Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Морской хронометр является высокоточным хронометр , который осуществляется на судне и используется при определении позиции судна по небесной навигации . Он используется для определения долготы путем сравнения среднего времени по Гринвичу (GMT) и времени в текущем местоположении, полученного из наблюдений за небесными телами. Когда он был впервые разработан в 18 веке, он был крупным техническим достижением, так как точное знание времени во время длительного морского путешествия необходимо для навигации при отсутствии электронных или коммуникационных средств. Первый настоящий хронометр был делом жизни одного человека, Джона Харрисона., охватывающий 31 год постоянных экспериментов и испытаний, которые произвели революцию в военно-морской (а позже и в воздушной) навигации и позволили ускорить эпоху открытий и колониализма .

Термин « хронометр» был придуман от греческих слов χρόνο ch (chronos) (что означает время) и метр (означает меру) в 1714 году Джереми Такером , одним из первых претендентов на приз, установленный Законом о долготе в том же году. [1] В последнее время он стал более широко использоваться для описания часов, протестированных и сертифицированных на соответствие определенным стандартам точности. На часах, изготовленных в Швейцарии, может отображаться слово «сертифицированный хронометр или официально сертифицированный хронометр», только если они сертифицированы COSC (Официальный швейцарский институт тестирования хронометров) .

История [ править ]

В морском «Хронометре» Джереми Такера использовались подвесы и вакуум в колпаке.

Чтобы определить положение на поверхности Земли, необходимо и достаточно знать широту , долготу и высоту . Рассмотрение высоты над уровнем моря, естественно, можно не учитывать для судов, работающих на уровне моря . До середины 1750-х годов точная навигация в море вне поля зрения суши была нерешенной проблемой из-за трудности определения долготы. Навигаторы могли определять свою широту, измеряя угол солнца в полдень (т. Е. Когда оно достигало своей наивысшей точки в небе или кульминации ) или, в северном полушарии, измеряя угол Полярной звезды (Полярной звезды) от горизонта ( обычно в сумерках ). Чтобы найти ихдолгота , однако, им нужен был эталон времени, который работал бы на борту корабля. Наблюдение регулярных небесных движений, таких как метод Галилея, основанный на наблюдении естественных спутников Юпитера , обычно было невозможно в море из-за движения корабля. Метод лунных расстояний , первоначально предложенный Иоганнесом Вернером в 1514 году, развивался параллельно с морским хронометром. Голландский ученый Джемма Фризиус был первым, кто предложил использовать хронометр для определения долготы в 1530 году.

Хронометр предназначен для точного измерения времени в известном фиксированном месте, например, по среднему времени по Гринвичу (GMT). Это особенно важно для навигации. Знание GMT ​​в полдень по местному времени позволяет навигатору использовать разницу во времени между положением судна и Гринвичским меридианом для определения долготы судна. Поскольку Земля вращается с постоянной скоростью, разницу во времени между хронометром и местным временем корабля можно использовать для вычисления долготы корабля относительно Гринвичского меридиана (определяемого как 0 °) с использованием сферической тригонометрии . В современной практике морской альманаха тригонометрические таблицы уменьшения видимости позволяют навигаторам измерять Солнце , Луну , видимые планеты или любую из 57 выбранных звезд для навигации в любое время, когда виден горизонт.

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

Первые примеры [ править ]

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

Христиан Гюйгенс , после изобретения маятниковых часов в 1656 году, сделал первую попытку создания морского хронометра в 1673 году во Франции при спонсорской поддержке Жана-Батиста Кольбера . [2] [3] В 1675 году Гюйгенс, который получал пенсию от Людовика XIV , изобрел хронометр, в котором для регулирования использовалось колесо баланса и спиральная пружина вместо маятника, открыв путь к морским хронометрам и современным карманным часам. и наручные часы. Он получил патент на свое изобретение от Кольбера, но его часы в море оставались неточными. [4]Попытка Гюйгенса в 1675 году получить английский патент от Карла II побудила Роберта Гука , который утверждал, что он изобрел часы с пружинным приводом несколько лет назад, попытаться произвести их и запатентовать. В 1675 году Гюйгенс и Гук доставили Чарльзу по два таких устройства, но ни одно из них не сработало, и ни Гюйгенс, ни Гук не получили английский патент. Именно в ходе этой работы Гук сформулировал так называемый закон Гука . [5]

Морской хронометр H1 1735 года Джона Харрисона

Впервые этот термин был опубликован в 1684 году в Arcanum Navarchicum , теоретической работе кильского профессора Матиаса Васмута. За этим последовало дальнейшее теоретическое описание хронометра в работах, опубликованных английским ученым Уильямом Дерхамом в 1713 году. Основная работа Дерхама , Физико-теология, или демонстрация сущности и атрибутов Бога из его творений , также предлагала использование вакуумной герметизации для обеспечения большей точности работы часов. [6] Попытки создать рабочий морской хронометр были начаты Джереми Такером в Англии в 1714 году и Генри Салли во Франции двумя годами позже. Салли опубликовал свою работу в 1726 году сUne Horloge изобретено и исполнено как М. Солли , но ни его модели, ни модели Текера не смогли противостоять волнам волн и сохранять точное время в условиях корабля. [7]

Чертежи хронометра Харрисона H4 1761 года, опубликованные в «Принципах хронометра мистера Харрисона» , 1767 год. [8]

В 1714 году британское правительство предложило приз за метод определения долготы на море, размер награды варьировался от 10 000 до 20 000 фунтов стерлингов (от 2 до 4 миллионов фунтов стерлингов в 2021 году) в зависимости от точности. Джон Харрисон , плотник из Йоркшира, представил проект в 1730 году, а в 1735 году закончил часы, основанные на паре встречно колеблющихся 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 понял, что они обладают фундаментальной чувствительностью к центробежной силе., что означало, что они никогда не могли быть достаточно точными в море. Строительство его третьей машины, получившей обозначение H3, в 1759 году включало в себя новые круговые весы и изобретение биметаллических полосовых и роликовых подшипников с сепаратором , 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]

Морской хронометр Фердинанда Берту No 3, 1763 г.

Харрисон решил проблемы точности с помощью своего гораздо меньшего по размеру хронометра H4 в 1761 году. H4 был очень похож на большие карманные часы диаметром 5 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 тех пор, пока стабильные электронные генераторы не позволили производить очень точные портативные часы по доступной цене. В 1767 году Совет по долготе опубликовал описание его работы в «Принципах хронометриста мистера Харрисона» . [10] Французская экспедиция под руководством Шарля-Франсуа-Сезара Ле Телье де Монмирай.выполнил первое измерение долготы с помощью морских хронометров на борту « Авроры» в 1767 году. [11]

Современная разработка [ править ]

Морской хронометр Pierre Le Roy , 1766 год, сфотографирован в Музее искусств и ремесел в Париже.

Во Франции в 1748 году Пьер Ле Руа изобрел фиксирующий спуск, характерный для современных хронометров. [12] В 1766 году он создал революционный хронометр, который включал фиксирующий спуск , баланс с температурной компенсацией и изохронную пружину баланса : [13] Харрисон показал возможность иметь надежный хронометр в море, но эти разработки Ле Руа считается Рупертом Гулдом основой современного хронометра. [13] Инновации Ле Руа сделали хронометр гораздо более точным, чем ожидалось. [14]

Хронометр Харрисона H5 1772 года, выставленный сейчас в Музее науки в Лондоне.

Фердинанд Берту во Франции, а также Томас Мадж в Великобритании также успешно производили морские хронометры. [12] Хотя ни один из них не был простым, они доказали, что дизайн Харрисона не был единственным ответом на проблему. Наибольшие успехи в сторону практичности пришел в руки Томаса Эрншо и Джон Арнольд , который в 1780 году разработаны и запатентованы упрощенных, отдельно стоящий, «пружина стопорные» спусками , [15] [16] переместил температурную компенсацию на баланс, и улучшить дизайн и изготовление пружин баланса . Эта комбинация инноваций служила основой морских хронометров вплоть до электронной эры.

Хронометр Фердинанда Берту № 24 (1782 г.), экспонируется в Музее искусств и ремесел в Париже.

Изначально новая технология была настолько дорогостоящей, что не все корабли были оснащены хронометрами, о чем свидетельствует судьбоносное последнее путешествие восточно-индийского « Арнистон» , потерпевшего кораблекрушение и унесшего жизни 372 человек. [17] Однако к 1825 году Королевский флот начал регулярно снабжать свои суда хронометрами. [18]

В то время на судах было обычным делом наблюдать за мячом времени , например, в Королевской обсерватории в Гринвиче , чтобы проверить свои хронометры перед отправлением в дальнее путешествие. Каждый день корабли бросали якорь в реке Темзе в Гринвиче, ожидая, пока мяч в обсерватории упадет ровно в 13:00. [19] Эта практика была в небольшой степени ответственна за последующее принятие среднего времени по Гринвичу в качестве международного стандарта. [20] (Шары времени стали излишними примерно в 1920 году с введением радиосигналов времени , которые сами по себе в значительной степени вытеснены временем GPS..) Помимо установки времени перед отправлением в рейс, судовые хронометры также регулярно проверялись на точность в море, проводя лунные [21] или солнечные наблюдения. [22] При обычном использовании хронометр должен быть установлен в защищенном месте под палубой, чтобы избежать повреждения и воздействия элементов. Моряки будут использовать хронометр для установки так называемых служебных часов , которые будут носить на палубе для проведения астрономических наблюдений. Хотя эти часы намного менее точны (и дороги), чем хронометр, они будут работать в течение короткого периода времени после их настройки (т.е. 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 на пути к включению современных методов производства и использования полностью взаимозаменяемые детали, но только с началом Второй мировой войны , что Hamilton Watch Company в Соединенных Штатах усовершенствовали процесс массового производства , что позволило ему производить тысячи своих Hamilton Model 21 и Model 22 хронометров мировой войны для Соединенных Штатов военно - морского флота и армиии другие военно-морские силы союзников . Несмотря на успех Hamilton, хронометры, изготовленные по старинке, никогда не исчезали с рынка в эпоху механических хронометров. Thomas Mercer Chronometer - одна из компаний, которые продолжают их производить.

Без их точности и точности навигационных достижений, которые позволяли морские хронометры, можно утверждать, что господство Королевского флота , а, следовательно, и Британской империи , не могло бы произойти так подавляюще; Формирование империи в результате войн и завоеваний зарубежных колоний 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 Индии и других местах до Британии, но потерпели поражение от военно-морских сил в Семилетней войне .

Самая полная международная коллекция морских хронометров, включая H1 – H4 Харрисона, находится в Королевской обсерватории в Гринвиче в Лондоне , Великобритания.

Характеристики [ править ]

Схема механизма хронометра (текст на немецком языке ). Обратите внимание на предохранитель для преобразования переменного натяжения пружины в постоянную силу

Ключевой проблемой было найти резонатор, на который не повлияли бы меняющиеся условия, с которыми сталкивается корабль в море. Балансир , запряженная весной, решить большинство проблем , связанных с движением судна. 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. Изобретателем был Шарль Эдуард Гийом., получивший в 1920 году Нобелевскую премию по физике за свои металлургические работы.

спускслужит 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 совершенно без помех, за исключением короткого момента в центре колебаний, когда они наименее восприимчивы к 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, когда 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 золотые 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 подшипников для драгоценных камней, чтобы уменьшить трение и износ осей и спускового механизма. 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 поддерживающую мощность, которая поддерживает хронометр во время его завода, и запас хода, указывающий, как долго хронометр будет продолжать работать без завода. Морские хронометры - это самые точные портативные механические часы из когда-либо созданных, обеспечивающие точность около 0,1 секунды в день или менее одной минуты в год [ необходима цитата ] . Этого достаточно, чтобы определить местонахождение корабля в пределах 1-2 миль (2-3 км) после месячного морского путешествия.

Рейтинг хронометра [ править ]

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, загустевания нефти, поэтому во время длительных экспедиций скорость инструмента будет периодически проверяться по точному времени, определяемому астрономическими наблюдениями.

Сегодня [ править ]

Морской хронометр Omega 4,19 МГц, выпущенный ВМС Франции

Суда и лодки обычно используют электронные средства навигации, в основном глобальные навигационные спутниковые системы . Однако астрономическая навигация , которая требует использования точного хронометра, по-прежнему является требованием для определенных международных морских сертификатов, таких как вахтенный помощник капитана и старшего помощника капитана , [24] [25] и дополняет оффшорных яхтсменов на частные круизные яхты дальнего следования. [26] Современные морские хронометры могут быть основаны на кварцевых часах , которые периодически корректируются сигналами GPS или радиосигналами времени (см. Радиочасы). Эти кварцевые хронометры не всегда являются самыми точными кварцевыми часами, когда сигнал не принимается, и их сигналы могут быть потеряны или заблокированы. Однако есть кварцевые механизмы, даже в наручных часах, таких как Omega Marine Chronometer , с точностью до 5 или 20 секунд в год. [27] По крайней мере, один кварцевый хронометр, предназначенный для расширенной навигации, использует несколько кристаллов кварца, которые корректируются компьютером с использованием среднего значения в дополнение к поправкам сигнала времени GPS. [28] [29]

См. Также [ править ]

  • Ulysse Nardin (смотреть)
  • Небесная навигация
  • Секстант
  • Часовщик
  • Томас Эрншоу , изобретатель стандартного спуска хронометра
  • Ларкум Кендалл
  • Полдень Gun
  • Мяч времени
  • Сигнал времени
  • Железнодорожный хронометр
  • Руперт Гулд , автор важной истории морского хронометра
  • Радиоуправляемые часы
  • Часовщик
  • Хронология изобретения

Ссылки [ править ]

  1. ^ Собел, Дава . Долгота: правдивая история одинокого гения, который решил величайшую научную проблему своего времени . Книги пингвинов . С.  56, 57 . ISBN 0-14-025879-5. Отвергая другие решения проблемы долготы, Такер написал: « Одним словом, я удовлетворен тем, что мой Читатель начинает думать, что Фонометры, Пирометры, Селенометры, Гелиометры и все измерители не достойны сравнения с моим Хронометром ».
  2. Хит, Байрон (19 марта 2018 г.). «Великая южная земля» . Розенберг . Проверено 19 марта 2018 г. - через Google Книги.
  3. Лабиринт изобретательности: идеи и идеализм в развитии технологий Арнольд Пейси Нью с.133 и далее [1]
  4. Мэтьюз, Майкл Р. (31 октября 2000 г.). «Время научного образования: как преподавание истории и философии движения маятника может способствовать повышению научной грамотности» . Springer Science & Business Media . Проверено 19 марта 2018 г. - через Google Книги.
  5. ^ "isbn: 0330532189 - Поиск в Google" . books.google.com . Проверено 19 марта 2018 года .
  6. ^ Koberer, Wolfgang (май 2016). «Примечания: О первом употреблении термина« хронометр » ». Зеркало моряка . Соединенное Королевство: Общество морских исследований. 102 (2): 203–205. DOI : 10.1080 / 00253359.2016.1167400 .
  7. ^ Хронология Clocks Архивированных 2014-03-25 в 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 маятника или весов не может правильно или никогда не компенсировать недостаток скорости; и на самом деле скорости в трех моих больших машинах очень не хватало ... "
  10. ^ Харрисон, Джон; Маскелайн, Невил; Великобритания. Комиссары долготы (19 марта 1767 г.). «Принципы хронометриста мистера Харрисона; с такими же табличками» . Лондон, отпечатано У. Ричардсоном и С. Кларком и продано Дж. Нурсом . Проверено 19 марта 2018 г. - из интернет-архива.
  11. ^ "МОНОГРАФИЯ DE L'AURORE - Корвет-1766" . Ancre . Проверено 5 декабря 2019 .
  12. ^ a b Справочник по часам и производителям часов Бриттена, словарь и руководство, пятнадцатое издание, стр.122 [2]
  13. ^ a b Мейси, Сэмюэл Л. (19 марта 1994 г.). «Энциклопедия времени» . Тейлор и Фрэнсис . Проверено 19 марта 2018 г. - через Google Книги.
  14. Usher, Abbott Payson (19 марта 2018 г.). «История механических изобретений» . Курьерская корпорация . Проверено 19 марта 2018 г. - через Google Книги.
  15. ^ Ландес, Дэвид С. (1983). Революция во времени . Кембридж, Массачусетс: Belknap Press of Harvard University Press. С.  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, Samuel L. (19 марта 1994). «Энциклопедия времени» . Тейлор и Фрэнсис . Проверено 19 марта 2018 г. - через Google Книги.
  17. ^ Холл, Василий (1862). «Глава XIV. Удвоение мыса (из« Фрагментов путешествий и путешествий », 2-я серия, т. 2 (1832 г.))». Лейтенант и командир . Лондон: Белл и Далди (через Project Gutenberg ). OCLC 9305276 . Проверено 9 ноября 2007 . 
  18. ^ Бриттен, Фредерик Джеймс (1894). Бывшие часовщики и часовщики и их работа . Нью-Йорк: Спон и Чемберлен. п. 230 . Проверено 8 августа 2007 . Хронометры не поставлялись в Королевский флот регулярно до 1825 года.
  19. ^ Голдинг Берд (1867). Элементы естественной философии; Или «Введение в изучение физических наук» . Дж. Черчилль и сыновья. С.  545 . Проверено 24 сентября 2008 .
  20. ^ Тони Джонс (2000). Разделение второго . CRC Press. п. 121. ISBN. 0750306408.
  21. Натаниэль Боудич, Джонатан Ингерсолл Боудич (1826). Новый американский практический навигатор . Э.М. Блант. С.  179 .
  22. ^ Norie, JW (1816). «Найти долготу хронометров или хронометров» . Новое и полное воплощение практической навигации . Архивировано из оригинала на 2015-09-07.
  23. ^ Альфред Т. Махан , Влияние морской силы на историю:
  24. ^ "Международная конвенция о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты, 1978" . Справочник по адмиралтейству и морскому праву, Международные конвенции . Проверено 22 сентября 2007 .
  25. ^ «Международная конвенция о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты (с поправками)» . Международная морская организация. Архивировано из оригинала на 2007-07-03 . Проверено 22 сентября 2007 .
  26. ^ Yachting Chronometer and Sextant , доступ 25 мая 2013 г., издатель = Nautische Instrumente
  27. Читай, Александр. «Высокоточные часы, которые можно использовать как морской хронометр» . Проверено 22 сентября 2007 .
  28. ^ Монтгомери, Брюс Г. «Сохранение точного времени при прекращении сигналов GPS» . Коттс Журнал Интернет. Архивировано из оригинала 2011-06-09 . Проверено 22 сентября 2007 .
  29. ^ "Точное время и частота для военно-морского флота: Расширенные часы PICO" . DoD TechMatch, Фонд консорциума высоких технологий Западной Вирджинии. Архивировано из оригинального 31 декабря 2010 года . Проверено 22 сентября 2007 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Национальный морской музей, Гринвич
  • Анри MOTEL n ° 258 Chronomètre de Marine 40 heures [ постоянная мертвая ссылка ] (на французском языке)
  • Морской хронометр Kaliber 100 - презентация морских хронометров "Glashütter Uhrenbetriebe VEB" с изображением и пояснением (на немецком языке)
  • Рабочий хронометр, Национальный музей Австралии . Короткометражный фильм в формате MPEG, демонстрирующий хронометр Барро 1825 года в действии. (ссылка устарела)