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天才钟匠约翰·哈里森(John Harrison)——《航海天文钟:连载六》
日期:2021/11/23     访问 1153
约翰·哈里森,1693年出生于约克郡(Yorkshire)拉格比(Wragby)教区的福尔比(Foulby)。他的父亲受雇于一个大地主罗伯特·温爵士(Sir Robert Winn),从事木工工作。他是五个孩子中的长子,自然而然地注定要和父亲一起在诺斯特修道院(Nostel Priory)的温家庄园工作。当约翰六七岁的时候,全家搬到了林肯郡(Lincolnshire)亨伯河北岸的巴罗,也就是在那里,他开始在他父亲的工场里接受训练。我们不清楚小约翰是如何接受教育的,但我们确知,当地的一位牧师显然发现了这个男孩的数学天赋,并把剑桥大学数学家桑德森(Nicholas Saunderson)主办的一系列自然哲学讲座的抄本借给了他。哈里森自己复制了这份抄本,我们可以从他丰富的笔记中看出,他花了很多年来理解力学原理,包括牛顿的运动定律。他兴趣广泛,包括音乐;他演奏维奥尔琴,并对教堂钟的调音产生了浓厚的兴趣。他的数学天赋使他对音阶理论产生了兴趣,后来他发表了自己的音阶理论。


约翰·哈里森(John Harrison)
 
哈里森对时钟的兴趣从何而来一直是个谜;我们知道他所在的地方并没有钟匠,但也许是他对力学的研究引导他走向了那个方向。我们只知道他在1713年建造了第一座钟,那时他还不到20岁。这座钟仍然保留着,可以在伦敦市政厅(London Guildhall)的钟匠公会博物馆里看到。
 


哈里森时钟的机芯
 
这座钟的设计很普通,特别之处在于大部分齿轮的结构,这些齿轮是用他最熟悉的材料——木头制成。齿轮材质大部分为橡木和黄杨木,外围为橡木齿,木头纹理的走向以提供最大的强度为原则。他还使用了愈疮木,一种天然油性的热带硬木;这些齿轮没有磨损,证明了他精湛技艺的质量。在接下来的四年里,两座类似的钟被制造出来;它们的机芯被保存下来,一个在伦敦科学博物馆展出,另一个在诺斯泰尔修道院。这组时钟里最后一台的钟门后贴着一份有趣的记录,那是哈里森自己的时差表(Equation of time),他在上面标注,“巴罗纬度53度18分,太阳升起和落下的时间表格,如果你的时钟准确的话,差异应该是在这范围之内。哈里森似乎是根据自己的观察和计算得出了这份表格。
 


哈里森早期的时钟
 
由于没有受到其他钟匠的影响,这确实有助于哈里森的独创能力,他很快发现了需要克服的问题,并设计出自己的解决方案。他作为钟匠的能力得到了查尔斯·佩勒姆爵士(Sir Charles Pelham)的注意,他在1720年委托哈里森在巴罗(Barrow)以南几英里的布罗克斯比公园(Brocklesby Park),为他的新马厩建造一座塔钟。这座非凡的塔钟,同样主要由木头制成,有着无油运转的巨大优势。很明显,哈里森发现了制造精确计时器的一个主要缺点——润滑问题。那个时期的原始油脂是由动物脂肪制成的,很快就会变成了一团粘稠的东西,令工作部件不再顺滑运转,影响走时准确。他还避免使用易生锈的钢铁,而在需要金属的地方使用黄铜。时钟于1722年完成,除了在1884年进行了短暂的翻新外,至今一直运转。


来自一台哈里森时钟里的齿轮
 
在1720年代中期,哈里森是否有意致力于建造一个航海计时器?他一定知道这个大奖(以如今的价值计算大约有200万英镑),并且显然对自己的能力很有信心。是在什么时候,他决定参加比赛,争夺奖项,我们不知道。在建造一个精确航海计时器之前,按道理会先去建造一个非常精确的固定时钟,准确度超过当时最好的摆钟,每天能精确到几秒钟。他就是这样去做的。
 
从1725年开始的两年多时间里,在他的弟弟詹姆斯(James,另一位精湛的工匠)的帮助下,他制造了三台非凡的落地钟。这些“校准钟(Regulator)”(为精确走时而制造的时钟)相当有创意;相对于伦敦的钟表同行,包括其中最伟大的,也在开发精密校准钟的乔治·格雷厄姆,哈里森走了不同的方向。
 
这些时钟又一次使用了哈里森先进的木材技术,来消除对润滑的需要。他还尽可能地减少摩擦,他意识到这是早期计时器的缺点之一。时钟的齿轮组把能量从动力源———一个下落的重锤——传输到擒纵机构,使钟摆产生有规律的脉冲。摩擦,特别是在齿轮轴承,会消耗能量,导致不均匀的功率输出,以及对钟摆不均匀的脉冲。哈里森发明了一种新型轴承(现代机械中滚柱轴承的前身),他时钟里的齿轮在这些轴承中的转动几乎没有任何阻力。
 
哈里森的笼形滚柱轴承
 
为了减少时钟齿轮的摩擦,哈里森发明了一种新型轴承,这种轴承是大多数现代机械中使用的滚珠轴承和滚柱轴承的先驱。齿轮轴由四个滚柱支撑,在外笼内的一个框架上旋转。齿轴和滚柱接触产生的摩擦很小,就省去了对润滑油的需要。


 
哈里森的标准时计的时间控制器就是钟摆,钟摆理论最早由伽利略提出,并在17世纪中叶由惠更斯(Huygens)实现在时钟上,早期的钟摆很短,摆动弧度为20 °到30 °;到17世纪末,人们发现长摆每秒摆动一次的摆动角度小于5 ° ,计时效果更好。伦敦钟匠擅长生产美观的落地钟,每天的时间能精确到几秒钟。然而,哈里森一直在追求每月几秒钟的高准确性,需要对当时最好的时钟进行根本性的改进。为了达到高精度,钟摆需要一个非常稳定的脉冲,这样才能在很长时间内保持摆动弧度不变。

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