Морской хронометр
Своим возникновением морские хронометры обязаны проблеме навигации на море. Краеугольными вопросами всегда были и остаются определение позиции и направления движения судна, а также измерение скорости, дистанции и времени движения судна от одной точки до другой.
Определение долготы оказалось куда более сложным. В течение многих веков, плывя с востока на запад, мореплаватели могли только догадываться об их положении в открытом море. Например, в своем транс-антлантическом путешествии в 1492 году, Христофор Колумб считал, что быстро достигнет Восточной Индии, в то время как его корабль ушел не так далеко от Европы. Долгота могла бы быть определена по позиции звезд в небесах, но звезды медленно перемещались по небосводу на восток. Поэтому необходимо было знать точное местное время относительно какой-нибудь фиксированной точки, принятой за начало отсчета (например, Гринвич). Поскольку Земля в течение суток поворачивается на 360 градусов, а в течении часа – на 15 градусов, то разница между местным временем и временем по Гринвичу, умноженная на 15, будет равна географической долготе судна. Таким образом точность определения долготы будет зависеть от точности хода часов. Например, на экваторе, ошибка в одну секунду означает ошибку в местоположении судна на 400 метров.
Тем не менее, первые точные часы были изобретены только в середине XVIII века. Основными проблемами точного определения времени в морских условиях были изменения температуры, влажности, постоянная качка и изменение силы гравитации Земли на различных широтах. Поэтому хронометрический инструмент для точного измерения времени должен был содержать ряд революционных изобретений и технических решений, чтобы все эти проблемы были устранены.
В 1714 году Британский Парламент, в связи с большими потерями кораблей, связанными с неправильным определением местоположения судов, объявил приз для всех желающих в 20000 фунтов, что сегодня соответствует 2 млн. долларов США, за создание устройства, способного определять долготу судна в любой точке Земли с точностью в пол градуса, что равняется 30 минутам географической долготы.
В 1731 году, параллельно работам над точными часами, была окончательно решена проблема с точным определением широты судна. Джоном Хадли (John Hadley), вице-президентом Королевского Общества Естественных Знаний, был предложен инструмент для точного определения угла между горизонтом и небесными телами, в основе которого лежал принцип двойного преломления лучей. Этот прибор был назван секстантом.
Одним из многих, пытавшихся завоевать приз Британского Парламента был Джон Харрисон (John Harrison). К 1727 году им были построены первые часы с балансом, состоящим из 9 различных металлов, который был практически не подвержен изменениям температуры. В 1735 году, после долгих экспериментов, Харрисон представил Королевскому Обществу свой первый морской хронометр, названный H1. Это были большие, выглядевшие устрашающе, часы, которые весили 35 кг, но содержали в себе много уникальных технических решений, которые на испытаниях позволили выявить ошибку в местоположении судна на 150 км.
В 1739 году Харрисоном была представлена новая модель хронометра, названная Н2, содержащая ряд существенных изменений в конструкции, но весившая гораздо больше, чем предыдущая. Испытания ее так и не завершились из-за начала Семилетней войны между Англией и Францией.
Несколько позже Харрисон сообщает в комиссию о начале создании третьей модели хронометра - Н3. Но работы над ним были прерваны так как большие, громоздкие и неудобные в обслуживании модели не удовлетворяли потребностям военного флота. В 1757 году Большое жюри выдвинуло требование о существенном уменьшении размеров хронометра, и тогда были начаты работы над моделью Н4, которые завершились два года спустя. Новый хронометр был диаметром 12 см, что полностью удовлетворяло требованиям Комиссии. Приз за новый хронометр Харрисон должен был получить после завершения морских испытаний.
Испытания Н4 начались в 1761 году на борту судна Deptford, следовавшего курсом Лондон-Ямайка. Обслуживание хронометра было поручено сыну Харрисона - Уильяму Харрисону. Условия испытаний были выполнены полностью. Когда корабль достиг берегов Ямайки морской хронометр давал погрешность в 1/5 секунды в день, что было в 10 раз точнее, требуемого для конкурса. Обратный путь, который уже не входил в испытания, Харрисон проделал на шлюпе Merlin. В жестокий шторм Н4 был поврежден и прибыл в Англию в состоянии, которое не позволило Харрисону получить призовой фонд.
Для решения комиссии не давать приз Харрисону был ряд формальных причин, но основным было то, что некоторые члены комиссии сами хотели заполучить призовые деньги. Напрасно Харрисон добивался признания испытаний успешными. Его доказательства были признаны неубедительными.
28 марта 1764 года начались повторные испытания Н4. Корабль Tartar отправился в Портсмут. На борту, как и в прошлый раз был сын Харрисона. За пять месяцев путешествия часы отклонились всего на 54 секунды, а после плановой корректировки отклонение уменьшилось до 15 секунд. В такой ситуации получение приза уже не вызвало никаких сомнений.
Копия хронометра Н4, сделанная Кенделлом и названная К1 был использована Томасом Куком во время его трехгодичного кругосветного путешествия, где хронометр зарекомендовал себя с лучшей стороны.
В возрасте 78 лет Харрисон сделал новую модель Н5, которая еще больше удовлетворяла требованиям комиссии. Однако свой приз Харрисон получил только в 1773 году после подачи петиции Королю Георгу III.
Создавая морской хронометр, Харриссон кардинально перевернул тогдашнее предсталение о возможной точности часов. Потратив большую часть жизни на создание морского хронометра, Харрисон решил практически все проблемы, связанные с особенностями эксплуатации часов в морских условиях.
Для поддержания стабильности колебаний при качке и снижения влияния гравитации на точность хода, Харрисон ввел второй баланс, таким образом, что оба баланса колебались в одной плоскости, но в противоположных направлениях и поместил хронометр на подвижную опору, позволяющую часам находиться только в горизонтальном положении . Для обеспечения постоянства момента заводной пружины было использовано устройство фузи, а также было предложено заводить часы в одно и тоже время, чтобы на момент измерения, а это было обычно 12 часов дня, разница в моменте могла быть максимально невелирована. Кроме этого, для снижения влияния температуры и влажности на балансное колесо, оно делалось из нескольких металлов, что позволяло снизить коэффициент расширения металла. Для снижения влияния перепадов температур, морской хронометр стали помещать в деревянные футляры, являющиеся своего рода термосом, поддерживающим постоянную температуру.
Сегодня, в швейцарской часовой промышленности, помимо выпуска профессиональных морских хронометров, выпускаются также наручные часы, носящие надпись Marine Chronometer. Это прежде всего часы фирмы Ulysse Nardin и Breguet серии Marine. Эти часы отличаются повышенной точностью хода по сравнению с обычными. В некоторых моделях применяются ряд технических решений из навигационных морских хронометров. Кроме этого, эти часы всегда проходят более строгий отбор в подборке деталей и более длительное тестирование, что делает их заслуженно более дорогими, чем часы аналогичного класса.