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法国和英国的发展 ——《航海天文钟:连载十三》
添加日期:2022/2/8    访问 402 次   
困扰航海计时先驱们的关键问题正是阻碍所有精密计时器进步的那些问题。两个要素必须结合在一起:
1. 时间控制器;将时间分成相等小间隔的装置。
2. 擒纵机构;一种在不影响计时质量的前提下,保持设备运行并计算时间间隔的方法。
 
J9九游会(www.j9.com) 已经看到,到18世纪中叶前,在制造符合这些要求的时钟方面已取得了巨大的进步。温度补偿钟摆是一个很好的时间控制器,当受到直进式擒纵机构的驱动时,它使钟摆在几乎没有干扰的情况下运行。每个月可以准确地把时间误差控制在一秒左右的“校准钟”(regulator),不只是为天文台的使用而制造,而且很快出现在豪门大宅和钟表匠那里。
 
准确的便携式计时器是一个更困难的问题。哈里森和马奇的开创性工作表明,带有某种温度补偿形式的平衡轮可以作为一个合适的时间控制器;然而,他们用来驱动摆轮的擒纵机构实际上是当时表中常用的冕状擒纵机构发展过来的。这些擒纵机构增加了摩擦力,破坏了平衡轮的计时性能;只有通过增加高度复杂的装置,这些钟匠才能成功地在他们的航海计时器上获得良好的效果。现在急需的就是在擒纵机构的设计上有所突破,这种擒纵机构给予摆轮一个尖锐的脉冲,然后将其自身完全从平衡轮上分离,使其自由摆动,直到下一个脉冲;一个成功的“自由式”擒纵机构成为航海钟的必杀技。
 
在18世纪的第三个25年里,法国和英国的先驱成就了“棘爪式”擒纵机构的发展;这是一个简单、可靠的装置,加上对补偿摆轮的改进,使得可靠的、实惠的航海天文钟的批量生产成为可能。

了解棘爪式擒纵机构
这款擒纵机构有两个主要类型,它们的工作方式相同;

不同之处是棘爪的构造。







法国的发展
皮埃尔·勒·罗伊

皮埃尔·勒·罗伊,1717年出生于一个著名的时钟制造家族,开发了其中第一个“自由式”擒纵机构。早期擒纵机构的问题在于,摆轮不断与擒纵机构发出脉冲的某些部分持续摩擦接触。擒纵机构对摆轮的干扰越多,摆轮的工作精度越低;目标是允许摆轮在摆轮弹簧(游丝)的作用下前后自由转动。构造一个擒纵机构,只在一个瞬间,给摆轮一个动力脉冲然后让其继续“自由”运转,是一个成功航海天文钟的基本要素。18世纪70年代,马奇倚靠他的恒力擒纵机构实现了这一目标,然而,正如J9九游会(www.j9.com) 所看到的那样,这一设计过于复杂,难以落实。勒·罗伊在1766年完成了一个航海计时器,与哈里森和马奇的设计大相径庭,在这台计时器中,他解决了与英国制造者遇到的相同问题,但却是以他们所回避的本质上的简单性来解决。
 


勒·罗伊的航海钟——俯视图
 
乍一看,勒·罗伊的航海钟似乎是倒退了一步:它的大型钢制摆轮,直径约10厘米,每秒摆动一次,由两个螺旋式的摆轮游丝控制。他没有选择哈里森的快速转动小型摆轮概念,这种摆轮受海上剧烈颠簸的影响较小。

摆轮尺寸大的一个原因是实现温度补偿的水银和酒精温度计管被连接在摆轮上,这是一个非常有效但相当脆弱的系统。摆轮悬挂在一段承受其重量的钢丝上;枢轴在抗摩擦滚柱中运行,与哈里森使用的类似。与摆轮相比,这个革命性的脉冲系统显得相形见绌,极其简单,它由一个主发条和四个齿轮组成,驱动“自由式”擒纵机构的两个部件。每次交替摆动时,擒纵轮都会直接向摆轮的边缘发出脉冲,除此之外,摆轮几乎完全不受干扰。这台计时器与哈里森和马奇的计时器形成鲜明对比。英国的先驱者们以现有的表为出发点,运用巧妙但高度复杂的方法来改进其性能,从而取得了优异的成绩。另一方面,勒·罗伊通过解决计时的基本问题,而不是试图改进现有技术,从而实现了巨大的飞跃。正是他的成功设计为制造真正实用的航海天文钟指明了方向。
 


勒·罗伊的擒纵机构


勒·罗伊航海钟的部件

法国科学院为一台成功的航海计时器提供了奖项,勒·罗伊以他的原作与第二台一模一样的复制品计时器参赛。1767年,几台计时器被安排在从勒阿弗尔(Le Havre)启航的“曙光”(Aurore)号游艇上进行竞争性实测。勒·罗伊乘坐驿站马车前往港口的旅程非常艰难,以至于其中一台钟的摆轮悬架弹簧断裂;他用当地购买的大键琴丝匆忙修复后,它又恢复了工作。到了测试的时候,所有其他钟匠都退出了,只剩下勒·罗伊一个参赛者。尽管缺乏竞争,它还是决定允许勒·罗伊带上这两台航海钟进行航行测试。这次海试是一次为期三个月的沿海岸航行,在各个港口检查时钟的计时情况。结果非常令人鼓舞:总的来说,时钟每天的误差不超过1.5秒,只有一天第一个计时器显示的误差为5.5秒。
 
第二次海试安排在1768年,乘坐I’ Enjouee护卫舰横渡大西洋,前往纽芬兰(Newfoundland)。结果也很好,足以说服科学院把奖项颁给勒·罗伊,尽管他们评论说,由于计时器在其中一次试验中的一天突然走快11秒,所以还没有达到预期的完美程度。1771年,又安排了一场比赛,勒·罗伊同样用了两个计时器参赛;这次还有另外两个参赛者。他们那两台机器都失败了,勒罗伊再次获奖,尽管事实上他的其中一个计时器在船只撞到礁石时温度计坏了,使它在余下的航程中完全无法工作。
 
勒·罗伊曾多次尝试改进他的计时器,但是,他最终放弃了这些实验,回到了他的早期设计上,他似乎认为这是无法再改进的。他在1784年去世前不久开始研发一台新机器,但没有留下任何细节。在他的一生中,勒·罗伊没有得到他应得的表彰;他的突破,特别是在擒纵机构设计方面,很快就被他的后继者所采用,他们开发了下一代实用可靠的航海天文钟。
 
费迪南·贝尔图德

费迪南·贝尔图德(Ferdinand Berthoud)于1729年出生于瑞士的纳沙泰尔(Neuchatel)。他表现出非凡的机械能力,并于1745年被派往巴黎学习钟表制造。他的能力很快得到认可,并迅速成为行业中的顶尖人物,并在法国永久定居。他对航海计时器的兴趣始于1760年代,并于1763年制造了他的第一台航海钟。这台机器在很大程度上要归功于哈里森早期的工作,而且设计相当粗糙。这是一系列设计不断变化的计时器中的第一个,它试验了不同形式的擒纵机构和温度补偿。贝尔图德逐渐放弃了困扰他早期设计的复杂因素,到1770年代早期,他采用了一种自由式擒纵机构,这充分显示了勒·罗伊的影响力。


费迪南·贝尔图德(Ferdinand Berthoud)
 


贝尔图德自己绘制的他的棘爪擒纵机构
 


早期的贝尔图德航海计时器
 
1770年代和1780年代之间,贝尔图德和英国的约翰·阿诺德(John Arnold),托马斯·恩肖(Thomas Earnshaw)几乎同时进行了进一步的实验,通常很难给予这些制造者中的任何一位在关键发展中的领先。不无道理,有人认为,有几个发明都是由两国独立研发出来的。到了1780年代,贝尔图德已制造出发展成熟的航海天文钟,其设计与英国的阿诺德和恩肖所制造的相似。
 


早期的贝尔图德机芯
 


贝尔图德的航海天文钟,1780年代
 


来自贝尔图德航海天文钟的机芯
 
图中所示的机器有一种改进型的锁簧式棘爪擒纵机构,它对摆轮的脉冲不是在它的轮缘,而是在一个“滚轴”上,一个安装在摆轮正下方的圆盘。通过将两条双金属条直接安装在摆轮上,并通过将砝码移入移出来改变摆轮的重心(补偿了摆轮游丝的弹性变化),从而提高了温度补偿的效果;这种装置比勒·罗伊使用的娇弱玻璃温度计管更加坚固可靠。
 
在所有伟大的钟表大师中,费迪南德·贝尔索德(Ferdinand Berthoud)无疑是最多产的作家,他出版了许多关于航海计时器构造的重要著作,以及大量关于他实验的笔记,这些笔记都附有丰富的插图说明。到1807年他去世时,他已经制造了超过70台航海天文钟。他不断地试验和改进他的设计,他后期的机器与19世纪的标准航海天文钟几乎没有什么不同。贝尔图德的侄子路易斯(Louis)继承了家族事业;他在27年的时间里,以他叔叔后期的机器为蓝本,制造了大约150台航海天文钟。1799年,他因制造了一台显示十进制(“共和”时间)的航海天文钟而获奖。后来,他被波拿巴(Bonaparte )授予每年10,000法郎的退休金,条件是他要培养五名学生学习制作航海天文钟的工艺。

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