, а верхняя промежуточная пружина освобождается от завода и т. д.

Здесь баланс совершенно не связан с колесной системой; импульсы ему подаются промежуточными пружинами при прохождении им самой незначительной длины дуги.

Этот ход с постоянной силой отличен от всех других ходов по способу подачи импульса балансу; он подается без рывков и толчков. Английский ученый Джон Атвуд в своей работе, опубликованной в «Philosophical Transaction», математически доказал, что промежуточные пружины в ходе Мюджа могут быть так отрегулированы, что посредством этого можно добиться устранения всех недостатков в изохронизме балансовых пружин. Но данная конструкция хода и его регулировка требуют весьма высокой степени мастерства и влекут за собой расходы, не пропорциональные достоинствам этого хода.

Компенсация осуществляется двумя биметаллическими градусниками, действующими на плечи Т-образного рычага, несущего криволинейные штифты.

В XVIII в. над усовершенствованием астронавигационных инструментов и в том числе морских часов, нужных для навигации в условиях полярных морей, работал М. В. Ломоносов. Точные часы Ломоносов считал наилучшим средством для определения долготы местонахождения корабля.

Пьер Леру а (1717—1785) на основе своих экспериментальных работ вполне научно определил условия, при которых действительно может быть обеспечен изохронизм колебаний балансовой спирали, установил принцип устройства разрезного би металлического компенсационного баланса, изобрел свободный ход, или спусковой регулятор, путем усовершенствования которого был создан хронометровый ход.

В монографии, посвященной истории морского хронометра, Гоулд отмечает, что Пьер Леруа — «француз, который лишь в небольшом долгу перед своими предшественниками, мало чем обязан своим современникам и благодаря своей гениальности изобрел часы, которые содержат весь основной механизм современного хронометра». Говоря о часах, которые Леруа в 1766 г. преподнес Людовику XV, Гоулд высказал высшую похвалу, какая только возможна: «Это изделие, — писал он, — увековечило его имя на вечные времена как одного из величайших часовщиков, когда-либо живших на свете».

В этой характеристике Пьера Леруа остается бесспорным то, что он действительно был гениальным часовщиком, который свои ми трудами и изобретениями сумел заложить прочную основу для разработки современной конструкции хронометра. Однако нельзя согласиться с утверждением Гоулда, что Пьер Леруа изобрел свои часы только благодаря своей исключительной талантливости. Не отрицая этого, все же нужно сказать, что в своей творческой деятельности Пьер Леруа был теснейшим образом связан со всеми традициями в области создания точных часов, которые складывались во Франции со времени Генри Сюлли, преемником которых был Жюльен Леруа — выдающийся французский часовщик, отец Пьера Леруа. Работая над созданием точных балансовых часов со спиральной пружиной, Пьер Леруа был достойным преемником своего отца. В то время в усовершенствовании средств измерения времени были заинтересованы не одни только часовщики. Эта проблема находилась в центре внимания и Парижской академии наук, которая в 1745 г. объявила премию за «Наилучший способ нахождения времени в море, будь то днем или в сумерки и в особенности ночью, когда горизонт не виден». В связи с этим конкурсом Даниил Бернулли (1700—1782) в 1747 г. написал трактат «Механические и астрономические исследования по вопросу о лучшем способе измерения времени на море» («Recherches Mecaniques Astronomiques sur la meilleure maniere de trauver l’heure en mer etc.»). За эту работу Парижской академией наук Бернулли была присуждена премия. Автор с большим знанием дела доказал исключительное значение и важность проведения исследований, направленных на создание точных часов. По его мнению, астрономические методы определения времени самым тесным образом связаны с применением точных приборов.

«Но даже когда мы дадим этим таблицам (астрономическим. — В. П.) и этим телескопам то совершенство, которое можно желать, мы найдем, что они все же недостаточны, — пи сал Бернулли. — Мы не всегда можем увидеть Луну, еще менее спутники Юпитера. Если даже предположить, что мы можем их наблюдать, как только нам это. потребуется, эти наблюдения оказались бы бесполезными без приборов, которые давали время со всей точностью, после того как мы его определили по Солнцу».
Пьер Леруа проштудировал трактат Бернулли и сделал ряд критических замечаний, которые попали на страницы его «Мемуаров». В трактате Бернулли Леруа нашел для себя ряд полезных рекомендаций, в частности рекомендации, имевшие от ношение к конструированию регулирующего устройства часов. Он принял к сведению указание Бернулли, что для обеспечения стабильности хода баланса нужно прежде всего, чтобы сам баланс был уравновешен, т. е. чтобы было соблюдено «равенство веса» по всему сечению обода и с обеих его сторон, чтобы центр баланса совпадал с центром оси баланса. Использовал Леруа и мысль, высказанную Бернулли о необходимости применения
«двух спиральных балансовых пружин, поставленных в обратных направлениях». К некоторым высказываниям Бернулли Леруа отнесся критически: нельзя было согласиться с Бернулли, когда он без достаточного основания сомневался в выводах науки, получивших опытное подтверждение, например в том, что изменение температуры вызывает изменения в упругой силе пружины.

«В экспериментальной физике утверждается, — писал Бернулли, — что замечены некоторые изменения в упругой силе пружин вследствие изменений температуры. Если бы это было так, то пружина не могла бы единообразно направлять маятник (баланс с волоском. — В. П.), но я в этом глубоко не убежден».

Не подлежит сомнению, что трактат Бернулли стимулировал творческую мысль Леруа, а премия, объявленная Парижской академией на тему, близко его затрагивавшую, поддерживала его желание создать точные часы. Стремление Леруа во что бы то ни стало выйти победителем в соревновании с другим выдающимся часовщиком того времени Фердинандом Берту было дополнительным фактором, способствовавшим его активизации. Поэтому утверждение Гоулда, что Леруа всем обязан только себе и ничем своим предшественникам и современникам не соответствует действительности.

Рис. 207. Биметаллический разрезной баланс Леруа

Рис. 208. Компенсационное устройство Леруа с ртутным термометром, примененным в его морских часах

Мысль применить спиральную пружину для регулирования хода часов принадлежит Гуку и Гюйгенсу, но Пьер Леруа нашел средство получить изохронную спираль. Он экспериментальным путем установил, что «во всякой пружине достаточной длины есть известная длина, при которой все колебания, большие и малые, будут одинаковой продолжительности …при уменьшении или увеличении этой известной длины спирали колебания становятся неизохронными». Итак, посредством спираль ной пружины определенной длины продолжительность колебаний баланса можно сделать совершенно независимой от его амплитуды колебаний.

Метод изохронизации П. Леруа фактически сводится к методу компенсации изохронных ошибок путем подбора такой по грешности, вносимой плоской спиралью, которая могла бы компенсировать все остальные погрешности периода колебаний баланса. В непогрешимости своего метода изохронизации Леруа настолько не сомневался, что даже изготовил свои морские часы без фузеи.

Правило изохронизма, предложенное Леруа, получило и теоретическое подтверждение.

Другой проблемой, приковавшей внимание Леруа, была проблема температурной компенсации баланса. В 1761 г. Леруа предложил биметаллический разрезной баланс (рис. 207).

Пьер Леруа

Обод баланса состоял из стальной и латунной частей, соединенных между собой заклепками. В двух диаметрально противоположных местах обод был разрезан так, что получились две пары одинаковых дуг, как у современных интегральных балансов.

В результате несовершенства соединения латунной и стальной частей обод баланса Леруа деформировался неравномерно, что вызывало нарушение хода часов. Леруа разработал другое компенсационное устройство, основанное на применении принципа ртутного термометра (рис. 208). К стальному балансу /, вращающемуся вокруг своей оси, приделаны две стеклянные загнутые трубки 2, каждая из которых заканчивается пустыми шариками 3, расположенными друг против друга. Оси трубок и баланса и центры шариков находятся в одной плоскости. Шарики наполняются винным спиртом, а в трубки наливается ртуть. Когда температура возрастает и вызывает увеличение диаметра баланса, то винный спирт, расширяясь, передвигает часть ртути от окружности баланса к его центру; наоборот, при понижении температуры, когда уменьшается диаметр баланса, винный спирт в шариках сжимается и часть, ртути переходит от центра к окружности. Для обеспечения эффективности действия этого компенсационного устройства необходимо: 1) подобрать шарики соответствующей вместимости; 2) иметь возможность приближать или удалять от центра баланса концы трубок с шариками; 3) использовать более крепкий спирт.

Диаметр баланса с компенсационным устройством Леруа 108 мм, а амплитуда колебания — до 120°. В современных хронометрах баланс имеет меньший диаметр, амплитуда колебания может достигать 300° и более. Леруа пришел к мысли о возможности заранее принимать в расчет влияние изменения температуры на ход хронометра и корректировать его. В записке, озаглавленной «Описание часов, пригодных для применения на море», представленной им в 1754 г. в Парижскую академию наук, он по этому поводу писал: «Чтобы устранить погрешности (в показании часов — В. П.), происходящие от изменения температуры, необходимо в ящике для часов установить термометр и перемещать часы из теплого места в холодное и на основе регистрации изменений в ходе часов по показанию термометра составить таблицы, дающие величины замедления или ускорения хода часов, соответствующие повышению или понижению температуры на 1 градус по термометру. Тогда погрешность часов будет известна; известная же погрешность не есть уже погрешность. После этого следует только требовать, чтобы дежурный офицер на корабле записывал показания термометра при каждом заводе часов».

Третьей идеей Леруа, имевшей исключительно прогрессивное значение в истории часов, была его идея о создании свободного хода часов, которая была реализована впервые в часах новой конструкции, созданных в 1748 г.

Свободный ход (спуск), как он описан Леруа и комиссарами Академии наук Камюсом и де Фуши в их докладе, характеризуется так: «Основное преимущество спуска г-на Леруа состоит в том, что баланс, регулируемый в своем движении спиральной пружиной, свободен в своем обратном ходе и не испытывает ни какого трения, причиняемого ходовым колесом».

В морских часах Леруа были использованы две расположенные навстречу одна другой спиральные пружины, длины которых подбирались опытным путем таким образом, чтобы они мог ли обеспечить изохронные колебания баланс—спирали; ход часов в течение 24 часов после завода должен оставаться постоянным. Такой подбор длин спиральных пружин имел в виду обеспечение изохронных колебаний баланс—спирали даже при отсутствии фузеи и промежуточного завода пружины.

Спусковое устройство, примененное в этом хронометре, существенно отличается от дуплекс-хода Леруа с одним ходовым колесом, описанным выше (см. с. 277). Свободный ход, примененный в морских часах Леруа (1776 г.), показан на рис. 209. Е — ходовое колесо, по форме напоминающее звездочку, имеющее шесть длинных, радиально расположенных плеч, каждое из которых снабжено на своем конце зубом. Зубцы могут вступать в контакт и покоиться либо на палете р, либо на палете р’ анкера А. Последний может вращаться на оси Н, на этой же оси жестко насажены плечи сc’, расположенные то выше, то ниже обода баланса. На этом ободе с ближайшей стороны расположен ободок rrr, а на другой, более отдаленной стороне, такой же обо док ооо, обозначенный пунктиром.

Рис. 209. Свободный ход для морских часов, предложенный Леруа

Как показано на рис. 209, зуб 1 ходового колеса покоится на палете р, и баланс в это время совершает свободное колебание по часовой стрелке. Когда конец ободка rrr встретится с плечом с’, то отклонит это плечо, после чего анкер А слегка повернется вокруг оси N и освободит зуб /. После этого зуб 2 упадет на импульсную палету / и подаст импульс балансу (и, отклонившись на определенный угол, сделает свободным плечо с). Зуб / затем запирается палетой р’, которая благодаря своему особому устройству при контакте с зубом ходового колеса втягивается под него. В это время плечо с’ находится вне контакта с ободком rrr. Баланс по окончании размаха (отклонившись на угол около 100°) начинает возвратное колебание.

Конец ободка ооо теперь может встретить плечо с и оказать действие на анкер, в результате зуб 1 выйдет из контакта. Ходовое колесо, повернувшись, вызовет падение зуба 2 на палету р, которая будет оттянута под зуб ходового колеса. В это время второе плечо с1 будет вне контакта с ободком ооо. При возвращении баланса после окончания размаха весь цикл работы спускового регулятора повторится снова.

В ходе Леруа импульс от ходового колеса передается балансу непосредственно на его обод и один раз за полное его колебание. Ходовое колесо после импульса ложится на палету, укрепленную, как известно, отдельно от ходового колеса и баланса. Стало быть, ходовое колесо не может передавать тормозной момент балансу в промежутках между импульсом и освобождением. В это время баланс движется совершенно свободно лишь под действием сил трения и упругости балансовой пружины. Импульс передается близко к положению равновесия и оказывает свое незначительное влияние на период колебания баланса. Можно считать, что свободный ход Леруа является родоначальником хода с односторонним импульсом, применяемым до сих пор в хронометрах.

Передаточный механизм морских часов Леруа состоит из четырех пар колес — трибов (см. рис. 209). Леруа отказался от применения в приводном барабане фузеи и средства для завода пружины без остановки хода часов. Балансовая пружина состояла из двух половинок, подобранных по длине так, что они обеспечивали полный изохронизм колебаний системы баланс — спираль. Устройство стрелочного механизма было упрощено. Часовое колесо при водилось в действие прямо оттрибки на оси центрального колеса.

Показатели хода морских часов Леруа по тем временам были достаточно высокие: погрешность суточного хода не превышала 32 с.

Сравнивая механическое устройство морских часов Леруа с часами Гаррисона № 4, можно убедиться, что Леруа как часовщик значительно превосходил Гаррисона. Часы Гаррисона отличались от обычных карманных часов его времени лишь тем, что ему удалось применить стабилизатор импульса, завод пружины без остановки хода часов, диамитовые палеты и другие средства, устраняющие дефекты хода обычных часов. Леруа устранил все дефекты хода обычных часов благодаря тому, что конструирование морских часов осуществлял на основе новых принципов, разработанных им вполне научно. Образно говоря, Гаррисон построил дом на песке, а Леруа — на твердом фундаменте. Конструкция часов Леруа 1766 г. оказала решающее влияние на дальнейший прогресс хронометрии. Известно, что хронометровый ход, применяемый во всех современных хронометрах, получил свое развитие на основе усовершенствования свободного хода Леруа. Способ изохронизации колебаний системы баланс— спираль, биметаллический разрезной баланс, предложенный Леруа, имели большое значение для развития хронометрии.
Рис. 210 показывает все регулирующее устройство, т. е. баланс со спиральными пружинами (двойными) и с компенсационным устройством в виде ртутного термометра, описанного выше (см. с. 315). Диаметр баланса 10 см, оба конца его оси движутся в антифрикционных направляющих.

Фердинанд Берту (1727—1807)—швейцарский часовщик, но большую часть жизни прожил в Париже. Он проявил большую находчивость как изобретатель и является автором многих трудов по часовому делу, прежде всего — по морским часам. В 1754—1773 гг. Берту сконструировал и выполнил 11 опытных образцов морских часов. Они описаны в его «Трактате о морских часах, содержащем теорию, конструкцию и работу этих часов и способы их проверки, чтобы добиться с их помощью уточнения морских карт и определения долготы на море», издан ном в 1773 г. в Париже.

Хронометры, которые он конструировал и создавал, разнообразны по устройству как в отношении применения движущей силы, так и регулирующих устройств. Начав с создания грубых морских часов, в конструкции которых содержалось довольно много дефектов, Берту постепенно совершенствовал свое мастерство, учась на ошибках и вместе с тем используя достижения Гаррисона, Леруа и других хронометристов. Оценивая действительные заслуги Берту в создании морских часов, надо указать, что их ранние конструкции ни по идее, ни по выполнению не достигали того технического уровня, какой был присущ конструкциям Гаррисона и Леруа. Но более поздние конструкции морских часов Берту приближаются к современным хронометрам, поскольку ему удалось на основе усовершенствования хода Леруа применить в них хронометровый ход.

Рис. 210. Общий вид морских часов Леруа

Парижская академия наук в 1769 г. установила требуемую точность хода морских часов для определения долготы на уровне требований, принятых английским парламентом. «Желательно, — отмечалось ею, — чтобы балансовые часы, маятниковые или другие приборы не допускали, если это возможно, расхождения больше двух минут за шесть недель, а также чтобы они могли определить долготу с отклонением около полуградуса за тот же промежуток времени».

Создавая свои морские часы, Берту стремился, хотя и не всегда удачно, удовлетворить всем этим требованиям.

В статье Ф. Берту «О способе, которым можно производить испытание морских часов, чтобы утвердиться в доверии к ним при определении долготы на море» даются рекомендации, как и в каком порядке производить испытания морских часов с целью установления их пригодности для определения долготы. С этой целью им предлагаются следующие рекомендации,

1. Сравнивать морские часы ежечасно в течение определенного времени с часами, равномерность хода которых вполне установлена. Необходимо на месте испытания иметь термометр и барометр, чтобы убедиться, что во время испытания ход часов не подвергался воздействию изменения температуры и барометрического давления.

2. Последовательно подвергать часы воздействию температурных изменений: в холоде, обложив часы толченым льдом, и при жаре — в сушильной камере. Во время этих испытаний ход часов сличать с ходом часов, содержащихся при постоянной температуре.

3. Затем перенести часы на легкое судно и установить их там, где они могут быть подвержены сильным и частым толчкам от моря и откуда было бы возможно посредством сигналов сравнивать их ход не менее одного раза в сутки с часами, помещенными на устойчивом месте и на небольшом расстоянии.

4. Если перечисленные выше испытания покажут устойчивый ход часов, то после этого можно с этими часами проделать путешествие из одного места, долгота которого хорошо известна, в другое место, долгота которого также хорошо известна.

Подобному испытанию должны подвергаться те из морских часов, которые предназначены для испытания в длительном путешествии. Ф. Берту считал, что нельзя определить пригодность часов для установления долготы места только на основании данных, полученных во время длительного путешествия и сличения хода часов лишь при отъезде и при возвращении. Во время путешествия могут иметь взаимные компенсации отставания и опережения хода часов.

Вопросу определения долготы при помощи часов Берту по святил ряд печатных работ: «Долгота путем измерения времени или метод определения долготы на море с помощью морских часов» (Париж, 1755), «Измерения времени, применяемые в мореплавании для определения долготы» (Париж, 1782), «Трактат о часах для определения долготы» (Париж, 1792), «История определения времени с помощью часов» (Париж, 1802).

Своими трудами вместе с образцами морских часов, им созданных, Берту во многом способствовал внедрению во Франции способа определения долготы с помощью часов. Берту стремился, чтобы его часы соответствовали регламенту, установленному Парижской академией наук в 1769 г. Кроме того, по справедливому мнению Берту, недостаточно, чтобы к концу шести недель отклонение не превышало 2 мин — необходимо также, чтобы в течение этого времени колебания были равномерными. Недопустимо, чтобы морские часы сначала шли с опережением, а затем с отставанием. Для того чтобы ход морских часов был равно- мерным, не требуется, однако, чтобы часы были точно отрегулированы по среднему времени. Достаточно знать суточный ход часов — опережение или отставание часов от среднего времени. Следовательно, как отмечал Берту, не следует смешивать часы, дающие отклонение, с часами неотрегулированными.

Фердинанд Берту

Берту считал, что маятник как регулятор хода часов мало пригоден для применения в морских часах. Однако он не отрицал возможность применения маятниковых часов в мореплавании; он даже сконструировал двое таких часов для применения на корабле. Но действительное и наиболее рациональное разрешение проблемы создания морских часов может быть достигну то, по мнению Берту, только на пути усовершенствования балансовых часов со спиральной пружиной. Перед Берту встала, таким образом, проблема, как сделать систему баланс—спираль отличным регулятором морских часов.

В связи с этим он изучает отрицательное действие изменений температуры, трения в опорах, состояния и консистенции масла, уравновешенности баланса, бортовой и килевой качки корабля, положения часов по отношению к горизонту и т. д. на точность и постоянство хода морских балансовых часов. Теоретические и практические выводы, полученные путем такого изучения, Берту излагал в печатных работах и использовал при конструировании морских часов. Некоторые из этих выводов сохраняют свое значение до сих пор. Он правильно утверждал, что если трение в опорах остается одним и тем же, то оно не вызывает изменения хода часов; он рекомендовал давать балансу возможно большую амплитуду и скорость движения, так как при этом достигается уменьшение влияния трения и более эффективное действие масла на ход часов.

В то же время некоторые его рекомендации носили иногда весьма элементарный характер. Так, он считал нужным для поддержания масла в жидком состоянии при низких темпера турах держать в ящике, куда помещены часы, зажженную лампу.

Берту отмечает влияние тепла и холода не только на регулирующую систему баланс — пружина, но и на изменение трения, на состояние масла. Если жидкое масло сгустится, это может стать причиной остановки часов. Он рассматривает увеличение трения и сопротивления масла, как две помехи на пути достижения вполне изохронного колебания регулятора хода. Изучение влияния трения Берту осуществлял вполне научно и со всей серьезностью.

Рис. 211. Биметаллический разрезной баланс Берту 1800 г.

Он проводит систематические исследования линейного расширения материалов, желая подобрать наиболее пригодный из них для изготовления балансовой пружины и для баланса. Берту нашел, что хотя стекло наименее подвержено линейному расширению, но оно неудобно для изготовления балансовой пружины или баланса. Сталь он не советовал применять, поскольку она подвержена коррозии и влиянию магнетизма. Наиболее подходящим материалом для этой цели он считал золото, однако от применения его отказывается по причине высокой стоимости. Берту выбрал медь, как мало подверженную коррозии и влиянию магнетизма. Балансы у него вначале были неразрезные, позже он стал применять балансы биметаллические и разрезные (рис. 211). Берту также предпочитал применять плоские балансовые пружины.

Результаты своих исследований он использовал для создания целого ряда конструкций морских часов.

Морские часы № I, выполненные Берту (рис. 212), имели два баланса: один — стальной, другой — медный, оба большого размера — 35 см в диаметре. Друг с другом они были соединены посредством двух колес, расположенных в одной плоскости. Эти два баланса двигались одинаково и одновременно, но в обратных направлениях. Когда внешний импульс вызывал ускорение колебания одного баланса, то тот же импульс передавался и на другой баланс, но оказывал свое действие в обратном направлении, в результате чего оба баланса колебались с одинаковой частотой, т. е. частотой, которую они имели до появления внешнего импульса. Каждый баланс имел свою спиральную пружину, прикрепленную одним концом К Платине, а другим — К оси баланса. На конец одной пружины могло действовать компенсационное устройство, основанное на принципе решетчатого маятника. Балансовые пружины были так подобраны, что они могли совершать свое полное колебание за 1 с. Ввиду того что балансы были достаточно громоздки и увесисты, трение в осях было бы довольно значительным, если бы Берту не подвешивал их на пружинах, прикрепленных к платинам часов; оси балансов были закреплены только снизу.

Спусковое колесо имело зубцы, возвышающиеся над его ободом, которое было сцеплено с анкером. По существу, запирающие поверхности были плоскостями покоя с трением, но автор считал, что он нашел баланс, колебания которого приближаются к изохронному.

29 августа 1764 г. Берту представил в Академию наук новый доклад о сконструированных им морских и астрономических часах. В нем центральное место занимает описание морских часов; их конструкция в основном осталась такой -же, как и часов № 1, за исключением того, что Берту снабдил их стабилизатором импульса (remontoire), который оказался неудовлетворительным и впоследствии не нашел применения. Спуск был другой; он, по словам Берту, обеспечивал наименьшее трение.

Рис. 212. Морские часы Берту № 1

Рис. 213. Устройство свободного хода, предложенное Берту в 1771 г.

Морские часы № 3, в отличие от первых двух, имели уже только один баланс с компенсацией, основанной на принципе решетчатого маятника. Ход у них — цилиндровый.

В качестве движущей силы в своих первых трех часах Берту применял ходовую пружину вместе с фузеей, но в последующих часах (№ 4, 5, 6 и 7) он вместо нее применял гирю. Последняя закреплялась на конце пружины и проходила по вертикально направляющему ролику и затем обматывала горизонтальный цилиндр, связанный с осью ходового колеса. Во время завода пружина заменяла гирю, не давая часам остановиться. Все колеса в часах были расположены горизонтально. Легче всего, по мнению Берту, добиться передачи постоянного момента ходовому колесу посредством гири, а не пружины; кроме того, при ее применении возможно в любое время, ничего не из меняя в морских часах, увеличивать или уменьшать силу, ею передаваемую. Постоянство момента, передаваемого гирей, в свою очередь может обеспечивать постоянство амплитуды колебания баланса, если даже спираль не вполне изохронна, чего весьма трудно добиться при применении ходовой пружины в качестве движущей силы. Имея в виду эти преимущества гири по сравнению с пружиной, Берту и стал применять ее в своих часах в качестве движущей силы.

Изготовленные Берту часы № 4 мало отличались от часов № 3; они, как и часы № 3, имели один баланс. Эти часы были испытаны на море — по при казу короля — специально назначенными лицами. Наблюдения за суточным ходом этих морских часов велись с 7 по 24 октября 1764 г. Данные наблюдений позволили комиссарам сделать следующее заключение: «Часы г-на Берту не достигли еще желаемой степени точности, какая необходима для определения долготы, но поскольку отклонения, имеющиеся в их ходе, не зависят от движения судна, то ему легко их будет устранить».

В конструкцию последующих морских часов Берту внес мало нового, по этому нет необходимости на них останавливаться особо. Часы № 8 Берту характеризуют новое направление в применении более совершенного хода в его морских часах.

С 1764 г. Берту направляет свои усилия на создание свободного хода, основанного на принципе Пьера Леруа. Результаты его работы в этом направлении нашли конкретное выражение в свободном ходе, созданном им в 1791 г. (рис. 213). Здесь А — ходовое колесо, В — собачка, поворачивающаяся вокруг оси К и имеющая три выступающих рычага; рычаг X, несущий палету / (так называемая стопорная палета), рычаг У, прижимающийся пружиной S к сто пору s, и рычаг r, конец которого пересекает траекторию штифта с, называемого спусковой палетой, смонтированной на ободе колеса С. Колесо С находится на балансовой оси и несет импульсную палету р.

Работа механизма осуществляется следующим образом. Как показано на рис. 213, зуб 3 ходового колеса находится на стопорной палете, и при этом баланс свободно качается в направлении, показанном стрелкой. Спусковая палета с встречает конец рычага г, слегка поворачивает собачку В в направлении, противоположном ходу часов, и палета / отпирает зуб 3. Затем зуб 1 падает на импульсную палету р и приводит в движение баланс. При этом спусковая палета с освобождает конец рычага г, а пружина S возвращает собачку в исходное состояние. Таким образом создается условие для встречи зуба
4. Баланс заканчивает свой размах, и при обратном движении спусковая палета с встречает конец рычага Z, но с противоположной стороны, которая скошена. При этом она незначительно изгибает рычаг вверх (рычаг Z делается очень тонким и гибким, чтобы допустить это) и проходит, не нарушая положения собачки В.

Рис. 214. Устройство свободного хода 1782 и 1785 гг., предложенного Берту

В работе, опубликованной в Париже в 1787 г. и посвященной определению долготы посредством морских часов, Берту приводит описание многих из своих по следующих часов. Все они уже снабжены свободным ходом, а не цилиндровым. Часы, начиная с № 35, были снабжены хронометровым ходом, описание которого также дано в книге Берту.

Между 1771—1785 гг. Берту продолжает работать над усовершенствованием свободного хода. В результате его поисков были созданы три варианта этого хода, отличающиеся расположением деталей хода и числом зубцов ходового колеса. На рис. 214 показан один из вариантов этого хода.

По мнению Гоулда, «нет вопроса более горячо дебатируемого в горологии, чем вопрос об изобретении современного хронометрового хода. Так неудачно сложились обстоятельства, что невозможно в этом вопросе добиться определенного заключения».

Обычно изобретение этого хода приписывается Берту, Арнольду и Ирншау. Однако невозможно допустить, как справедливо отмечает Гоулд, что все эти три лица напали на одну и ту же идею независимо друг от друга. Патент на изобретение хода, выданный Джону Арнольду в 1772 г., менее всего может служить основанием для того, чтобы именно его считать изобретателем хронометрового хода. Ирншау с полным основанием оспаривал приоритет Арнольда. Гоулд склоняется к мысли, что Берту больше, чем Арнольд и Ирншау, может претендовать на право первого изобретателя современного хронометрового хода. Каких-либо солидных оснований для такого утверждения Гоулда, конечно, нет, за исключением того, что хронометровый ход Берту по существу является дальнейшим усовершенствованием хорошо известного хода Леруа.

В какой же степени изобретения Берту были оригинальны ми, что принадлежало ему и что он заимствовал у других, в частности у Пьера Леруа? Сам Берту скромностью не отличался и старался приписывать себе даже то, чего он в действительности и не сделал. Весьма объективную и справедливую оценку достижений и стиля работы Берту дает опять же Гоулд. «Одно порицание можно сделать Берту, — пишет он, — за его стремление представлять свое дело в весьма выгодном свете, но некоторые его утверждения не могут выдержать проверки. Таким является его претензия на то, что он опередил Леруа как в отношении изобретения свободного хода, так и в формировании правила, которым нужно руководствоваться для получения изо хронного колебания балансовой пружины. Для подкрепления этого своего притязания Берту ссылается на созданный им в 1754 г. спусковой механизм и на одно из мест его «Трактата…» 1763 г. Первый свободный ход Леруа был представлен в академию, а его описание опубликовано в ее трудах в 1748 г., между тем цитата из «Трактата..» утверждает только то, что Берту намеревался исследовать отношение между длинными и короткими дугами. Такой подход к спору весьма типичен для Берту, но весь вопрос о приоритете Леруа, я думаю, — отмечает Гоулд, — может быть определенно разрешен рассмотрением обстоятельств, имеющих отношение к этому делу. В то время, когда Леруа конструировал морские часы и к ним приспосабливал свободный ход, изохронную спираль и компенсационный баланс, и даже тогда, когда он опубликовал об этом отчет, Берту четырьмя годами позже оставался еще верен своей машине, приводимой грузом, снабженной цилиндровым ходом и компенсационным устройством на принципе решетчатого маятника Гаррисона. Но, узнав об изобретениях соперника, скоро отказался от своего механизма».

Далее Гоулд отмечает: «Однако имелось одно ценное качество у Берту и в более значительной степени, чем у Леруа, а имен но его постоянная неудовлетворенность результатами своих работ и стремление все больше и больше улучшать часы. Во всех многочисленных его морских часах от начала и до конца можно проследить неуклонный прогресс, и в то же время среди них нет ни одних часов, которые могли бы считаться оригинальным про изведением и быть вне всякой конкуренции, как морские часы Леруа. Когда рассматриваем последовательный ряд часов Берту, начиная от самых грубых и кончая часами мало отличающимися по своему устройству от современного хронометра, то с трудом верится, что эти часы могли быть произведением одного мастера-хронометриста, а не коллектива, прошедшего в создании этих часов через ряд различных этапов».

Джон Арнольд (1736—1799) и Тома с Ирнша у (1749—-1829). На принципе устройства свободного хода, предложенного П. Леруа, трудами Ф. Берту, Д. Арнольда и Т. Ирншау был создан хронометровый ход.

Хронометровый ход с пружиной покоя. Устройство этого хода в выполнении Д. Арнольда и Т. Ирншау показано на рис. 215. Их ход, кроме ходового колеса, имеет пружину покоя С с камнем покоя В, заделанным в эту пружину, золотую тонкую упругую пружину Е, импульсную рольку с импульсным камнем F. Импульсная и пусковая рольки D сидят на оси баланса одна под другой. Ходовое колесо и импульсная ролька находятся в одной плоскости, а спусковая и обе пружины — выше этой плоскости.

Томас Ирншау

Ходовое колесо в хронометре Арнольда — с 15 зубцами, в хронометре Ирншау —с 12 зубцами. Эпициклоидальная форма зубцов ходового колеса в ходе Арнольда не нашла дальнейшего применения, от нее отказались из-за того, что их требовалось смазывать. Ходовое колесо Арнольда вращается в направлении, противоположном ходу Ирншау.

Пружина покоя одним концом прикреплена своей колодкой неподвижно к платине хронометра, другой конец у нее изогнут под углом книзу. Золотая пружина одним концом крепится к пружине покоя, другим свободным концом лежит на ее изгибе. Она может изгибаться только в одну сторону — противоположную ее прилеганию к пружине покоя (или изгибу крючка этой пружины в ходе Ирншау). Спусковая ролька со спусковым камнем колеблется вместе с балансом и может вступать в контакт с золотой пружиной при каждом полуколебании баланса.

На рис. 216 представлен тот момент работы хронометрового хода с пружиной покоя, когда зуб ходового колеса 1 лежит без трения на камне покоя
2. Баланс в это время совершает свободное колебание, пока спусковой камень 8 не коснется своей передней фаской золотой пружинки 5. Спусковой камень, захватив эту пружину, потянет за собой пружину покоя 3 и освободит камень покоя 2 из-под зуба ходового колеса. Это освобождение в результате изгиба золотой пружины в ходе Арнольда происходит по направлению к центру ходового колеса и при колебании баланса слева направо, а в ходе Ирншау — по направлению от центра ходового колёса при колебании баланса справа налево.

Рис. 215. Хронометровый ход Ирншау с пружиной покоя (а) и Арнольда (б)

Рис. 216. Современный хронометровый ход (а) и хронометровый ход Ирн шау (б)
/ — ходовое колесо; 2 — камень покоя; 3 — пружина покоя; 4 —ходовая пружина; 5 — золотая пружина; 6 — импульсная ролька; 7 — импульсный камень; 8 — спусковая палета

После освобождения зуба ходовое колесо 1 повернется на угол свободного падения. Спусковой камень поворачивается на тот же угол, что и импульсный камень. Угол между рабочими плоскостями этих камней сделан таким, что при освобождении одного зуба ходового колеса другой зуб должен упасть на импульсный камень и, скользя по нему, подать импульс. После этого пружины выпрямляются и принимают первоначальное положение, а следующий зуб ходового колеса падает на камень покоя. Подача импульса, а затем остановка зуба на полный покой происходят в ходе Арнольда так же, как и в ходе Ирншау. После этого баланс будет совершать свободное колебание сначала в од ном направлении, а затем в обратном.

При обратном движении баланса (по часовой стрелке) импульсный камень проходит мимо ходового колеса, не соприкасаясь с его зубцами. Колесо в этот момент находится на покое. Спусковой камень 8, нажимая на золотую пружину, отводит ее от пружины покоя 3. Так как золотая пружина чрезвычайно легка и тонка, то энергия, затраченная балансом на изгиб пружины, будет ничтожно мала, камень отогнет ее и тотчас же сбросит, не производя этим никакого действия на ходовое колесо. Таким образом, в хронометровом ходе импульс балансу сообщается только в одном направлении лишь раз — в период взаимодействия с системой спуска, а все остальное время баланс совершает почти свободное колебание.

Хронометровый ход боится резких толчков и сотрясений, недопустимо и неправильное положение хронометра. Поэтому он хотя и превосходит по точности свободный анкерный ход, все же в карманных часах неприменим.

Изобретение хронометрового хода Т. Ирншау совпадает по времени с изобретением Д. Арнольда. В связи с этим между ни ми возник горячий спор: Томас Ирншау категорически оспаривал приоритет Джона Арнольда. Ирншау изобрел этот ход раньше и независимо от Арнольда, но медлил с получением патента на свое изобретение. Арнольд поспешил с получением патента, узнав, что аналогичный ход уже изобретен Ирншау. Последнему патент на изобретенный им хронометровый ход с пружиной покоя был выдан в 1783 г., на год позже, чем Арнольду.

Слово «хронометр» впервые было введено в употребление Арнольдом для прецизионных балансовых часов с хронометровый ходом; в таком значении оно употребляется и в настоящее время.

Первые десять часов, выпущенные Ирншау с изобретенным им ходом, не имели большого успеха из-за того, что в них был применен импульсный ролик непропорционально малого размера по сравнению с ходовым колесом; по этой причине часы мог ли остановиться. Устранив этот недостаток, Ирншау сделал свой ход вполне пригодным для применения его в хронометрах.
Арнольд предложил применять в хронометрах вместо плоской спирали спираль цилиндрической формы. Эта спираль без концевой кривой была им запатентована (английский патент № 1113 от 1755 г.). В другом его патенте за № 1328 от 1782 г. имеется уже следующая констатация: «Изогнутые концы цилиндровой спирали способствуют изохронности ее колебаний. Его конфигурация всегда остается себе подобной». И далее:
«Концы цилиндрической спирали искривлены для обеспечения концентрического развертывания спирали и совпадения центра тяжести спирали с осью баланса». Цилиндрические спирали с концевыми кривыми Арнольда известны под названием геликоидальной спирали. Сходство и различие этих спиралей с конце вымикривыми Бреге показаны на рис. 217.

Рис. 217. Геликоидальные волоски (а), предложенные Арнольдом, и сравнение их со спиральной пружиной Бреге (б)

Рис. 218. Современный биметаллический разрезной баланс (а) и такой же баланс у Ирншау (б)
1 — винты для регулировки; 2 — компенсационные грузики

Хотя к необходимости применения геликоидальной спирали Арнольд пришел чисто опытным путем, впоследствии Э. Филлипс доказал эту необходимость теоретически, указав на то, что для получения изохронного колебания спирали центр его тяжести должен всегда совпадать с балансовой осью. Геликоидальные спирали соответствуют этому требованию.

Для температурной компенсации системы баланс—спираль Арнольд в своих первых морских часах применял биметаллический градусник, от которого он отказался в более поздних часах, заменив его биметаллическим разрезным балансом.

Весьма значительной заслугой Ирншау надо признать то, что благодаря ему конструкция биметаллического разрезного баланса, как и хронометровый ход, приняла уже то устройство, какое используется в хронометрах и в наши дни. В этом легко убедиться из сравнения современного хронометрового хода с таким же ходом Ирншау (см. рис. 216) и современного биметаллического разрезного баланса с соответствующей конструкцией Ирншау, приведенной на рис. 218.