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哈里森的倫敦歲月——《航海天文鐘：連載九》
添加日期：2021/12/7    訪(fǎng)問(wèn) 1450 次   
到了十八世紀(jì)早期，倫敦已經(jīng)成為世界上最重要的鐘表和儀器制造中心。時(shí)鐘和手表制造是當(dāng)時(shí)一個(gè)主要的產(chǎn)業(yè)，像哈里森這樣的人，單獨(dú)建造一個(gè)完整的機(jī)械裝置，已經(jīng)不合時(shí)宜了。 在首都的工作室以及中部和北部不斷發(fā)展的工業(yè)中心，都可以找到一小批專(zhuān)家，他們從事鐘表行業(yè)各個(gè)方面的工作。一臺(tái)完整的時(shí)鐘或手表是由鑄造廠和冶煉廠生產(chǎn)出原材料的；然后由工匠們專(zhuān)門(mén)制造發(fā)條、齒輪、螺絲、時(shí)分秒針等；其他包括雕刻師、搪瓷工、鍍金匠、鐘殼和玻璃制造商；以及精密工具和機(jī)械的制造商。哈里森一定已經(jīng)意識(shí)到，他已不可能再在林肯郡的荒郊野外獨(dú)自工作了；為了加快他的工作，他需要去倫敦，那里他可以隨時(shí)買(mǎi)到他自己無(wú)法生產(chǎn)的材料和零件。毫無(wú)疑問(wèn)，他也重視他的朋友喬治·格雷厄姆以及他圈內(nèi)朋友的建議和支持，他的圈內(nèi)有許多當(dāng)時(shí)頂尖的科學(xué)家。

一臺(tái)18世紀(jì)的均力圓錐輪制造機(jī)器
 
哈里森于1737年搬到了倫敦，在霍爾伯恩（Holborn）的皮革巷（Leather Lane）安家；三年后，他西遷至紅獅廣場(chǎng)（Red Lion Square），在那里度過(guò)了余生。接下來(lái)的兩年里，他專(zhuān)注于制造第二個(gè)計(jì)時(shí)器H2。他并沒(méi)有成功地制造出更緊湊的計(jì)時(shí)器；它比H1更大，重量更重，有39公斤。它遵循與H1相同的基本設(shè)計(jì)，但它展現(xiàn)了倫敦工匠的影響，有助于它的制造和外觀處理。它的制造中用了很少的木材，它有一塊顯眼的銘牌，上面刻有“1737年6月30日，根據(jù)委員會(huì)的命令，為喬治二世陛下制作”的銘文。
 
哈里森所做的改進(jìn)包括簡(jiǎn)化和更有效的溫度補(bǔ)償，以及一個(gè)沖量穩(wěn)定器（remontorie），一種為避免功率輸出變化而設(shè)計(jì)的裝置，在他早期的時(shí)鐘里，當(dāng)主發(fā)條松開(kāi)時(shí)，不可避免地會(huì)發(fā)生這種情況。H2的主發(fā)條每三分四十五秒給另一個(gè)小型發(fā)條上弦；這個(gè)小發(fā)條直接驅(qū)動(dòng)擒縱機(jī)構(gòu)，使兩個(gè)平衡擺產(chǎn)生更均勻的脈沖。盡管有這些改進(jìn)，哈里森對(duì)H2的表現(xiàn)并不滿(mǎn)意。他逐漸意識(shí)到，他最初使用的兩個(gè)沉重的平衡擺來(lái)控制時(shí)間的想法是主要的問(wèn)題。雖然它們被連接在一起并朝相反的方向擺動(dòng)，但這并沒(méi)有像他所希望的那樣完全抵消船只的顛簸。船只在不同水平面上顛簸時(shí)產(chǎn)生的離心力會(huì)影響平衡擺，從而導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的計(jì)時(shí)誤差。他似乎已經(jīng)得出結(jié)論，解決 H2的問(wèn)題就是去掉啞鈴型的平衡擺，將其更換為旋轉(zhuǎn)式平衡輪。但他不可能對(duì)H2進(jìn)行改造，他不想向委員會(huì)提交他認(rèn)為有缺陷的設(shè)計(jì)，而是請(qǐng)求委員會(huì)進(jìn)一步撥款500英鎊，以完成第三臺(tái)計(jì)時(shí)器。他向委員會(huì)保證，這將遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于前兩臺(tái)機(jī)器。值得稱(chēng)道的是，委員會(huì)繼續(xù)支持哈里森，他回到了自己的工作崗位上，完成第三臺(tái)計(jì)時(shí)器H3。
 

H2——哈里森的第二臺(tái)航海鐘（國(guó)家海事博物館）
 
H3占用了哈里森將近二十年的時(shí)間；他沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)，在繼續(xù)發(fā)展他在前兩個(gè)早期計(jì)時(shí)器的想法時(shí)，他完全走錯(cuò)了路。然而，他的時(shí)間并沒(méi)有完全浪費(fèi)，因?yàn)檫@臺(tái)機(jī)器帶來(lái)了兩項(xiàng)對(duì)未來(lái)技術(shù)有著持久貢獻(xiàn)的發(fā)明：用于補(bǔ)償溫度變化的雙層金屬帶和滾柱軸承。
 
經(jīng)過(guò)五年的開(kāi)發(fā)工作，H3的首次測(cè)試令人失望；盡管如此，哈里森仍然固執(zhí)地堅(jiān)持他的基本理念。幾年過(guò)去了，盡管他付出了艱苦的努力，這臺(tái)機(jī)器還是沒(méi)有表現(xiàn)得足夠好，他無(wú)法將它提交給經(jīng)度委員會(huì)進(jìn)行測(cè)試。哈里森的支持者對(duì)他保持信心，委員會(huì)繼續(xù)為他在H3上的工作提供資金，在這段時(shí)間里，他總共獲得了3000多英鎊，這是政府支持此類(lèi)科學(xué)研究的一個(gè)前所未有的例子?；始覍W(xué)會(huì)授予他最高榮譽(yù)——科普利獎(jiǎng)?wù)拢–opley Medal）。然而，盡管哈里森聲名顯赫，但不難想象他此時(shí)的精神狀態(tài)；H1的早期成功帶來(lái)的希望已經(jīng)過(guò)去好多年了，隨后的兩個(gè)計(jì)時(shí)器似乎注定要失敗。在1750年代早期的某個(gè)時(shí)候，他似乎已經(jīng)意識(shí)到，移動(dòng)困難、有著沉重平衡擺的大型儀器，太容易受到船只劇烈顛簸的影響，他必須改變思路。
 

H3——哈里森的第三臺(tái)航海鐘（國(guó)家海事博物館）
 
現(xiàn)在，哈里森把他的發(fā)明才能轉(zhuǎn)向了表的技術(shù)，它自1675年左右引入游絲擺輪以來(lái)，基本上沒(méi)有改變。最好的表每天的計(jì)時(shí)偏差超過(guò)一分鐘左右；也許這能夠改進(jìn)？
 
雙層金屬帶
 


這個(gè)裝置，哈里森稱(chēng)之為“溫度夾”，后來(lái)被稱(chēng)為“補(bǔ)償夾（Compensation Curb）”。它是由一條鋼帶和黃銅帶鉚接而成。黃銅的膨脹和收縮速率比鋼快；這會(huì)導(dǎo)致桿在溫度升高時(shí)向一個(gè)方向彎曲（黃銅側(cè)凸出），在溫度降低時(shí)向相反方向彎曲。
 
H3的兩個(gè)平衡擺由一條短游絲控制；正如早期的表一樣，通過(guò)“限位釘（curb pins）”來(lái)控制，可以按溫度移動(dòng)，從而縮短和拉伸發(fā)條，造成振動(dòng)頻率的增減。補(bǔ)償夾會(huì)隨著溫度的變化自動(dòng)調(diào)整振動(dòng)頻率。如今，我們看到這種裝置廣泛應(yīng)用于各種電器設(shè)備，比如水壺、烤面包機(jī)、電熨斗和中央空調(diào)。
 
哈里森的想法是，未來(lái)的發(fā)展方向是制造一款帶有擺輪的表，這種擺輪的振動(dòng)速度比標(biāo)準(zhǔn)的表更快，擺動(dòng)弧度更大。他重新設(shè)計(jì)了冕狀擒縱機(jī)構(gòu)，使擺輪的振幅（旋轉(zhuǎn)角度）遠(yuǎn)大于普通的表。一個(gè)比普通更大、更重的平衡擺會(huì)被安裝一個(gè)更強(qiáng)的發(fā)條，其強(qiáng)度足以驅(qū)動(dòng)擺輪每秒擺動(dòng)五次。這樣安排的唯一缺點(diǎn)是，如果表停了，它就不會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)：它需要搖一搖才能再次啟動(dòng)。任何專(zhuān)業(yè)表匠都會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)致命的缺陷；一個(gè)需要搖晃才能啟動(dòng)的表有什么用呢？然而，哈里森相信，他的高速運(yùn)動(dòng)、高能平衡擺將改善他心目中的表的性能。他沒(méi)有嘗試自己制作，而是委托了一名倫敦表匠，約翰·杰弗里斯（John Jeffreys），在1751年至1752年間，按照他的新設(shè)計(jì)制作了一塊表。
 
哈里森H4計(jì)時(shí)器擒縱機(jī)構(gòu)的研制
 

冕狀擒縱機(jī)構(gòu)
 
這是早期便攜式鐘表中所使用的擒縱機(jī)構(gòu)。擺輪控制時(shí)間，由作用在擒縱輪輪齒上的兩個(gè)擒縱叉交替驅(qū)動(dòng)。振幅，即擺輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相對(duì)較?。s90°），計(jì)時(shí)誤差每天不少于15分鐘。
 

加入擺輪游絲
 
17世紀(jì)后期，羅伯特·胡克（Robert Hook）建議在擺輪上安裝一個(gè)游絲彈簧。這大大改善了擺輪的計(jì)時(shí)性能，因?yàn)樗F(xiàn)在依賴(lài)于發(fā)條的彈性而不是慣性。計(jì)時(shí)性能提高到每天一兩分鐘。但有幾個(gè)缺點(diǎn)妨礙了更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)，包括溫度變化導(dǎo)致發(fā)條彈性的變化，以及主發(fā)條功率輸出變化導(dǎo)致擺輪擺幅的變化。
 

哈里森H4的擒縱機(jī)構(gòu)
 
哈里森重新設(shè)計(jì)了冕狀擒縱機(jī)構(gòu)，并用鉆石制成的特殊形狀擒縱叉取代了老舊冕狀擒縱機(jī)構(gòu)中使用的粗糙鋼制擒縱叉。這使得擺輪的擺幅比以前高得多（290°）。游絲的溫度補(bǔ)償由他的“補(bǔ)償夾”和一個(gè)“沖量穩(wěn)定器”提供，一種由一個(gè)小型發(fā)條驅(qū)動(dòng)擒縱輪的裝置，每7.5秒上發(fā)條一次，給擺輪帶來(lái)了更恒定的脈沖。其結(jié)果是在計(jì)時(shí)方面有了巨大的改進(jìn)，每天的計(jì)時(shí)誤差不超過(guò)一秒。
 
顯然，哈里森期望這只實(shí)驗(yàn)性的表在計(jì)時(shí)方面會(huì)有一定的改進(jìn)；然而，新的設(shè)計(jì)比他所希望的要成功得多。最后，他似乎找到了正確的方向，盡管他沒(méi)有完全放棄H3的工作，但他看到基于杰弗里斯表的更優(yōu)性能所提供的新方向（它就是在托馬斯·金所繪制的肖像畫(huà)中哈里森手里拿著的這塊表，現(xiàn)在懸掛于國(guó)家海事博物館內(nèi)）。1755年6月，他再次出現(xiàn)在委員會(huì)面前，要求獲得進(jìn)一步的撥款以繼續(xù)他在H3上的工作，他請(qǐng)求支持去制造兩塊表，“一塊的大小可以放在口袋里，另一塊大一些…從一個(gè)已經(jīng)朝著這個(gè)方向運(yùn)行的表的性能來(lái)看，我們有良好的理由認(rèn)為，這樣的小型機(jī)械裝置可以在海上經(jīng)度測(cè)量方面發(fā)揮更巨大的作用”。委員會(huì)欣然給了他所要求的資助，在接下來(lái)的四年里，他努力創(chuàng)作自己的杰作，這只裝在普通銀質(zhì)表殼中的大型表現(xiàn)在被稱(chēng)為H4，它是第一個(gè)成功的航海計(jì)時(shí)器。

H4——約翰·哈里森的第四臺(tái)航海鐘，制造于1755-1759年，最終贏得了經(jīng)度獎(jiǎng)（國(guó)家海事博物館）
 

哈里森H4的部分手稿
 
H4 由杰弗里斯表順理成章發(fā)展而來(lái)；哈里森使用同樣的擒縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)驅(qū)動(dòng)直徑為55毫米的大型普通鋼制擺輪。如早期的表一樣，平衡擺以每秒五次的頻率振蕩，并且有一個(gè)三圈多一點(diǎn)的鋼制游絲擺輪。除了它的高頻率，平衡擺的擺動(dòng)弧度比普通表要大得多，從其接收擒縱機(jī)構(gòu)脈沖的靜止點(diǎn)開(kāi)始，每個(gè)方向的最大角度為145°。為了消除主發(fā)條輸出的不均勻功率，他再次使用了一個(gè)沖量穩(wěn)定器，每隔7.5秒上發(fā)條一次。溫度變化的補(bǔ)償是通過(guò)一個(gè)為H3開(kāi)發(fā)的補(bǔ)償夾的微型版本來(lái)實(shí)現(xiàn)，這可以在哈里森自己的圖紙上看到。
 
表技術(shù)的使用意味著哈里森不得不放棄他常用的低摩擦軸承；這個(gè)計(jì)時(shí)器需要上潤(rùn)滑油，這是他在早期的機(jī)械裝置中極力避免的。他采用了本世紀(jì)初由倫敦工匠開(kāi)發(fā)的一種新型軸承——寶石軸承。鐘表齒輪的樞軸總是在銅板上鉆的孔中轉(zhuǎn)動(dòng)，但這些孔容易磨損，導(dǎo)致輪齒嚙合不良。人們意識(shí)到，紅寶石或藍(lán)寶石（同一種礦物剛玉，僅次于鉆石的最硬物質(zhì)）可以成形和鉆孔，以制造軸承，并安裝在表夾板上。淬火鋼制樞軸的組合在更硬的寶石軸承中轉(zhuǎn)動(dòng)，大大提高了表的運(yùn)行表現(xiàn)和壽命。這項(xiàng)技術(shù)很快成為高品質(zhì)手表制作的標(biāo)準(zhǔn)方法。除了盡可能使用紅寶石外，哈里森更進(jìn)一步，用鉆石制作了擒縱叉的進(jìn)出瓦。后來(lái)他承認(rèn)，他發(fā)現(xiàn)這些進(jìn)出瓦的制造是一個(gè)很大的難題，這并不奇怪；事實(shí)上，他是如何做到這一點(diǎn)的仍然是個(gè)謎。每個(gè)小型進(jìn)出瓦面都是旋輪線(xiàn)狀（cycloid）；用紅寶石制作它們已經(jīng)夠難，但用比紅寶石硬很多倍的鉆石制作它們就更難了，這是一項(xiàng)偉大的成就。
 
經(jīng)過(guò)了三十年的艱苦工作，大部分時(shí)間都花在H3上（他后來(lái)稱(chēng)之為“好奇的機(jī)器”），才意識(shí)到自己走錯(cuò)了方向。他頑強(qiáng)的毅力和一心一意的決心值得欽佩，他決定放棄他的大型航海鐘，將自己的天賦奉獻(xiàn)給普通表的開(kāi)發(fā)。H4的直徑只有13厘米，裝在一個(gè)純銀的“雙層外殼”中，這是當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)懷表的大型版本。一個(gè)內(nèi)部表殼可以打開(kāi)進(jìn)行上發(fā)條和指針設(shè)置，它被封閉在一個(gè)外部的保護(hù)殼中。這個(gè)表殼有著1760 - 61年倫敦表的標(biāo)志性特征，可能是由亨利·湯普森（Henry Thompson）制作，他是一名住在哈里森附近銀器街（Silver Street）的“小工”。

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