По свидетельству Вивиани, первого биографа Галилео Гали лея, в 1583 г. 19-летний юноша Галилей, находясь в Пизанском соборе, обратил внимание на раскачивание люстры. Он заметил, отсчитывая удары пульса, что время одного колебания люстры остается постоянным, хотя размахи колебаний делаются все меньше и меньше. Эти наблюдения побудили Галилея приступить к исследованиям, в результате которых он установил главный за кон колебания маятника — независимость периода колебания при малых амплитудах. Этот закон, известный под названием изохронизма, имел не только теоретическое, но и большое практическое значение. Галилей сразу понял, какие важные последствия можно извлечь из сделанного им открытия. Первое практическое применение закон получил в медицине. Галилей устроил маятник, длину которого можно было изменять, и находил ту длину, при которой колебания совпадали с биением пульса. Удлиняя или укорачивая маятник, Галилей достигал согласования колебания маятника с биением пульса. Изохронным колебанием маятника, согласно свидетельству Вивиани, Галилей «воспользовался во многих опытах для измерения времени и движений и первый применил его к наблюдению небесных светил».

Христиан Гюйгенс (1629—1695) —великий голландский математик, физик и астроном XVII в. Он не только продолжил исследования, начатые Галилеем, но и положил начало развитию новой области механики—динамики системы материальных точек твердого тела в результате исследования физического маятника и конструирования часов с обыкновенным, циклоидальным и коническим маятниками.

Центральное место в творчестве Гюйгенса занимает мемуар «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium»), изданный в 1673 г. в Париже. Этот труд выходит далеко за пределы, очерченные названием. В нем, кроме описания конструкции изобретенных Гюйгенсом часов с обыкновенным, циклоидальным и коническим маятниками, впервые рассматриваются: учение о центре колебаний физических тел; определение ускорения силы тяжести g посредством наблюдения колебания маятника; предложение о применении длины секундного маятника в качестве единицы длины; теория центробежной силы; механические и геометрические свойства циклоиды; учение об эволютах и эвольвентах. Исследования в области физико-математических наук осуществлялись Гюйгенсом на более широкой, чем у Галилея, основе и касались более сложных научных и технических проблем.

Своими трудами по хронометрии Гюйгенс внес огромный вклад в науку и технику. С них, как и с трудов Галилея, собственно, и начинается новая история часов — развитие классической колебательной хронометрии. До того часы были мало надежны, а применявшийся в них регулятор хода фолио только задерживал развитие хронометрии. После Гюйгенса часы стали более надежным механизмом, основанным на выводах науки и служащим ей.
В 1658 г. в Гааге появилась брошюра Гюйгенса «Часы» («Но- rologium»), где было приведено описание его первых часов с простым маятником. После выхода брошюры ряд лиц выступил с опровержением приоритета Гюйгенса в изобретении маятниковых часов и со ссылками на свои более ранние изобретения или изобретения других лиц.

О часах Гюйгенса в октябре 1658 г. узнал герцог Леопольд Тосканский и в марте следующего года написал письмо парижскому астроному Буйо, где восстанавливал приоритет Галилея, а в августе переслал ему копию письма Вивиани, поступившего от последнего на его имя 20 августа 1659 г. Содержание этого письма приведено выше. К письму приложен чертеж конструкции часов Галилея. Этот чертеж Альбери поместил в прибавлениях к новому флорентийскому изданию сочинений Галилея. По вопросу о приоритете Галилея у Буйо с Гюйгенсом была пере писка. В письме от 2 мая 1659 г. Буйо информировал Леопольда, что Гюйгенс не знал об изобретении Галилеем маятника как регулятора хода часов и что после того, как он узнал об этом из его, Буйо, письма, он более не считает себя единственным изобретателем маятниковых часов и не может приписать себе всю славу этого изобретения. Но считает, что он достоин похвалы уже за то, что пришел к той же идее, что и Галилей, хотя руководствовался только своим собственным умом и ничем другим. В 1660 г. Буйо прислал Гюйгенсу чертеж часов Галилея. В ответ Гюйгенс писал: «Вы доставили мне большое удовольствие, пере слав мне чертеж часов, начатых Галилеем. Я вижу, что они имеют маятник… но он применен не так, как у меня. Во-первых, вместо того чтобы использовать ходовое колесо, именуемое коронным колесом, он (Галилей.— В. П.) заменил его значительно более сложным изобретением, во-вторых, он подвешивает маятник не на нитке или узкой ленте, так что весь его груз покоится на шпинделе, который приводит его в движение». Устройство часов Галилея Гюйгенс находил замечательным и воздавал должное таланту Галилея.

Гюйгенс, несомненно, начал заниматься проблемой создания маятниковых часов, не зная о достижениях Галилея в этом во просе, а также о предложении, сделанном им в 1636 г. Генеральным Штатам, применить маятниковые часы для определения долготы. Для этого утверждения сейчас имеются достаточные основания. Хотя устройство маятниковых часов Галилея, особенно регулирующее их устройство, было намного лучше, чем часов Гюйгенса, однако значение и важность изобретения Галилея долгое время оставалось неизвестным. Преждевременная смерть сына Галилея Винченцо помешала довести до конца дело создания часов, Вивиани же, по-видимому, не понял важности мысли Галилея, иначе он не стал бы дожидаться обнародывания изобретения Гюйгенса.

«За Гюйгенсом,— отмечает Розенбергер,— во всяком случае остается слава независимого вторичного изобретения (достоверно известно, что он не знал о последнем плане Галилея, не знал, вероятно, и об его счетчике) и заслуга первого целесообразного и легко выполнимого устройства часов с маятником, дававшего возможность легко переделывать всякие старые часы на новые».

Кроме Галилея, как изобретателя маятниковых часов еще до Гюйгенса, указывали на Иоста Бюрги. Именно его называет Вольф в своей истории астрономии. Однако тщательная проверка фактов, проведенная Герландом, показала неосновательность подобного утверждения. В числе тех, кто приписывал себе изобретение маятниковых часов более совершенной конструкции, чем часы Гюйгенса, был и Роберт Гук. Но кто бы ни был первым изобретателем маятниковых часов, ясно, что маятник в качестве регулятора хода часов стал входить в широкое применение толь ко после появления трудов Гюйгенса «Часы» и особенно
«Маятниковые часы».

Если в ранней работе Гюйгенса содержится в основном толь ко описание первых маятниковых часов, то в последующей дается и их теория, которая в принципе остается без изменения до сих пор. Эта теория оказалась способной служить рациональной основой для последующего конструирования маятниковых часов.

Работа Гюйгенса над часами с простым, циклоидальным и коническим маятниками. В брошюре «Часы» приведены чертежи (рис. 126) изобретенных Гюйгенсом маятниковых часов и дано их описание. Здесь речь идет о применении в часах маятника, колеблющегося по круглой дуге в пределах лишь нескольких градусов. Чтобы обеспечить это условие при наличии шпиндельного хода, была применена зубчатая передача между маятником и ходовым колесом. Она выполняла функцию редуктора с соотношением 3:1 . Коронное ходовое колесо имело вертикальное расположение, которое в устройстве позднейших часов было заменено горизонтальным расположением. Это мы видим уже в часах, изготовленных Соломоном Костером (рис. 127). Гюйгенс отказался как от вертикального расположения коронного ходового колеса, так и от применения редуктора. Вместо этого были применены металлические щеки особого устройства, которые по замыслу создателей этих часов должны были обеспечить изохронное колебание маятника по круговой дуге при любом изменении амплитуду.

Рис. 126. Маятниковые часы Гюйгенса 1658 г.
Рис. 127. Маятниковые часы, изготовленные Костером по проекту Гюйгенса

При создании часов Гюйгенсу было известно, что колебание маятника с увеличением его амплитуды становится неизохронными что при применении в маятниковых часах шпиндельного хода получение изохронного колебания маятника или колебания его по круговой дуге в пределах только нескольких градусов является задачей технически трудно разрешимой.

В маятниковых часах со шпиндельным ходом, какими были часы Гюйгенса (см. рис. 126), практически почти невозможно было получить колебания с малым размахом. В этой конструкции, когда маятник Т со шпинделем MN соединяется посредством вилки R и центр подвешивания его S лежит близко к линии опор шпинделя с палетами, имеется большой угол подъема — спуска; он достигает 30—40°. Это обстоятельство обусловливает колебание маятника с большим размахом, который в часах Гюйгенса часто достигал 40—50°. Вариация хода часов при столь большой дуге была весьма значительной и это, безусловно, отражалось на их точности. При данных условиях для Гюйгенса важно было добиться изохронного колебания при любой дуге размаха маятника. Это вынудило его искать средство, могущее обеспечить изохронность колебаний маятника не только при малой, но и при большой амплитуде. Для решения этой задачи Гюйгенсу «потребовалось укрепить и, где нужно, дополнить учение великого Галилея о падении тел. Наиболее желательным плодом, как бы величайшей вершиной этого учения и является открытое мною свойство циклоиды». Для того чтобы найти эту кривую, Гюйгенс вынужден был про водить тщательно подготовленные опыты, основанные на сравнении изученного им падения маятника по круговой дуге с падением тел, скатывающихся по круговому пути под влиянием тяжести. Он стремился найти такую кривую, движение по кото рой могло бы происходить независимо от высоты падения и всегда за одно и то же время. Единственной кривой, удовлетворяю щей этому условию, оказалась циклоида с горизонтальным основанием и вершиной, опущенной вниз. Открытие Гюйгенсом свойства циклоиды, как «кривой с равным временем» или обладаю щей свойством таутохронизма при действии силы тяжести, и было им использовано для создания часов с циклоидальным маятником (рис. 128).

Кроме того, Гюйгенс доказал, что для одного ниспадания и одного восхождения, т. е. для одного качания по циклоиде ABC, нужно столько времени, сколько его требуется для свободного падения тела Р по длине оси циклоиды DB, а оно равно отношению окружности к своему диаметру. Этим определялась не только линия равных времен, какой является циклоида, но и средство вычислять количество колебаний как кругового, так и циклоидального маятника по его длине. Далее Гюйгенс геометрически вывел общеизвестную формулу для определения периода колебаний математического маятника при малой амплитуде/1190, 238]. В теоретической механике эта формула выводится с применением высшей математики’.

Часы Гюйгенса с циклоидальным маятником. Установив, что кривая развертывания циклоиды есть тоже циклоида2, Гюйгенс подвесил маятник на нитях и поместил по обеим их сторонам циклоидально изогнутые металлические щеки (рис. 129) таким образом, чтобы при его качании нити ложились по этим кривым поверхностям. Тогда, действительно, описывая циклоиду, маятник мог иметь равномерный ход при любом изменении амплитуды. Для построения циклоидальных щек Гюйгенс изобрел шаблон, пользуясь разработанной им теорией эволюты и эвольвенты.

В первых часах с циклоидальным маятником, изготовленных Костером, когда еще не было такого шаблона, Гюйгенс находил кривые, соответствующие циклоиде, опытным путем. Часы, снабженные циклоидальным маятником, имеющие большую амплитуду, Гюйгенс считал наиболее пригодными для мореходства. Они, по его мнению, менее подвержены влиянию корабельной качки, чем маятниковые часы с малой амплитудой.

Описание часов с циклоидальным маятником (рис. 130) дано Гюйгенсом в мемуаре «Маятниковые часы». Их маятник состоял из металлического стержня с тяжелой сферой X и движком А для регулирования периода колебаний. Стержень маятника был подвешен на нитях между двух направляющих в виде изогнутых пластинок (щек).

Часы Гюйгенса представляли собой соединение маятника со старым шпиндельным ходом, т. е. с механизмом, способным функционировать и без маятника. Маятник как бы подвешен уже на готовый механизм. В отличие от устройства шпиндельного хода, применявшегося в догюйгенсовых часах, в часах Гюйгенса шпиндель и ходовое колесо смонтированы на взаимно перпендикулярных осях, т. е. шпиндель расположен горизонтально, а ходовое колесо — вертикально.

Маятник совершал колебания под действием вилки S, соединенной с горизонтальным шпинделем М. На оси этого шпинделя имелись палеты LL, которые могли попадать в промежуток между зубьями колеса К. Это ходовое колесо было связано посредством зубчатой передачи с источником энергии (с потенциальной энергией поднятой гири, подвешенной на конце шнура, обернутой вокруг оси D). Маятник при каждом своем колебании мог освобождать ходовое колесо К и одновременно получать им пульс от него. Маятник сам определял момент, когда требуется доставка энергии для получения импульса, и в этом заключается сущность обратной связи, которая впервые появилась в часах из-за применения маятника. Благодаря этому часы Гюйгенса обладали собственным периодом колебания в отличие от догюйгенсовых часов.

Ход часов Гюйгенса был несвободным, так как маятник находился в постоянной кинематической связи с ходовым колесом. При несвободном ходе маятник мог получать неравномернее по силе толчки. В этом недостаток шпиндельного хода, примененного в маятниковых часах Гюйгенса. Труды Гюйгенса по теории циклоидального маятника имели значение не столько в области Хронометрии, сколько для разработки в механике вопросов динамики. Для создания точного хода маятников решающее значение имело не применение циклоидальных щек, а применение анкерного хода, обеспечивавшего колебание маятника по короткой дуге. После Гюйгенса циклоидальный маятник не стал при меняться в хронометрии.

У циклоидального маятника имелись недостатки, которые превышали его достоинства: щекам трудно придать точную кривизну циклоиды; нити вследствие жесткости не вполне прилегают к щекам, так что центр тяжести маятника не движется по циклоиде. Отрицательное влияние оказывают также оседание на нитях пыли, влажность и, наконец, сопротивление воздуха. После введения анкерного хода в маятниковых часах сама собой отпала необходимость использования циклоидальных щек. Они в этом случае являются лишним усложнением конструкции часов.

Задачу о движении математического маятника Гюйгенс решил для того, чтобы перейти к более сложной задаче — к изучению физического маятника. При этом требовалось рассматривать маятник не как математическую точку, подвешенную на невесомой нити, а как систему материальных точек твердого тела.

Рис. 128. Колебание маятника по циклоидальной кривой

Рис. 129. Циклоидальные направляющие (щеки), примененные в часах Гюйгенса 1673 г.

Рис. 130. Маятниковые часы Гюйгенса 1673 г.

Исследуя колебание физического маятника, Гюйгенс пришел к выводу, что его центр качания не может быть математически строго определен, если неизвестен закон, по которому отдельные его части, испытывая действие силы тяжести, взаимно из меняют свое движение в каждое мгновение. Этот закон можно сформулировать так: центр тяжести масс, входящих в состав маятника, при качании его не может подняться ни выше, ни ниже, чем та высота, с которой он спустился, все равно, будут ли эти массы связаны между собой или свободны.

Этот принцип Гюйгенс называл «великим принципом меха ники». В настоящее время он может быть понят и истолкован с точки зрения закона сохранения энергии. В изолированной колебательной системе маятника количество энергии то в виде потенциальной, то в виде кинетической не теряется и не возникает вновь. Сколько было получено при падении маятника за счет силы тяжести, столько же затрачивается при его подъеме. Таким образом, Гюйгенс в свое время подошел к установлению соотношения между потенциальной и кинетической энергией системы материальных точек в поле силы тяжести, или закона со хранения энергии для данного частного случая.

Действие этого закона на колебание физического маятника Гюйгенс излагает следующим образом: «Представим себе, что маятник из нескольких маятников различного веса (массы.— В. П.) выведен из состояния покоя и, после того как он совершил какую-то часть целого колебания, разделен на составные маятники, которые с полученной скоростью двигаются обратно и поднимаются до той или другой высоты; общий их центр тяжести вернется до той же высоты, на которой находился раньше до начала колебания».

Всякий физический, или сложный, маятник условно можно допустить, по Гюйгенсу, состоящим из множества математических маятников с общей осью вращения (подвеса); каждый на своих концах несет массу, из которой и состоит физический маятник. Если бы эти материальные частицы были свободны и не связаны взаимным сцеплением, то каждая из них могла бы подниматься на разные высоты и в различные промежутки времени в зависимости от длины маятника. Но поскольку физический маятник является твердым телом, то и каждая материальная его частица принуждена двигаться вместе с другими по одной и той же траектории; причем верхние частицы ускоряют движение нижних, а нижние замедляют движение верхних. Очевидно, можно найти такую точку, для которой ускорение от верхних частиц и замедление от нижних одинаковы. Эта точка называется центром качания. Он будет двигаться как единая система материальных точек.

Этот центр, по Гюйгенсу, находится на линии, перпендикуляр ной к оси вращения и проходящей через центр тяжести маятника, и удален от этой оси на определенное расстояние, которое может быть найдено по формуле где L — приведенная длина физического маятника; m1, тг, …— масса или вес отдельных частей маятника; r1, rг, …—расстояния их от точки подвеса маятника; р1. р2, …—расстояния от точки подвеса до центра тяжести маятника. Точка, лежащая на геометрической оси маятника на расстоянии L от точки подвеса, называется центром качания маятника. Он лежит несколько ниже центра тяжести маятника.

Сам Гюйгенс следующим образом характеризует возможность перехода от закона колебания простого маятника к закону колебания физического маятника: «Дан маятник, состоящий из произвольного числа частей, множат вес каждой части на квадрат ее расстояния от оси колебаний. Если сумму этих произведений разделить на произведение, получающееся от умножения общего веса всех частей на расстояние общего центра тяжести от той же оси колебаний, то получится длина простого маятника, изохронного е данным сложным, или расстояние между осью колебаний и центром качаний сложного маятника».

Можно сказать, Гюйгенс заменил физический маятник математическим, длина которого равняется расстоянию от точки под веса до центра качания, и доказал, что колебание физического маятника совершается по тому же закону, что и колебание математического маятника. Вследствие этого период колебания фи маятника можно определять по той же формуле, которую Гюйгенс нашел для периода колебаний математического маятника, с тем отличием, что величина / в этой формуле равна L — приведенной длине физического маятника.

Гюйгенс доказал, что центр качания и точка подвеса обладают свойством взаимной переместимости, т. е. если подвесить маятник за центр качаний, то старый центр подвеса станет новым центром качания физического маятника. На этом свойстве основано устройство оборотного маятника (предложен Катером в 1818 г.), при помощи которого легко определяется приведенная длина физического маятника.

Гюйгенс был удовлетворен результатами своих исследований колебания физического маятника и не оценил новых возможностей, представившихся в связи с открытием дифференциального и интегрального исчисления, о котором ему сообщил Лейбниц. В своих выводах Гюйгенс опирался на понимание массы, как ряда отдельных точек, без выяснения возможности перехода к понятию массы, непрерывно заполняющей пространство, к твердому телу. Единственно полноценный способ решения этого во проса дает только интегральное исчисление.

«Непрерывную массу,— писал Лагранж в «Аналитической механике»,— следует представлять себе не в виде бесконечного множества рядом лежащих точек, но в согласии с духом анализа бесконечно малых, в виде целого, составленного из бесконечно малых элементов, обладающих теми же свойствами, как сама масса».

Для истолкования массы непрерывного тела нужно иметь в виду не сумму отдельных его составляющих, но предел суммы, т. е. интеграл, и если ясно оговорить, что под знаком интеграла разуметь не определенную точку, обладающую массой, но массу элемента объема—дифференциал всей массы. Причем предел суммы не зависит от способа разложения тела на элементы объема.

После Гюйгенса теория маятника развивалась под знаком всестороннего применения выводов дифференциального и интегрального исчисления. Поскольку точное исследование колебаний маятника ведет к эллиптическим функциям, элементарный вывод формулы маятника— нелегкая задача. Как известно, с эллиптическими интегралами впервые столкнулся Леонард Эйлер.

Часы Гюйгенса с коническим маятником. Заключительную часть мемуара «Маятниковых часов» Гюйгенс посвятил описанию конструкции часов с коническим маятником и теоремам о центробежной силе, которые приводятся им без доказательства. Доказательства содержатся в отдельной работе — «О центробежной силе», написанной в 1659 г., но вышедшей только в 1703 г.-—через восемь лет после смерти ученого. Эта теоретическая работа вместе с практическим приложением содержащихся в ней основных выводов для создания конического маятника вошла в золотой фонд теоретической и прикладной механики. Для Гюйгенса центробежная сила вовсе не фиктивная, а вполне реальная сила той же природы, что и сила тяжести. Иначе она не попала бы в поле его зрения и не стала бы предметом его специальных исследований.

Центробежная сила развивается при движении тела по криволинейной траектории и происходит вследствие того, что инерция благодаря ранее приобретенному движению направляет тело по прямой, а не по кривой, на которой тело, однако, удерживается действием центростремительной силы. Стремление тела сойти с криволинейной траектории и продолжать движение по прямой (по касательной относительно кривой) и составляет центробежную силу. Она измеряется произведением массы точки на квадрат скорости, деленной на расстояние точки от оси вращения: Эту формулу установил Гюйгенс.

Заменяя линейную скорость точки v угловой , по лучим: Следовательно, при данной угловой скорости центробежная сила возрастает пропорционально расстоянию точки от оси вращения.

Для хронометрии практически особенно важным является равномерное движение тел по окружности. В этом случае вели чина скорости (линейная скорость) остается неизменной, меняется лишь направление движения благодаря действию непрерывной и постоянной по величине силы, направленной всегда к цен тру окружности и придающей движущемуся телу постоянное ускорение. Его называют центростремительным. По величине оно равно центробежному.

Применение в часах конического маятника вытекает из возможности осуществления равномерного его движения по окружности под воздействием центростремительных и центробежных сил. Именно на этом принципе Гюйгенсом и были в 1659 г. созданы часы с коническим маятником. Описывая их, ученый отмечает, что конический маятник совершает движение «по окружности круга» столь же равномерно, как и обычные маятники. Секундная стрелка имеет непрерывное движение по окружности, без скачков. Часы с таким маятником обладают бесшумным и равномерным ходом. Но такие часы было трудно из готовить, потому они не получили широкого распространения. Конический маятник, вращающийся вокруг центральной оси
00′ (рис. 131), проходящий через точку подвеса О и описывающий коническую поверхность, представляет собой нить длиной /
с грузом А весом Р на одном из его концов. Гюйгенс придумал остроумный способ подвески исходя из тех же математических соображений, что и в случае выбора подвески для циклоидального маятника.

Для того чтобы груз, подвешенный на нити, мог равномерно вращаться по окружности, нужно центробежную силу увеличивать пропорционально увеличению радиуса от центра вращения. Это может быть достигнуто путем увеличения линейной скорости пропорционально корню квадратному из увеличения длины радиуса (или длины маятника).

Рис. 131. Принцип действия конического маятника

С увеличением линейной скорости (при постоянном радиусе) центробежная сила возрастает в квадрате. При надлежащем выборе скорости и угла а груз, двигаясь равномерно, будет описывать горизонтальные окружности вокруг вертикали 00′, проходящей через точку О прикрепления нити, причем время полного оборота должно быть постоянным, как время колебания математического маятника.

В 13 тезисах о центробежной силе, изложенных Гюйгенсом в 5-й части «Маятниковых часов», основным является вопрос об определении периода колебаний конического маятника.

При решении этой задачи следует учесть, что маятник, отклоненный от положения равновесия на известный угол а, снова стремится приблизиться к этому отвесному положению с силой g sin а, Эта величина уменьшается по мере уменьшения угла а и обращается в нуль, когда а—0 . Следовательно, эта сила непостоянна. При известном или заданном угле а маятнику сообща ют подходящую линейную скорость с таким расчетом, чтобы равнодействующая Р — веса груза я центробежной силы — имела направление нити ОА, образующей с вертикалью угол а. Тогда нить, соединяющая точку ее подвеса с грузом на ее конце, будет описывать коническую поверхность, совершая равномерное движение по окружности.

Время оборота вращающегося маятника обратно пропорционально корню квадратному из ускорения силы тяжести. С увеличением силы тяжести сила, стремящаяся вернуть гирю в отвесное положение, увеличивается во столько же раз, во сколько увеличивается сила тяжести. Чтобы гиря при этом условии описывала круг, необходимо силу, отклоняющую ее, или центробежную силу, соответственно увеличить путем придания маятнику скорости вращения, пропорциональной корню квадратному из ускорения силы тяжести. Время оборота маятника не зависит от массы, если учесть, что как сила притяжения земли (а следовательно, сила, стремящаяся вернуть гирю в отвесное положение), так и центробежная сила (а следовательно, сила, отклоняющая гирю) одинаково пропорциональны массе гири.

Физический вращающийся маятник подчиняется тем же законам, что и математический. Используя соответствующее механическое устройство, конический маятник можно применять в качестве регулятора хода часов; описание одних таких часов приведено в труде Гюйгенса «Маятниковые часы» вместе с теоремами «О центробежной силе». Конические маятники могут успешно применяться как регуляторы хода во многих приборах, где требуется воспроизводить абсолютно плавное или равномерное движение.

Морские часы Гюйгенса. Конструируя маятниковые часы и создавая теорию их устройства, Гюйгенс стремился сделать их пригодными для определения долготы. Эту задачу он ставит уже в самом начале своих работ над маятниковыми часами. 12 января 1657 г. он писал Схоутену: «На днях я нашел новую конструкцию часов, при помощи которой время измеряется так точно, что появляется немалая надежда на возможность определения при ее помощи долготы, даже если придется везти их по морю».

Об интересе к измерению долготы при помощи часов свидетельствует и письмо Ньютона от 18 мая 1669 г. к Астону: «Служат ли,— спрашивает он,— стенные часы к определению географической долготы?»

В 1661 г. Христиан Гюйгенс сконструировал часы, специально предназначенные для мореплавания. Чтобы они могли насколько возможно сохранять свое вертикальное положение при качке корабля, их установили на кардановом подвесе (рис. 132). Часы имели отдельные циферблаты для минут, секунд и часов.

Маятнику этих часов была придана форма равнобедренного треугольника, в вершине которого подвешен свинцовый груз (линза) 11. Между щеками 10, изогнутыми по циклоиде, подвешены две другие нити с грузиками 9. Перемещая грузики, можно регулировать период колебания маятника. Маятник короткий (24,2 см) и полусекундный. Основание маятника 8 проходит через вилку и ею же поддерживается в движении. Вилка связана со шпинделем и сидящими на нем палетами, которые периодически вступают з контакт с коронным колесом 7.

Механизм морских часов Гюйгенса, приводимый в действие от ходовой пружины, был снабжен особым устройством, позволявшим осуществлять за вод в каждые полминуты на ходу и вместе с тем обеспечивать передачу корон ному колесу импульсов постоянной силы.

Это устройство представляло собой промежуточный двигатель, который был присоединен к оси секундного колеса. Роль заводной пружины сводилась к периодической подзаводке промежуточного двигателя посредством замкну той цепи. Она приводилась в движение гирями вокруг четырех блоков. Гиря
1 при опускании осуществляла передачу импульса ходовому колесу шпиндельного хода, а гиря 2 как противовес служила для натяжения цепи (рис. 133). После поворота стопорного рычага 3 и освобождения стопорного колеса 4, снабженного храповиком 5, гиря 1 могла опускаться до определенного положения и передавать ходовому колесу постоянные по величине импульсы. Об ратный подъем этой гири мог осуществляться благодаря тому, что секундное колесо 6 было связано с пружинным двигателем и могло приводить во вращение стопорное колесо 4. Гиря 1 при подъеме приводила в определенное положение рычаг 3, останавливая тем самым всю колесную передачу. Опускание и подъем гири повторялись снова и снова.

Устройство для стабилизации импульса, примененное Гюйгенсом, явилось предшественником всех промежуточных двигателей, предлагавшихся потом в качестве стабилизаторов импульса.

Результаты, испытаний морских часов Гюйгенса, Сюлли, Дютерта. Гюй генс возлагал большие надежды на свои морские часы, брал патенты в разных странах, организовывал их испытания на суше и на море.

Результаты этих испытаний морских часов с маятником Гюйгенса в конечном счете показали, что они вели себя весьма сносно при хорошей погоде, но при плохой их показания были ненадежными. Маятник часов лишен был какой бы то ни было температурной компенсации, а потому был подвержен влиянию температуры. Кроме того, было установлено, что показания двух маятников одинаковой длины при разных широтах неодинаковы, так как периоды их колебания обратно пропорциональны квадратному корню из ускорения силы тяжести. У полюсов маятник колеблется быстрее, чем на экваторе, где ускорение меньше, чем у полюсов.

Рис. 132. Морские часы Гюйгенса 1661 г.

Рис. 133. Морские часы Гюйгенса со стабилизатором импульса и циклоидальным маятником

Уменьшение силы тяжести на экваторе было замечено в 1672 г. французским астрономом Жаном Рише во время его путешествия в Южную Америку. Таким образом, изобретение маятниковых часов не разрешило проблему определения долготы на море.

В докладной записке Королевской академии наук в 1679 г. (через четыре года после изобретения им баланс-спирали в качестве регулятора часов) Гюйгенс предложил испытать часы с этим регулирующим устройством вместо маятниковых часов. Испытание не дало положительных результатов. Баланс-спираль в этих часах не имел температурной компенсации, поэтому ход часов был подвержен влиянию температурных изменений (в 18 раз большему, чем в маятниковых часах!).

Хотя в результате произведенных испытаний часов Гюйгенса в конечном счете была установлена бесперспективность применения маятниковых часов в качестве морских часов, впоследствии все же был сделан еще ряд попыток использовать принцип устройства маятниковых часов для этой цели. В 1720 г. голландский часовщик Масси получил премию Парижской академии наук за опубликование способа использования маятника на море, но это предложение не имело практического использования.

Следующий шаг в создании морских маятниковых часов был сделан Генри Сюлли (1680—1728) —учеником знаменитого английского часовщика Георга Грагама. Ньютон и Врен обратили внимание Сюлли на исключительную важность создания совершенных морских часов, но он этим вопросом занялся в Париже лишь в конце своей жизни.

Получение Масси в 1720 г. премии Парижской академии наук было тем дополнительным обстоятельством, которое обратило внимание Сюлли на полезность занятий морскими часами. После испытания первых своих морских часов Сюлли в 1724 г. представил их в Академию наук. Описание часов с под робными заметками были посланы Георгу Грагаму. Замечания последнего Сюлли опубликовал в своей работе «Описание вновь изобретенной конструкции часов для точного определения времени на море» (1726).

На рис. 134 показан механизм одной из поздних моделей часов Сюлли, которые были более усовершенствованы по сравнению с его первыми часами.

В обеих моделях — ранней и более поздней — в качестве регулирующего устройства применен весовой рычаг, который практически представлял собой горизонтальный маятник, соединенный с балансом посредством гибкой струны, ограниченной двумя криволинейными щеками. Сюлли придавал большое значение получению точной формы этих щек, якобы неизвестной до него геометрам и обладающей свойством придавать рычагу и балансу изохронные колебания. При колебании баланса в ту и другую сторону от мертвой точки горизонтальный рычаг претерпевал соответствующие движения. Теоретически Сюл ли допустил, что данное устройство может обеспечить точно изохронное колебание, подобно маятнику, совершающему свои колебания по циклоиде, или же балансу, регулируемому спиральной пружиной, не подверженной температурным влияниям. Сюлли считал, что его регулирующее устройство не является обычным маятником и что оно не подвержено влиянию изменения широты места, как это свойственно обычному маятнику. Последнее заключение, основанное на смешении понятия массы маятника с его весом, было ошибочным.

Рис. 134. Модель морских часов Сюлли

Если масса остается неизменной на всех широтах, то в отличие от нее вес из меняется с изменением ускорения силы тяжести, различной для различных широт; вместе с этим изменяется и время колебания маятника, которое обратно пропорционально корню квадратному из ускорения силы тяжести. Этот источник погрешности был бы не столь важен, если бы он не оказывал влияния на колебание горизонтального маятника (стало быть, на всю регулирующую систему часов Сюлли) и движение корабля; а это влияние имелось и было весьма значительным. Под влиянием бортовой и килевой качки судна действие горизонтального маятника на ход баланса становилось иным под влиянием приобретенной при этом инерции, менялось и натяжение струны, а отсюда — и величина силы, действующей на ход баланса.

В 1726 г. были произведены испытания на море одних из последних маятниковых часов, улучшенных Сюлли по заданию Парижской академии наук. Первые испытания производились в относительно спокойных водах Горонны; часы в течение почти полусуток плавания показали отставание на 2,5 с на каждый час по сравнению с тем, как они шли на берегу. Во втором испытании, производившемся во время шторма, изменение хода также было незначительным. Заключение комиссии Академии наук было для Сюлли обнадеживающим.

Совсем иные результаты показало третье испытание часов, проведенное в открытом океане. Оно было плачевно, так как выявило полную непригодность часов Сюлли для использования на море.

В 1726 г. была сделана еще одна попытка создать морские часы, но не с одним, а с двумя маятниками. Их изобретателем был французский часовщик Дютерт; однако испытание и этих часов, произведенное на море, тоже пока зало их непригодность.