Требовалось
создать точные механические часы, пригодные для мореплавателей. С их
помощью моряки смогли бы определять точное время в порту отплытия (с
известной долготой). Если бы часы были идеально точными, то достаточно
было определить по Солнцу полдень, посмотреть на часы, показывающие
время в порту отплытия, и найти разницу во времени. А уж на ее основании
очень просто определить долготу корабля. Первые маятниковые часы
изготовил Гюйгенс, однако они сохраняли точность лишь в определенных
погодных условиях. Следовательно, использовать такие часы в открытом
море было нельзя. Разные
страны предлагали премии тому, кто сможет изготовить механические часы
необходимой точности: так, король Испании Филипп III пообещал
пожизненную пенсию тому, кто решит задачу о долготе; британский
парламент во времена правления королевы Анны, в 1714 году, принял Декрет
о долготе, согласно которому того, кто решит задачу с погрешностью
менее половины градуса (то есть 50 километров на экваторе), ждала премия
в 20 тысяч фунтов. Как видите, требуемая точность была очень велика, а
огромный размер премии наводит на мысли, что англичане были на грани
отчаяния — от решения задачи о долготе зависела экономика всей страны.
Чтобы автор решения получил премию, его часы должны были сохранять
требуемую точность хода во время плавания до Вест-Индии и обратно. Для
контроля был учрежден Совет по долготе, куда вошли глава Гринвичской
королевской обсерватории, глава Лондонского королевского общества,
морской министр, председатель палаты общин, делегат от вооруженных сил и
несколько ученых. Получить премию пытались многие. Мы отметим лишь
Джереми Такера: он сконструировал часовой механизм, позднее дополненный
двумя усовершенствованиями, которые используются и по сей день. Речь о
вакуумной камере со стеклянными стенками и особой системе, благодаря
которой часы не останавливались во время завода. Решение
задачи о долготе нашел плотник Джон Гаррисон, который сконструировал
первые часы из маленьких латунных деталей, когда ему не было и двадцати
лет. Гаррисон дополнил часы таблицей уравнения времени для сравнения
фактического и солнечного времени. Он же придумал маятник, состоящий из
двух стержней, изготовленных из чередующихся полос различных металлов,
чтобы компенсировать воздействие перепадов температуры на точность хода.
Однако в морских часах маятнику было не место, поэтому Гаррисон
разработал особый механизм, обеспечивавший равномерную передачу энергии
от сжатой пружины. * * * СОЛНЕЧНОЕ ВРЕМЯ И ЗВЕЗДНОЕ ВРЕМЯ Из
соображений удобства мы делим сутки на 24 часа — именно за такой
промежуток времени Солнце проходит через меридиан одного и того же места
два раза подряд. Мы уже говорили, что в действительности используем
среднее солнечное время: движение Земли вокруг Солнца описывается
законом равенства площадей, поэтому Земля иногда движется чуть
медленнее, иногда — чуть быстрее, но в среднем Солнце совершает полный
круг над горизонтом и дважды проходит через меридиан места за 24 часа. Если
в качестве точки отсчета мы будем использовать не Солнце, а неподвижные
звезды, то увидим, что период обращения Земли несколько меньше: любая
неподвижная звезда проходит два раза подряд через один и тот же меридиан
места за 23 часа 56 минут 4 секунды, так как Земля при вращении вокруг
Солнца движется в опережением в 3 минуты 56 секунд. Разница между звездным и солнечным временем. Джон
Гаррисон обеспечивал точность своих часов по результатам наблюдений за
определенными звездами из своей примитивной обсерватории. Он обнаружил,
что звезды постоянно появлялись на небе на 3 минуты 56 секунд раньше,
чем прошлой ночью. Таким образом он добился расхождения всего в одну
секунду в месяц — стандартной погрешностью для часов того времени была
одна минута в сутки. Гаррисон получил займ от Совета по долготе на
изготовление своего первого морского хронометра Н1. На работу ушло пять
лет. Хронометр был изготовлен из дерева, весил 34 кг и находился внутри
стеклянного резервуара объемом в 1 м3
(отметим, что первый хронометр Гаррисона работает до сих пор). Он был
погружен на корабль, отплывавший в Лиссабон, и очень пригодился в
плавании. В 1737 году Совет по долготе был созван в первый раз и
единогласно утвердил хронометр Н1. Единственным, кто счел хронометр
несовершенным, был сам Гаррисон, который попросил новый займ на внесение
необходимых изменений. В 1739 году был создан хронометр Н2, в 1751-м —
НЗ. Лишь хронометр Н4 отличался существенно меньшим весом и размером. Любопытно,
что Гаррисон начал работу над принципиально иным хронометром после
того, как получил от одного из учеников в подарок карманные часы. Н4
имел 133 мм в диаметре и весил 1300 г, одного завода хватало на 30
часов, при этом во время завода хронометр не останавливался. В октябре
1761 года Гаррисон отправился на Ямайку и по прибытии в Порт-Ройял,
после двух месяцев в пути, астрономическими методами определил, что
отставание хронометра составило всего 5 секунд, что соответствовало
ошибке в 1,25 минуты долготы, или примерно 2000 м — намного меньше, чем
требовалось Декретом о долготе. Однако Совет постановил, что проведенных
экспериментов недостаточно для определения долготы в открытом море.
Дело в том, что в Совет вошли три новых участника, три математика,
которые настаивали на том, что долгота Порт-Ройяла не была установлена
по результатам наблюдения за спутниками Юпитера. При этом капитан
корабля не знал и не мог знать, что должен определить долготу таким
способом. Хронометр Н4 был вновь погружен на борт корабля в 1764 году, и
на этот раз по результатам испытаний Совет постановил: «часы идут с
достаточной точностью». Однако Совет предложил Гаррисону лишь половину
премии и внес дополнительное условие: изобретатель должен изготовить еще
два хронометра и открыть свои секреты, чтобы можно было начать серийное
производство. На
изготовление копии, Н5, у Гаррисона ушло три года. Ему было уже
семьдесят девять лет, и он не знал, успеет ли закончить работу. К
счастью, король Георг III настоял, чтобы Совет выплатил Гаррисону
оставшуюся часть премии. Погрешность хода хронометра Н5 составила всего
1/3 секунды в день, а само устройство было подлинным шедевром. В
хронометрах Гаррисона практически отсутствовало трение, им не
требовалась смазка, они были прекрасно сбалансированы и поддерживали
точность хода в любой температуре. Так что стоит отдать должное
искусству мастера. Гаррисон
умер в 1776 году, и доступ к его наработкам получили многие часовые
мастера, которые приступили к изготовлению собственных хронометров. В
1860 году на 200 кораблей английского флота приходилось 800 хронометров.
За короткое время это устройство стало привычным средством навигации и
заняло важное место в мореходном деле. Можно сказать, что морское
господство Британии, да и вообще появление Британской империи стало
возможным благодаря быстрому и точному определению координат кораблей в
открытом море. Этот способ применялся еще совсем недавно, пока ему на
смену не пришли системы спутниковой навигации.
|