哈里森的伦敦岁月——《航海天文钟：连载九》--新闻资讯

哈里森的伦敦岁月——《航海天文钟：连载九》

日期：2021/12/7 访问 1450 次

到了十八世纪早期，伦敦已经成为世界上最重要的钟表和仪器制造中心。时钟和手表制造是当时一个主要的产业，像哈里森这样的人，单独建造一个完整的机械装置，已经不合时宜了。在首都的工作室以及中部和北部不断发展的工业中心，都可以找到一小批专家，他们从事钟表行业各个方面的工作。一台完整的时钟或手表是由铸造厂和冶炼厂生产出原材料的；然后由工匠们专门制造发条、齿轮、螺丝、时分秒针等；其他包括雕刻师、搪瓷工、镀金匠、钟壳和玻璃制造商；以及精密工具和机械的制造商。哈里森一定已经意识到，他已不可能再在林肯郡的荒郊野外独自工作了；为了加快他的工作，他需要去伦敦，那里他可以随时买到他自己无法生产的材料和零件。毫无疑问，他也重视他的朋友乔治·格雷厄姆以及他圈内朋友的建议和支持，他的圈内有许多当时顶尖的科学家。

一台18世纪的均力圆锥轮制造机器

哈里森于1737年搬到了伦敦，在霍尔伯恩（Holborn）的皮革巷（Leather Lane）安家；三年后，他西迁至红狮广场（Red Lion Square），在那里度过了余生。接下来的两年里，他专注于制造第二个计时器H2。他并没有成功地制造出更紧凑的计时器；它比H1更大，重量更重，有39公斤。它遵循与H1相同的基本设计，但它展现了伦敦工匠的影响，有助于它的制造和外观处理。它的制造中用了很少的木材，它有一块显眼的铭牌，上面刻有“1737年6月30日，根据委员会的命令，为乔治二世陛下制作”的铭文。

哈里森所做的改进包括简化和更有效的温度补偿，以及一个冲量稳定器（remontorie），一种为避免功率输出变化而设计的装置，在他早期的时钟里，当主发条松开时，不可避免地会发生这种情况。H2的主发条每三分四十五秒给另一个小型发条上弦；这个小发条直接驱动擒纵机构，使两个平衡摆产生更均匀的脉冲。尽管有这些改进，哈里森对H2的表现并不满意。他逐渐意识到，他最初使用的两个沉重的平衡摆来控制时间的想法是主要的问题。虽然它们被连接在一起并朝相反的方向摆动，但这并没有像他所希望的那样完全抵消船只的颠簸。船只在不同水平面上颠簸时产生的离心力会影响平衡摆，从而导致不可预测的计时误差。他似乎已经得出结论，解决 H2的问题就是去掉哑铃型的平衡摆，将其更换为旋转式平衡轮。但他不可能对H2进行改造，他不想向委员会提交他认为有缺陷的设计，而是请求委员会进一步拨款500英镑，以完成第三台计时器。他向委员会保证，这将远远领先于前两台机器。值得称道的是，委员会继续支持哈里森，他回到了自己的工作岗位上，完成第三台计时器H3。

H2——哈里森的第二台航海钟（国家海事博物馆）

H3占用了哈里森将近二十年的时间；他没有意识到这一点，在继续发展他在前两个早期计时器的想法时，他完全走错了路。然而，他的时间并没有完全浪费，因为这台机器带来了两项对未来技术有着持久贡献的发明：用于补偿温度变化的双层金属带和滚柱轴承。

经过五年的开发工作，H3的首次测试令人失望；尽管如此，哈里森仍然固执地坚持他的基本理念。几年过去了，尽管他付出了艰苦的努力，这台机器还是没有表现得足够好，他无法将它提交给经度委员会进行测试。哈里森的支持者对他保持信心，委员会继续为他在H3上的工作提供资金，在这段时间里，他总共获得了3000多英镑，这是政府支持此类科学研究的一个前所未有的例子。皇家学会授予他最高荣誉——科普利奖章（Copley Medal）。然而，尽管哈里森声名显赫，但不难想象他此时的精神状态；H1的早期成功带来的希望已经过去好多年了，随后的两个计时器似乎注定要失败。在1750年代早期的某个时候，他似乎已经意识到，移动困难、有着沉重平衡摆的大型仪器，太容易受到船只剧烈颠簸的影响，他必须改变思路。

H3——哈里森的第三台航海钟（国家海事博物馆）

现在，哈里森把他的发明才能转向了表的技术，它自1675年左右引入游丝摆轮以来，基本上没有改变。最好的表每天的计时偏差超过一分钟左右；也许这能够改进？

双层金属带

这个装置，哈里森称之为“温度夹”，后来被称为“补偿夹（Compensation Curb）”。它是由一条钢带和黄铜带铆接而成。黄铜的膨胀和收缩速率比钢快；这会导致杆在温度升高时向一个方向弯曲（黄铜侧凸出），在温度降低时向相反方向弯曲。

H3的两个平衡摆由一条短游丝控制；正如早期的表一样，通过“限位钉（curb pins）”来控制，可以按温度移动，从而缩短和拉伸发条，造成振动频率的增减。补偿夹会随着温度的变化自动调整振动频率。如今，我们看到这种装置广泛应用于各种电器设备，比如水壶、烤面包机、电熨斗和中央空调。

哈里森的想法是，未来的发展方向是制造一款带有摆轮的表，这种摆轮的振动速度比标准的表更快，摆动弧度更大。他重新设计了冕状擒纵机构，使摆轮的振幅（旋转角度）远大于普通的表。一个比普通更大、更重的平衡摆会被安装一个更强的发条，其强度足以驱动摆轮每秒摆动五次。这样安排的唯一缺点是，如果表停了，它就不会自动启动：它需要摇一摇才能再次启动。任何专业表匠都会认为这是一个致命的缺陷；一个需要摇晃才能启动的表有什么用呢？然而，哈里森相信，他的高速运动、高能平衡摆将改善他心目中的表的性能。他没有尝试自己制作，而是委托了一名伦敦表匠，约翰·杰弗里斯（John Jeffreys），在1751年至1752年间，按照他的新设计制作了一块表。

哈里森H4计时器擒纵机构的研制

冕状擒纵机构

这是早期便携式钟表中所使用的擒纵机构。摆轮控制时间，由作用在擒纵轮轮齿上的两个擒纵叉交替驱动。振幅，即摆轮转动的角度相对较小（约90°），计时误差每天不少于15分钟。

加入摆轮游丝

17世纪后期，罗伯特·胡克（Robert Hook）建议在摆轮上安装一个游丝弹簧。这大大改善了摆轮的计时性能，因为它现在依赖于发条的弹性而不是惯性。计时性能提高到每天一两分钟。但有几个缺点妨碍了更准确的计时，包括温度变化导致发条弹性的变化，以及主发条功率输出变化导致摆轮摆幅的变化。

哈里森H4的擒纵机构

哈里森重新设计了冕状擒纵机构，并用钻石制成的特殊形状擒纵叉取代了老旧冕状擒纵机构中使用的粗糙钢制擒纵叉。这使得摆轮的摆幅比以前高得多（290°）。游丝的温度补偿由他的“补偿夹”和一个“冲量稳定器”提供，一种由一个小型发条驱动擒纵轮的装置，每7.5秒上发条一次，给摆轮带来了更恒定的脉冲。其结果是在计时方面有了巨大的改进，每天的计时误差不超过一秒。

显然，哈里森期望这只实验性的表在计时方面会有一定的改进；然而，新的设计比他所希望的要成功得多。最后，他似乎找到了正确的方向，尽管他没有完全放弃H3的工作，但他看到基于杰弗里斯表的更优性能所提供的新方向（它就是在托马斯·金所绘制的肖像画中哈里森手里拿着的这块表，现在悬挂于国家海事博物馆内）。1755年6月，他再次出现在委员会面前，要求获得进一步的拨款以继续他在H3上的工作，他请求支持去制造两块表，“一块的大小可以放在口袋里，另一块大一些…从一个已经朝着这个方向运行的表的性能来看，我们有良好的理由认为，这样的小型机械装置可以在海上经度测量方面发挥更巨大的作用”。委员会欣然给了他所要求的资助，在接下来的四年里，他努力创作自己的杰作，这只装在普通银质表壳中的大型表现在被称为H4，它是第一个成功的航海计时器。

H4——约翰·哈里森的第四台航海钟，制造于1755-1759年，最终赢得了经度奖（国家海事博物馆）

哈里森H4的部分手稿

H4 由杰弗里斯表顺理成章发展而来；哈里森使用同样的擒纵机构设计来驱动直径为55毫米的大型普通钢制摆轮。如早期的表一样，平衡摆以每秒五次的频率振荡，并且有一个三圈多一点的钢制游丝摆轮。除了它的高频率，平衡摆的摆动弧度比普通表要大得多，从其接收擒纵机构脉冲的静止点开始，每个方向的最大角度为145°。为了消除主发条输出的不均匀功率，他再次使用了一个冲量稳定器，每隔7.5秒上发条一次。温度变化的补偿是通过一个为H3开发的补偿夹的微型版本来实现，这可以在哈里森自己的图纸上看到。

表技术的使用意味着哈里森不得不放弃他常用的低摩擦轴承；这个计时器需要上润滑油，这是他在早期的机械装置中极力避免的。他采用了本世纪初由伦敦工匠开发的一种新型轴承——宝石轴承。钟表齿轮的枢轴总是在铜板上钻的孔中转动，但这些孔容易磨损，导致轮齿啮合不良。人们意识到，红宝石或蓝宝石（同一种矿物刚玉，仅次于钻石的最硬物质）可以成形和钻孔，以制造轴承，并安装在表夹板上。淬火钢制枢轴的组合在更硬的宝石轴承中转动，大大提高了表的运行表现和寿命。这项技术很快成为高品质手表制作的标准方法。除了尽可能使用红宝石外，哈里森更进一步，用钻石制作了擒纵叉的进出瓦。后来他承认，他发现这些进出瓦的制造是一个很大的难题，这并不奇怪；事实上，他是如何做到这一点的仍然是个谜。每个小型进出瓦面都是旋轮线状（cycloid）；用红宝石制作它们已经够难，但用比红宝石硬很多倍的钻石制作它们就更难了，这是一项伟大的成就。

经过了三十年的艰苦工作，大部分时间都花在H3上（他后来称之为“好奇的机器”），才意识到自己走错了方向。他顽强的毅力和一心一意的决心值得钦佩，他决定放弃他的大型航海钟，将自己的天赋奉献给普通表的开发。H4的直径只有13厘米，装在一个纯银的“双层外壳”中，这是当时标准怀表的大型版本。一个内部表壳可以打开进行上发条和指针设置，它被封闭在一个外部的保护壳中。这个表壳有着1760 - 61年伦敦表的标志性特征，可能是由亨利·汤普森（Henry Thompson）制作，他是一名住在哈里森附近银器街（Silver Street）的“小工”。