GPS XVIII века: Морские хронометры

Блуждая, например, в горах или по лесу, можно заметить выдающиеся валуны или деревья и описать свой путь от ориентира к ориентиру. Море же коварно стирает волнами след корабля, и, оказавшись посреди водного пространства, остается поручить свою судьбу лишь Солнцу и звездам.

Так, собственно, и поступали древние мореплаватели, определяя направление своего движения с севера на юг и наоборот, а также широту места, где находился их корабль. Они знали, что Земля вращается, а Полярная звезда, в отличие от других светил, неподвижна на небосклоне. Они ведали, что отправившись к южному горизонту, достигнешь жарких стран. Опыт научил их, что оставшееся до цели расстояние можно примерно определить, измерив угол между Полярной звездой и горизонтом.

Сложнее было разбираться с плаванием на запад и обратно. Вращение Земли все время «сдвигает» звезды (за час наша планета поворачивается на 15 градусов), и в этом случае они становятся плохим ориентиром.

В 1514 году нюрнбергский ученый Иоганн Вернер разработал метод определения долготы, основанный на наблюдении за движением Луны, а Галилео Галилей в 1616 году — метод вычислений на основании положения спутников Юпитера. Однако и то и другое требовало оснащения корабля телескопом, специальными инструментами и таблицами. В море же зачастую выходили «флибустьеры и авантюристы», не подготовленные к столь серьезным исследованиям.

В 1510 году испанец Санто Крус предложил простой и доступный способ определения географических координат корабля в море: взяв за точку отсчета какое-либо место на Земле (например, сейчас такой точкой считается английский Гринвич) и имея очень точные часы, вести расчеты, принимая во внимание время в исходной точке и местное время. Умноженная на 15 разница между ними как раз и равна долготе.

Однако необходимы были точные часы, способные работать в специфических условиях качки, перепадов температуры, давления, влажности и разной на разных широтах силы тяжести. Ведь стоит находящимся на экваторе часам поспешить или опоздать всего на одну секунду, и расчеты долготы корабля дадут ошибку в 400 м.

Почти три века лучшие умы человечества работали над созданием и совершенствованием часов для мореплавателей. При этом двигала ими не только пытливость. Немалую роль сыграло «материальное стимулирование». Морские державы не хотели больше терпеть огромные потери из-за слабого развития штурманского дела (за 1707 год Англия потеряла четыре корабля и около двух тысяч человек). И в 1714 году британский парламент объявил приз для создателя устройства, которое могло бы определять долготу судна в любой точке Земли с точностью в полградуса. Максимальная сумма (за точность в полградуса при плавании из Англии в Индию) была предложена фантастическая, как по тем, так и по нынешним временам, — 20 тыс. фунтов стерлингов (около двух миллионов сегодняшних долларов США).

Тысячи часовых мастеров начали борьбу за точность и надежность часов, способных работать на корабле. Наиболее целеустремленным и терпеливым оказался английский мастер Джон Харрисон. Поначалу он был плотником, но затем увлекся починкой и конструированием часов и более сорока лет отдал разработке морских хронометров. Однако ему, создателю четырех моделей, ставших прообразом морского хронометра, пришлось немало пережить до 1773 года, когда после его жалобы самому королю Георгу III английское правительство решилось расстаться с обещанными деньгами.

К 1735 году мастер представил Королевскому обществу свой первый опыт — уникальные по конструкции, но огромные и тяжелые (более 35 кг) часы. Выявив при испытаниях 150-мильную ошибку в определении положения судна, они все же не соответствовали одному из условий конкурса — «практичности».

Через четыре года Джон Харрисон представил более усовершенствованную (но и более тяжелую) модель, испытаниям которой помешала Семилетняя война. А в 1757 году жюри конкурса потребовало, чтобы хронометр был достаточно небольшим по размерам и весу.

Изобретатель справился и с этим. Новая модель была всего 12 см в диаметре. Наверное, он уже слышал звон монет, от получения которых его отделяли только морские испытания на маршруте Портсмут (Англия) — Порт-Ройал (Ямайка). Однако повреждения хронометра, вызванные жестоким штормом на обратном пути, стали поводом отказать в выдаче вознаграждения, хотя по пути на Ямайку прибор дал погрешность всего в одну минуту пять секунд, что соответствовало 18милям (условия конкурса требовали не более тридцати).

Причиной же было то, что в состав большого жюри входили некоторые конкуренты Харрисона, надеявшиеся использовать задержку выплаты для завершения своих работ. Однако отказать ему в повторных испытаниях они не смогли. И пятимесячное путешествие, за время которого часы ошиблись только на 15 секунд, подтвердило приоритет Харрисона. И все же понадобилось еще девять лет обивания бюрократических порогов и еще одна модель хронометра, выполненная мастером в 78 лет, прежде чем «награда нашла героя». А мореплаватели и ученые поверили в метод перевозки часов для определения географической долготы.

К началу XVI века появились механические часы, указывавшие не только время, но и фазы Луны, положение планет и звезд, управлявшие движениями сложных фигур. Вот только точность часов оставалась практически той же, что и за 500 лет до того — ±30 минут в сутки. А для определения долготы нужны были приборы, ошибка которых не должна была превышать десятых долей секунды в сутки.

Почему же первые механические часы давали столь неправильные показания? Все дело в конструкции устройства, отвечающего за точность, в современных часах называемого осциллятором. В природных «часах» точность задает сама Земля, равномерно вращающаяся вокруг своей оси. Отражением этого движения является изменение положения тени (солнечные часы) или звезд на небосводе (звездные часы). В любых других часах задатчик точности необходимо создать человеку. Но такого совершенного устройства не было вплоть до XVII века. Переворот совершили два знаменитых ученых — Галилео Галилей и Христиан Гюйгенс, открывшие законы колебания маятника и создавшие независимо друг от друга первые маятниковые часы.

Период колебания маятника зависит только от его длины. Все остальные параметры, масса, материал (сталь, дерево, стекло, камень и т. д.), не влияют на равномерность движения. Галилей доказал законы маятника экспериментально, Гюйгенс же дал математическое обоснование.

Но и изобретение маятника, и использование гиревого двигателя не помогли создать хронометр. Как ни старался Гюйгенс сделать морские часы с таким механизмом, ничего не получалось: в штиль они еще работали, но при малейшем волнении останавливались. Нужны были другой задатчик точности и другой двигатель.

Во второй половине XVII века закипели страсти вокруг основополагающего открытия, позволившего наконец создать осциллятор, способный работать в море, в карете или в кармане. В 1675 году Гюйгенс создал первые часы с колебательной системой «баланс — спираль».

Баланс представляет собой маховое колесо, снабженное достаточно длинной спиральной пружиной — «волоском». Пружина сообщает балансу изохронные колебания (колебания, частота которых не зависит от амплитуды). Волосок прикреплен одним концом к оси баланса, другим — к стойке, соединенной с корпусом часов. Когда баланс выводится из положения равновесия, то под действием упругости волоска он начинает колебаться вправо и влево вокруг своей оси — подобно тому, как колеблется маятник под действием силы тяжести.

Однако колебательная система «баланс — спираль», так же как и мaятник, подвержена влиянию температуры. Например, при изменении температуры изменится длина спирали и размеры баланса, а значит, и частота колебаний баланса и точность часов.

Первым попытался устранить влияние температуры на ход часов Джон Харрисон. К волоску баланса он присоединил решетку, состоящую из четырех коротких латунных и двух длинных стальных стержней. При изменении температуры стальные и латунные прутки сжимаются или удлиняются в противоположных направлениях, и общая длина волоска остается постоянной.

А французский конструктор Пьер Леруа создал баланс, состоящий из двух неполных полуколец, каждое из которых спаяно из двух полосок — наружной латунной и внутренней стальной — с небольшими грузиками на концах. При увеличении температуры латунная полоска, расширяясь сильнее стальной, загибается внутрь и приближает грузик к оси баланса, что ведет к уменьшению момента инерции.

Если не подталкивать баланс, он в конце концов остановится. Но даже если подталкивать (что и делает пружина), то он движется колебательно, а часовой механизм — вращательно. Поэтому между балансом и последней, самой быстровращающейся, осью механизма есть «посредник» — ход, или спуск.

Его роль заключается в сообщении часовому механизму правильного, через строго определенные промежутки времени повторяющегося, движения и в поддержании колебания самого баланса. Есть хода, называемые несвободными, в которых баланс в течение почти всего времени колебания находится в контакте с ходовым колесом. В этом случае из-за трения зубца ходового колеса о движущуюся часть баланса правильность колебаний последнего нарушается. Но есть и целый класс так называемых свободных ходов. В них баланс сцепляется с ходовым колесом лишь для того, чтобы освободить часовой механизм для поворота на определенный угол и чтобы, в свою очередь, получить от ходового колеса импульс для поддержания амплитуды на определенной величине.

Самый свободный из созданных для переносных приборов времени — хронометровый ход. Он передает импульс балансу один раз за полный период его колебания.

В отличие от гиревого механизма, создающего равномерный крутящий момент, момент пружины изменяется: в заведенном состоянии он наибольший, в раскрученном — наименьший. И как раз эта особенность механизма долго служила причиной возникновения погрешности: суточная разница в десять колебаний балансного колеса уже приводит к расхождению с точным временем в две секунды.

Проблему постоянства момента заводной пружины удалось решить еще на заре хронометрии. Для выравнивания крутящего момента пружины была изобретена фузея (иногда ее называют «улиткой»): чертежи пружинного двигателя с фузеей встречаются в трудах итальянских конструкторов XV века, в том числе и Леонардо да Винчи.

Как же устроена фузея? На главной шестеренке часового механизма закреплен конус с зубчатыми, расположенными по спирали «ступенями». На зубцы «ступеней» конуса навита цепь, которая одним концом крепится к его основанию, а другим — к внешней поверхности барабана, в котором находится пружина часов. Когда пружина полностью заведена, цепь намотана на фузею и конус оказывает максимальное сопротивление вращению за счет силы трения. Когда же пружина разворачивается, цепь перематывается на барабан пружины и усилие, необходимое для поворота конуса, уменьшается. При правильно рассчитанном конусе это поддерживает одинаковый момент как заведенной, так и раскрутившейся пружины, а значит, высокую точность хода.

Пытался Харрисон уменьшить действие на ход часов движения корабля, качки. В своих первых морских часах 1735 года он использовал два баланса, соединенных между собой фрикционной передачей. Они могли колебаться в противоположных направлениях, и таким образом достигалось значительное уменьшение погрешностей, вызванных движением корабля.

Еще одно новшество состояло в следующем. Обычно при заводе часы останавливались, и это вызывало потерю точности. Изобретатель ввел в употребление устройство с двойным храповым механизмом для поддержания хода часов во время завода ходовой пружины.

С тех пор прошло немало лет. На смену механическим часам пришли кварцевые и даже атомные. Появились спутниковые системы определения положения кораблей. Однако и сегодня, несмотря на множество современных способов передачи сигналов времени на расстояние, каждое судно имеет на борту морской хронометр — эталон времени, мало отличающийся от аналогичных приборов XIX века.