Юный техник, 2002 № 02

ГЛАВНОЕ — НЕ ЗАСЫПАТЬСЯ…

Поначалу моряки, как и люди сухопутные, ориентировались по солнцу. Светило в зените — значит, время обедать, склонилось к закату — скоро ночь… Впрочем, изобретенные в Древнем Египте солнечные часы позволяли ориентироваться точнее.

Огромные гранитные обелиски-гномоны, например, которые устанавливались перед входами в храмы, позволяли определять время с точностью до четверти часа. Со временем в домах богатых египтян появились и настенные солнечные часы со сложными шкалами. Они давали возможность правильно высчитывать время в зависимости от месяца.

Древние греки унаследовали от египтян их основные достижения и продвинулись дальше. Так, в Элладе были изготовлены первые дорожные солнечные часы. А известный всем мудрец Платон, говорят, изобрел даже первый будильник, который отмечал начало дня свистком.

Механик Ктесибий Александрийский воплотил на практике открытый Аристотелем принцип передачи сил с помощью зубчатого колеса и в 150 году до н. э. создал сложнейшие часы, приводившиеся в движение водяным колесом. Это чудо античной механики имело циферблат, время на котором указывала статуэтка, прикрепленная к скрытому поплавку. Слезы, капавшие из ее глазниц, попадали через специальный трубопровод в поплавковую камеру, и уровень воды постепенно менялся, обеспечивая, так сказать, ход часов и правильный показ времени в течение дня. А ночью специальное устройство ежечасно сбрасывало мелкие камешки в металлическую чашку, отмечая прошедшее время звуками гонга.

Однако все это были часы сухопутные. На море же водяные часы не прижились — болтанка нарушала точность их хода. И потому моряки чаще всего пользовались песочными часами. Корабельная вахта обычно длилась восемь «склянок» — четыре часа. Песок из верхней колбы пересыпался в нижнюю за 30 минут. В этот момент вахтенный ударял в судовой колокол и переворачивал часы. Нижняя колба становилась верхней, и песок снова сыпался вниз…

Точности «хода» таких часов добивались, используя обожженный мелкий песок, который много раз просеивали через тончайшие сита.

Были попытки также использовать молотую и обжаренную яичную скорлупу, свинцовую пыль и другие материалы.

Главный недостаток таких часов — слишком короток интервал времени, который можно измерить, не переворачивая колбы. А при каждом перевороте накапливалась ошибка. Механики не раз пытались создавать устройства, автоматически опрокидывающие песочные часы в нужный момент, но должного результата добиться им так и не удалось.

КАЧКА И МАЯТНИК

Между тем морякам точные часы нужны были не столько для определения времени вахт или обеда, сколько местоположения в море. Древние мореплаватели скоро выяснили, что Земля вращается, а Полярная звезда всегда остается в одной и той же точке небосвода; так что, измеряя по ночам секстантом угол между Полярной звездой и горизонтом или угол между Солнцем в зените и горизонтом в полдень, когда тени самые короткие, мореплаватели могли определить широту своего местонахождения. Оставалось вычислить долготу.

Технически это можно выполнить так, рассудил в 1510 году испанец Санта-Крус. Для определения долготы на море необходимо иметь очень точный хронометр и специальные таблицы. Если вы определили, что солнце ныне взошло в 5.40, в то время как таблицы указывают, что на широте Лондона оно всходит в 6.40, значит, вы находитесь на 15° западнее, где-то у Канарских островов.

Однако, чтобы вести подобные вычисления, необходимо было иметь часы, которые бы показывали время с точностью до секунды, невзирая на бури, штормы и прочие невзгоды. В XVI веке правительства Испании и Нидерландов объявили об огромных премиях, чтобы привлечь ученых и конструкторов к поискам надежного метода определения долготы в открытом море.

Великий Галилео Галилей в 1616 году претендовал на премию, предложив идею маятниковых часов. Они неплохо зарекомендовали себя на суше, но не годились на море — качка срывала точный ход маятника.

В 1657 году Христиан Гюйгенс разработал новую конструкцию маятниковых часов, которую и испытал в 1674 году. Но опять-таки часы показали себя неплохо при штиле, но в шторм оказались ненадежны.

Тогда Гюйгенс отказался от использования маятника и предложил систему баланс-спирали — маятник заменила спиральная пружинка, которая периодично то сжималась, то распрямлялась. Однако и баланс оказался чересчур капризен. Достаточно было температуре воздуха измениться на один градус, как часы начинали «уходить» в 20 раз резвее, чем маятниковые.

Для создания хронометра необходимо было найти решение важнейших задач: стабилизировать колебательную систему баланс-спираль, уменьшить трение в кинематической схеме.

Премии Испании и Нидерландов по-прежнему дожидались счастливцев, но о них уже мало кто помнил. Тогда в 1714 году британское Адмиралтейство объявило, что мастеру, который создаст часы, пригодные для определения долготы в море, выплатят 20 тысяч фунтов стерлингов — почти 150 кг золота! Чтобы получить премию, требовалось, чтобы часы, «будучи испытаны в пути до Вест-Индии, дали ошибку счисления не более 30 миль».

СЫН ПЛОТНИКА ЛОРДОВ ПОБЕДИЛ

Сотни часовых мастеров начали борьбу за точность и надежность судовых часов. А победил в ней механик-самоучка, сын плотника Джон Харрисон. В 1735 году, будучи совсем еще молодым человеком, 21 года от роду, он представил Королевскому обществу свой первый морской хронометр, названный HI.

То были огромные часы, которые весили 35 кг и занимали едва ли не всю каюту капитана. Но они содержали в своей конструкции много уникальных технических решений и уже на первых испытаниях показали неплохие результаты — ошибка счисления составила 75 миль. Оставалось уменьшить ее в 2,5 раза. Казалось бы, не так уж много, но мастеру потребовалось на это… 47 лет!

Лишь в 1761 году для очередного испытания часов Харрисона — модели Н4 — из Англии на Ямайку отправился корабль «Дептфорд».

Сопровождал драгоценный прибор уже сын старого Джона, Уильям, так как 68-летнему мастеру не позволило выйти в море здоровье. Через 161 сутки, когда корабль пришел в Портсмут, ошибка в ходе часов не превышала нескольких секунд, а ошибка счисления — нескольких миль. Таким образом, задача определения географической долготы в открытом море была решена.

Однако обратный путь, который уже не входил в испытания, Харрисон проделал на шлюпе «Мерлин». В жестокий шторм хронометр был поврежден, и это послужило основанием для комиссии не выдавать обещанную премию. Говорят, некоторые члены комиссии сами были не прочь заполучить призовые деньги. Вот и придрались…

Тогда провели повторные испытания. Они начались 28 марта 1774 года и через пять месяцев были успешно завершены. Пришлось лордам раскошелиться. Но сделали они это лишь после того, как весть о придирках дошла до ушей короля Георга III.

Харрисон получил свои деньги вполне заслуженно. Потратив большую часть жизни на создание морского хронометра, он 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. Оба баланса колебались в одной плоскости, но в противоположных направлениях. Более того, он поместил хронометр на подвижную опору, позволяющую часам находиться строго в горизонтальном положении.

Для обеспечения постоянства момента заводной пружины было предложено заводить часы в одно и то же время, чтобы на момент измерения (обычно — 12 часов дня) разница в моменте могла быть максимально нивелирована. Кроме этого, балансное колесо делали из нескольких металлов, что позволило снизить коэффициент расширения металла и, следовательно, влияние температуры. Наконец, для еще большего снижения влияния перепадов температур морской хронометр был помещен в деревянный футляр, своего рода термос.