Морской хронометр - Marine chronometer

Морской хронометр
Механизм хронометра Frodsham.jpg
Морской хронометр от Чарльз Фродшем Лондона, перевернутый вверх дном, чтобы показать движение. Хронометр около 1844-1860 гг.
КлассификацияЧасы
ПромышленностьТранспорт
заявкаХронометраж
РаботаетНет
ИзобретательДжон Харрисон
Изобрел1761

А морской хронометр это часы который достаточно точен, чтобы его можно было использовать в качестве портативного стандарт времени; поэтому его можно использовать для определения долгота посредством точного измерения времени известного фиксированного местоположения, например Время по Гринвичу (GMT) и время в текущем месте. Когда он впервые был разработан в 18 веке, он был крупным техническим достижением, поскольку точное знание времени во время длительного морского путешествия необходимо для навигация, без электронных средств или средств связи. Первый настоящий хронометр был делом всей жизни одного человека, Джон Харрисон, охватывающий 31 год постоянных экспериментов и испытаний, которые произвели революцию в военно-морской (а позже и в воздушной) навигации и позволили Эпоха открытий и Колониализм ускоряться.

Период, термин хронометр был придуман из греческих слов χρόνος (хронос) (имеется в виду время) и метр (имеется в виду мера) в 1714 г. Джереми Такер, один из первых конкурентов приз установлен Закон о долготе в том же году.[1] В последнее время он стал чаще использоваться для описания часы проверены и сертифицированы чтобы соответствовать определенным стандартам точности. Часы, сделанные в Швейцария может отображать слово «сертифицированный хронометр или официально сертифицированный хронометр», только если он сертифицирован COSC (Официальный Швейцарский институт тестирования хронометров).

История

Морской «Хронометр» г. Джереми Такер используемый подвесы и вакуум в колпаке.
Дальнейшая информация: История долготы

Чтобы определить положение на поверхности Земли, необходимо и достаточно знать широта, долгота, и высота. Рассмотрение высоты над уровнем моря, естественно, можно игнорировать для судов, работающих на уровень моря. До середины 1750-х гг. навигация в море Оставаться вне поля зрения суши было нерешенной проблемой из-за сложности вычисления долготы. Навигаторы могли определять свою широту, измеряя угол солнца в полдень (то есть, когда оно достигало своей наивысшей точки в небе, или кульминация ) или, в Северном полушарии, для измерения угла Полярной звезды (Полярной звезды) от горизонта (обычно во время сумерки ). Чтобы найти их долгота Однако им нужен был эталон времени, который работал бы на борту корабля. Наблюдение за регулярными небесными движениями, такими как Метод Галилея на основе наблюдения Естественные спутники Юпитера, обычно было невозможно в море из-за движения корабля. В метод лунных расстояний, первоначально предложенный Йоханнес Вернер в 1514 году разрабатывался параллельно с морским хронометром. Голландский ученый Джемма Фризиус был первым, кто предложил использовать хронометр для определения долготы в 1530 г.

Хронометр предназначен для точного измерения времени в известном фиксированном месте, например Время по Гринвичу (ВРЕМЯ ПО ГРИНВИЧУ). Это особенно важно для навигации. Зная GMT на местном полдень позволяет штурману использовать разницу во времени между положением корабля и Гринвичский меридиан для определения долготы корабля. Поскольку Земля вращается с постоянной скоростью, разницу во времени между хронометром и местным временем корабля можно использовать для расчета долготы корабля относительно Гринвичский меридиан (определяется как 0 °) с использованием сферическая тригонометрия. В современной практике морской альманах и тригонометрические таблицы уменьшения зрения позволяют навигаторам измерять солнце, Луна, видимый планеты, или любой из 57 выбранные звезды для навигации в любое время, когда виден горизонт.

Создание часов, которые надежно работали бы в море, было трудным. До 20 века лучшими хронометристами были маятниковые часы, но как качка корабля в море, так и колебания до 0,2% гравитация Земли сделали простой маятник, основанный на гравитации, бесполезным как в теории, так и на практике.

Первые примеры

Генри Салли (1680-1729) представил первый морской хронометр в 1716 году.

Кристиан Гюйгенс, после его изобретения маятниковые часы в 1656 г. сделал первую попытку создания морского хронометра в 1673 г. Франция при спонсорстве Жан-Батист Кольбер.[2][3] В 1675 году Гюйгенс, получавший пенсию от Людовик XIV, изобрел хронометр, который использовал балансир и спиральная пружина для регулирования, вместо маятника, открывая путь к морским хронометрам и современным карманным и наручным часам. Он получил патент за его изобретение от Кольбера, но его часы в море оставались неточными.[4] Попытка Гюйгенса в 1675 г. получить английский патент от Карл II стимулированный Роберт Гук, которые утверждали, что изобрели часы с пружинным приводом несколько лет назад, чтобы попытаться создать их и запатентовать. В 1675 году Гюйгенс и Гук доставили Чарльзу по два таких устройства, но ни одно из них не работало должным образом, и ни Гюйгенс, ни Гук не получили английского патента. Именно во время этой работы Гук сформулировал то, что известно как Закон Гука.[5]

Джон Харрисон морской хронометр H1 1735 года

Впервые термин был опубликован в 1684 г. Arcanum Navarchicum, теоретическая работа кильского профессора Маттиаса Васмута. Затем последовало дальнейшее теоретическое описание хронометра в работах, опубликованных английским ученым. Уильям Дерхам в 1713 году. Основное произведение Дерхама, Физико-богословие, или демонстрация сущности и атрибутов Бога из его творенийТакже было предложено использование вакуумной герметизации для обеспечения большей точности работы часов.[6] Попытки построить рабочий морской хронометр были начаты Джереми Такер в Англии в 1714 г. Генри Салли во Франции два года спустя. Салли опубликовал свою работу в 1726 году с Une Horloge, изобретенное и исполненное М. Солли, но ни его модели, ни модели Такера не могли противостоять волнам моря и сохранять точное время в условиях корабля.[7]

Чертежи хронометра Харрисона H4 1761 г., опубликованные в Принципы хронометриста мистера Харрисона, 1767.[8]

В 1714 году британское правительство предложило приз долготы для метода определения долготы на море, с наградами в диапазоне от 10 000 до 20 000 фунтов стерлингов (от 2 до 4 миллионов фунтов стерлингов в 2020 году) в зависимости от точности. Джон Харрисон Плотник из Йоркшира представил проект в 1730 году, а в 1735 году завершил работу над часами, основанными на паре противоколебательных утяжеленных балок, соединенных пружинами, на движение которых не влияла сила тяжести или движение корабля. Его первые два морских хронометра H1 и H2 (завершенные в 1741 году) использовали эту систему, но он понимал, что они обладают фундаментальной чувствительностью к центробежная сила, а это означало, что они никогда не могли быть достаточно точными в море. Строительство его третьей машины, обозначенной H3, в 1759 году включало в себя новые круговые весы и изобретение биметаллическая полоса и в клетке роликовые подшипники, изобретения, которые до сих пор широко используются. Однако круговые весы H3 по-прежнему оказались слишком неточными, и в конце концов он отказался от больших машин.[9]

Фердинанд Берту морской хронометр № 3, 1763 г.

Харрисон решил проблемы с точностью с помощью своего гораздо меньшего Хронометр H4 дизайн в 1761 году. H4 был очень похож на большие карманные часы диаметром пять дюймов (12 см). В 1761 году Харрисон представил H4 на приз в 20 000 фунтов стерлингов. В его конструкции использовалось быстро развивающееся балансовое колесо, управляемое спиральной пружиной с температурной компенсацией. Эти функции использовались до стабилизации электронные генераторы позволили изготавливать очень точные портативные часы по доступной цене. В 1767 г. Доска долготы опубликовал описание своей работы в Принципы хронометриста мистера Харрисона.[10] Французская экспедиция под Шарль-Франсуа-Сезар Ле Телье де Монмирай провел первое измерение долготы с помощью морских хронометров на борту Аврора в 1767 г.[11]

Современное развитие

Пьер Ле Руа морской хронометр, 1766 г., сфотографировано на Musée des Arts et Métiers в Париже

Во Франции 1748 г. Пьер Ле Руа изобрел спусковой механизм с фиксатором характеристика современных хронометров.[12] В 1766 году Пьер Ле Руа создал революционный хронометр с спусковой механизм с фиксатором, то весы с температурной компенсацией и изохронная пружина баланса:[13] Харрисон показал возможность иметь надежный хронометр в море, но эти разработки Ле Роя рассматриваются Руперт Гулд быть основой современного хронометра.[13] Нововведения Ле Руа сделали хронометр гораздо более точным, чем ожидалось.[14]

Хронометр Харрисона H5 1772 года, выставленный сейчас в Музей науки, Лондон

Фердинанд Берту во Франции, а также Томас Мадж в Британии также успешно производятся морские хронометры.[12] Хотя ни один из них не был простым, они доказали, что дизайн Харрисона - не единственный ответ на проблему. Наибольшие успехи в практичности были достигнуты благодаря Томас Эрншоу и Джон Арнольд, который в 1780 году разработал и запатентовал упрощенный, отдельно стоящий «пружинный фиксатор». спусковые механизмы,[15][16] переместил температурную компенсацию на баланс и улучшил конструкцию и производство пружины баланса. Эта комбинация инноваций служила основой морских хронометров вплоть до электронной эры.

Фердинанд Берту хронометр нет. 24 (1782 г.), выставленный в Musée des Arts et Métiers, Париж

Изначально новая технология была настолько дорогой, что не на всех кораблях были хронометры, о чем свидетельствует судьбоносное последнее путешествие восточно-индийского человека. Арнистон, потерпел кораблекрушение, погибло 372 человека.[17] Однако к 1825 г. Королевский флот начал регулярно снабжать свои суда хронометрами.[18]

Для кораблей в то время было обычным делом наблюдать мяч времени, например, на Королевская обсерватория, Гринвич, чтобы проверить свои хронометры перед отъездом в дальнее путешествие. Каждый день корабли ненадолго бросали якорь в река Темза в Гринвиче, ожидая, когда мяч в обсерватории упадет ровно в 13:00.[19] Эта практика была частично ответственна за последующее принятие Время по Гринвичу как международный стандарт.[20] (Шары времени стали ненужными примерно в 1920 году с введением радиосигналы времени, которые сами в значительной степени вытеснены Время GPS.) В дополнение к установке времени перед отправлением в рейс, судовые хронометры также регулярно проверялись на точность в море путем проведения лунный[21] или солнечные наблюдения.[22] При обычном использовании хронометр должен быть установлен в защищенном месте под палубой, чтобы избежать повреждения и воздействия элементов. Моряки использовали хронометр для установки так называемого взломать часы, который будет нести на палубе для астрономических наблюдений. Хотя эти часы намного менее точны (и дороги), чем хронометр, они будут работать в течение короткого периода времени после их настройки (то есть достаточно долго, чтобы производить наблюдения).

Хотя промышленные методы производства начали революцию в часовом деле в середине 19 века, производство хронометров оставалось ремесленным намного дольше. На рубеже 20-го века швейцарские производители, такие как Ulysse Nardin добились больших успехов в внедрении современных методов производства и использовании полностью взаимозаменяемых деталей, но это было только с началом Вторая Мировая Война что Компания Hamilton Watch в Соединенные Штаты усовершенствовал процесс массовое производство, что позволило ему производить тысячи своих Хронометры Hamilton Model 21 и Model 22 Второй мировой войны для Соединенные Штаты Флот & Армия и другие Союзник флот. Несмотря на успех Hamilton, хронометры, изготовленные по старинке, никогда не исчезали с рынка в эпоху механических хронометров. Thomas Mercer Хронометры до сих пор производит хронометры.

Без их точности и точности навигационных достижений, которые позволяли морские хронометры, можно утверждать, что господство Королевский флот, и, следовательно, британская империя, могло не произойти так подавляюще; Формирование империи в результате войн и завоеваний колоний за границей происходило в период, когда британские суда имели надежную навигацию благодаря хронометру, а их португальские, голландские и французские противники - нет.[23] Например: французы прочно обосновались в Индия и другие места до Британии, но были разбиты военно-морскими силами в Семилетняя война.

Самая полная международная коллекция морских хронометров, включая модели Harrison H1 – H4, находится на Королевская обсерватория, Гринвич, в Лондон, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ.

Характеристики

Схема механизма хронометра (текст на Немецкий ). Примечание фузей для преобразования переменного напряжения пружины в постоянную силу

Ключевой проблемой было найти резонатор, на который не повлияли бы меняющиеся условия, с которыми сталкивается корабль в море. В балансир, запряженный рессорой, решал большинство проблем, связанных с движением корабля. К сожалению, эластичность большинства материалов пружин баланса изменяется в зависимости от температуры. Чтобы компенсировать постоянно меняющуюся силу пружины, в большинстве весов для хронометров использовались биметаллические полосы для перемещения небольших грузов к центру колебаний и от него, таким образом изменяя период баланса в соответствии с изменяющейся силой пружины. Проблема пружины баланса была решена с помощью сплава никель-сталь, названного Элинвар за его неизменную эластичность при нормальных температурах. Изобретатель был Шарль Эдуард Гийом, победивший в 1920 году Нобелевская премия по физике в знак признания его металлургической работы.

В спусковой механизм служит двум целям. Во-первых, он позволяет поезду двигаться вперед дробно и фиксировать колебания весов. В то же время он поставляет небольшое количество энергии, чтобы противостоять крошечным потерям на трение, таким образом поддерживая импульс колеблющегося баланса. Спуск - это та деталь, которая тикает. Поскольку естественный резонанс колеблющегося баланса является сердцем хронометра, спусковые механизмы хронометра предназначены для минимального воздействия на баланс. Существует множество конструкций спускового механизма с постоянным усилием и отдельного спуска, но наиболее распространенными являются пружинный фиксатор и поворотный фиксатор. В обоих случаях небольшой фиксатор блокирует спусковое колесо и позволяет весам качаться полностью без помех, за исключением короткого момента в центре колебаний, когда они наименее подвержены внешним воздействиям. В центре колебания ролик на балансировочной рейке на мгновение смещает фиксатор, позволяя пройти одному зубцу спускового колеса. Затем зуб спускового колеса передает свою энергию второму ролику балансира. Так как спусковое колесо вращается только в одном направлении, весы получают импульс только в одном направлении. При обратном колебании проходящая пружина на конце фиксатора позволяет разблокирующему ролику на рейке перемещаться, не смещая фиксатор. Самым слабым звеном любого механического хронометра является смазка спуска. Когда масло загустевает из-за старения или температуры или рассеивается из-за влажности или испарения, скорость будет меняться, иногда резко, поскольку балансирующее движение уменьшается из-за более высокого трения в спусковом механизме. Спуск с фиксатором имеет сильное преимущество перед другими спусковыми механизмами, так как не требует смазки. Импульс от спускового колеса к импульсному ролику почти прямолинейный, что означает небольшое скольжение, требующее смазки. Анкерное колесо хронометра и проходные пружины обычно выполнены из золота из-за более низкого трения скольжения металла по сравнению с латунью и сталью.

Хронометры часто включают в себя другие инновации для повышения их эффективности и точности. Твердые камни, такие как рубин и сапфир, часто использовались в качестве ювелирные подшипники для уменьшения трения и износа шкворней и спуска. Алмаз часто использовался в качестве заглушки для нижней оси стержня балансира, чтобы предотвратить износ в результате многолетнего вращения тяжелого баланса на малом конце оси. До конца производства механических хронометров в третьей четверти 20 века производители продолжали экспериментировать с такими вещами, как шарикоподшипники и хромированные оси.

Морские хронометры всегда содержат поддержание власти который поддерживает хронометр во время его завода, и запас хода чтобы указать, как долго хронометр будет продолжать работать без завода. Морские хронометры - самые точные портативные механические часы из когда-либо созданных, обеспечивающие точность около 0,1 секунды в день или менее одной минуты в год.[нужна цитата ]. Этого достаточно, чтобы определить местонахождение корабля в пределах 1-2 миль (2-3 км) после месячного морского путешествия.

Рейтинг хронометра

Строго говоря, «рейтинг» хронометра означает, что до ввода прибора в эксплуатацию средняя скорость выигрыша или убытка за день наблюдается и записывается в сертификате рейтинга, который прилагается к прибору. Эта суточная скорость используется в полевых условиях для корректировки времени, показываемого прибором, для получения точных показаний времени. Даже самый лучший хронометр с самой точной температурной компенсацией и т. Д. Показывает два типа ошибок: (1) случайные и (2) постоянные. Качество конструкции и изготовления прибора сводит к минимуму случайные ошибки. В принципе, последовательные ошибки следует устранять путем корректировки, но на практике невозможно выполнить корректировку настолько точно, чтобы эта ошибка была полностью устранена, поэтому используется метод оценки. Скорость также будет меняться во время эксплуатации прибора из-за, например, загустевание нефти, поэтому во время длительных экспедиций скорость инструмента будет периодически проверяться по точному времени, определяемому астрономическими наблюдениями.

Сегодня

Морской хронометр Omega 4,19 МГц, выпущенный ВМС Франции

Суда и лодки обычно используют электронные средства навигации, в основном Глобальные навигационные спутниковые системы. Однако небесная навигация, который требует использования точного хронометра, по-прежнему является требованием для некоторых международных морские сертификаты например, вахтенный помощник капитана, и Мастер и старший помощник палубные офицеры,[24][25] и дополняет оффшорных яхтсменов на частных круизных яхтах для дальних путешествий.[26] Современные морские хронометры могут быть основаны на кварцевые часы которые периодически исправляются GPS сигналы или радио сигналы времени (увидеть радио часы ). Эти кварцевые хронометры не всегда являются самыми точными кварцевыми часами, когда сигнал не принимается, и их сигналы могут быть потеряны или заблокированы. Однако кварцевые механизмы есть даже в наручных часах, таких как Омега морской хронометр, с точностью до 5–20 секунд в год.[27]По крайней мере, в одном кварцевом хронометре, предназначенном для расширенной навигации, используются несколько кристаллов кварца, которые корректируются компьютером с использованием среднего значения в дополнение к коррекциям сигнала времени GPS.[28][29]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Собель, Дава. Долгота: правдивая история одинокого гения, который решил величайшую научную проблему своего времени. Книги пингвинов. стр.56, 57. ISBN  0-14-025879-5. Отвергая другие решения проблемы долготы, Такер писал: «Одним словом, я удовлетворен тем, что мой Читатель начинает думать, что Фонометры, пирометры, селенометры, гелиометры и все Метры не достойны сравнения с моими Хронометр"
  2. ^ Хит, Байрон (19 марта 2018 г.). "Великая южная земля". Розенберг. Получено 19 марта 2018 - через Google Книги.
  3. ^ Лабиринт изобретательности: идеи и идеализм в развитии техники Арнольд Пейси Новое стр.133ff [1]
  4. ^ Мэтьюз, Майкл Р. (31 октября 2000 г.). «Время естественнонаучного образования: как преподавание истории и философии движения маятника может способствовать повышению научной грамотности». Springer Science & Business Media. Получено 19 марта 2018 - через Google Книги.
  5. ^ "isbn: 0330532189 - Поиск в Google". books.google.com. Получено 19 марта 2018.
  6. ^ Коберер, Вольфганг (май 2016 г.). «Примечания: о первом использовании термина» Хронометр"". Зеркало моряка. Соединенное Королевство: Общество морских исследований. 102 (2): 203–205. Дои:10.1080/00253359.2016.1167400.
  7. ^ Хронология часов В архиве 2014-03-25 на Wayback Machine
  8. ^ Принципы хронометриста мистера Харрисона
  9. ^ Описание такого механизма, который позволит точно или верно измерить время. John Harrison, 1775, p.14 «… никакая громоздкость в маятнике или весах не может правильно или когда-либо компенсировать недостаток скорости; и действительно, скорости очень не хватало в моих трех больших машинах ...»
  10. ^ Харрисон, Джон; Маскелайн, Невил; Великобритания. Комиссары долготы (19 марта 1767 г.). «Принципы хронометриста мистера Харрисона; с такими же табличками». Лондон, напечатано У. Ричардсоном и С. Кларком и продано Дж. Нурсом.. Получено 19 марта 2018 - через Интернет-архив.
  11. ^ "МОНОГРАФИЯ ДЕ Л'ОРОРА - Корвет-1766". Анкр. Получено 2019-12-05.
  12. ^ а б Справочник Бриттена, словарь и руководство по изготовлению часов, пятнадцатое издание стр.122 [2]
  13. ^ а б Мейси, Сэмюэл Л. (19 марта 1994 г.). «Энциклопедия времени». Тейлор и Фрэнсис. Получено 19 марта 2018 - через Google Книги.
  14. ^ Usher, Abbott Payson (19 марта 2018 г.). «История механических изобретений». Курьерская Корпорация. Получено 19 марта 2018 - через Google Книги.
  15. ^ Ландес, Дэвид С. (1983). Революция во времени. Кембридж, Массачусетс: Belknap Press of Harvard University Press. стр.165. ISBN  0-674-76800-0. Примерно в 1748 году Пьер Ле Руа разработал спуск со съемной пружиной и фиксатором, но отказался от этой концепции.
  16. ^ Мейси, Сэмюэл Л. (19 марта 1994 г.). «Энциклопедия времени». Тейлор и Фрэнсис. Получено 19 марта 2018 - через Google Книги.
  17. ^ Холл, Василий (1862 г.). «Глава XIV. Удвоение мыса (из« Фрагментов путешествий и путешествий », 2-я серия, т. 2 (1832 г.))». Лейтенант и командир. Лондон: Белл и Далди (через Проект Гутенберг ). OCLC  9305276. Получено 2007-11-09.
  18. ^ Бриттен, Фредерик Джеймс (1894). Бывшие часовщики и их работа. Нью-Йорк: Спон и Чемберлен. п.230. Получено 2007-08-08. Хронометры не поставлялись в Королевский флот регулярно до 1825 года.
  19. ^ Голдинг Птица (1867). Элементы естественной философии; Или Введение в изучение физических наук. Дж. Черчилль и сыновья. стр.545. Получено 2008-09-24.
  20. ^ Тони Джонс (2000). Разделение второго. CRC Press. п. 121. ISBN  0750306408.
  21. ^ Натаниэль Боудитч, Джонатан Ингерсолл Боудич (1826). Новый американский практический навигатор. Э. М. Блант. стр.179.
  22. ^ Нори, Дж. У. (1816). «Чтобы определить долготу хронометров или хронометров». Новое и полное воплощение практической навигации. Архивировано из оригинал на 2015-09-07.
  23. ^ Альфред Т. Махан, Влияние морской мощи на историю:
  24. ^ «Международная конвенция о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты, 1978 г.». Справочник по адмиралтейству и морскому праву, Международные конвенции. Получено 2007-09-22.
  25. ^ «Международная конвенция о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты (с поправками)». Международная морская организация. Архивировано из оригинал на 2007-07-03. Получено 2007-09-22.
  26. ^ Яхтенный хронометр и секстант, По состоянию на 25 мая 2013 г., publisher = Nautische Instrumente
  27. ^ Читай, Александр. «Высокоточные часы, которые можно использовать как морской хронометр». Получено 2007-09-22.
  28. ^ Монтгомери, Брюс Г. «Сохранение точного времени при прекращении сигналов GPS». Коттс Журнал Интернет. Архивировано из оригинал на 2011-06-09. Получено 2007-09-22.
  29. ^ «Точное время и частота для военно-морских сил: усовершенствованные часы PICO». DoD TechMatch, Фонд консорциума высоких технологий Западной Вирджинии. Архивировано из оригинал 31 декабря 2010 г.. Получено 2007-09-22.

внешняя ссылка