Морской хронометр Джона Харрисона

Джон Харрисон (1693-1776) изобрёл точный морской хронометр после нескольких десятилетий исследований и разработок. В то время как часы с маятником были изобретены уже в XVII веке, часы, способные противостоять капризам моря, влажности и изменениям температуры воздуха, оставались недостижимой мечтой. Последние часы Харрисона, H5 1770 года, были настолько точными, что моряки, наконец, могли измерять долготу, где бы они ни находились в море.

До промышленной революции единственной организацией, которая стремилась следить за временем, была Церковь. Солнечные часы существуют с древности, но механические часы, которые впервые были изобретены в Европе в средние века, были импортированы в Великобританию, чтобы церкви могли предлагать свои услуги в установленное время, а монахи и монахини могли планировать свой день в средневековом монастыре.

В сельскохозяйственной трудовой жизни ритм дня по-прежнему диктовался восходом и заходом солнца. В традиционных ремесленных отраслях, таких как металлообработка, деревообработка и в керамике не было установленных точек начала и окончания рабочего дня, скорее, труд измерялся и оплачивался тем, сколько времени потребовалось для выполнения изделия или задачи в течение одного или нескольких дней.

К XVI веку часы стали более совершенными благодаря сложным системам шестерёнок и пружин, которые в конечном итоге были уменьшены до карманных часов. Однако по-прежнему отсутствовал один из фундаментальных принципов, с помощью которого мы сегодня измеряем эффективность часов: точность в течение недель и месяцев.

Любому путешественнику, жившему до XVIII века, действительно повезло бы обнаружить, что городские часы пункта отправления и пункта назначения показывают одно и то же время. Эта неточность не была такой уж проблемой, когда на дорогу между крупными городами уходило несколько часов или даже дней, у водителей дилижансов даже были специальные часы, которые заводились медленнее или быстрее обычного, чтобы, когда они прибывали в пункт назначения, их часы не сильно расходились со временем, которое ведётся в пункте прибытия.

Потребовалась промышленная революция с её изобретениями и взаимосвязью между людьми и местами, чтобы идея стандартного времени для всех стала практической реальностью, а время стало рассматриваться, особенно крупными работодателями, как товар, который можно использовать с пользой, сохранить или потратить впустую.

Часовщики совершенствовали механизмы часов на протяжении XVI – XVII веков, но лучшие устройства были большими и действительно точными только тогда, когда в механизм был встроен маятник. Галилео Галилей (1564-1642) был первым, кто признал важность маятника для поддержания точности часов, но первый рабочий пример был изобретен Христианом Гюйгенсом (1629-1695) и Саломоном Костером (ок. 1620-1659) около 1657 года.

До появления маятниковых часов большинство хронометров теряли около 15 минут каждый день, поэтому их приходилось постоянно корректировать.

Точные часы, которые можно было бы использовать в море, где маятник был бесполезен при движении корабля, всё ещё оставались большим пробелом в технологии, который нужно было заполнить. Создание небольших ручных часов было необходимо, и Гюйгенс сделал их в середине 1670-х годов, используя новую идею балансирной пружины, но это устройство всё ещё было недостаточно точным для целей навигации.

Навигационный секстант был изобретен в 1731 году Джоном Хэдли. Моряки могли точно измерить широту, на которой они находились (положение на линии север-юг), измеряя угол наклона солнца в полдень (в северном полушарии) или Полярной звезды (в южном полушарии). Оставалась проблема, как точно измерить, сколько времени прошло с тех пор, как корабль в последний раз покинул порт, или известное фиксированное положение на картах, или каково точное время в фиксированной контрольной точке, такой как Гринвич, Лондон. Эта информация могла дать им их долготу (положение на линии восток-запад). Проблема обострилась с европейской колонизацией Северной и Южной Америки, начавшейся с путешествий Христофора Колумба (1451-1506) в 1492 году, с обхода мыса Горн Васко да Гамой (ок. 1469-1524) в 1497-9 годах и первого кругосветного плавания экспедиции под руководством Фердинанда Магеллана (ок. 1480-1521) в 1519-22.

За несколько десятилетий океаны, да и весь мир, стали известны намного больше, и морякам как никогда нужно было знать их точное местоположение. Требовались часы, которые могли бы, например, годами показывать время по Гринвичу, чтобы у штурмана всегда была точная точка отсчета. Поскольку разница во времени между каждой линией долготы составляла четыре минуты, сравнивая гринвичское время с местным, штурман мог рассчитать своё продольное положение.

Для определения долготы существовало обходное решение, называвшееся "Методом лунных расстояний", которое включало измерение положения Луны относительно известных звезд и использование сборника таблиц, составленного Королевской обсерваторией в Гринвиче. Тем не менее, проблема создания портативного механического измерительного устройства оставалась одной из самых больших проблем для величайших умов того времени.

На кораблях экспериментировали с обычными или адаптированными часами, но движение в любых условиях, кроме спокойного моря, приводило к сбоям в их механизмах и делало их слишком неточными. Двумя другими проблемами для часов в море были влажность и большие колебания температур, снова факторы, которые могли испортить точность часов, деформируя их маленькие и сложные механизмы. В конечном итоге проблема была решена Джоном Харрисоном (его портрет ниже), йоркширским плотником и часовщиком, и его изобретением морского хронометра.

Харрисон интересовался часами с раннего возраста, и в возрасте 20 лет он сделал свои первые часы с длинным корпусом полностью из дерева. Харрисон вместе со своим братом Джеймсом изготовил часы для конюшен в Броклсби-парке, Гримсби. Это было инновационное устройство, поскольку, в отличие от большинства других часов, для его работы не требовалось смазочного масла. Однако именно отсутствие смазки стало в последствии одной из основных причин, по которой часы перестали работать должным образом.

Следующим шагом было найти способ миниатюризации этих часов до версии, достаточно маленькой для использования на корабле. Харрисона побудил к изобретению морского хронометра конкурс, проводимый в 1714 году Советом по долготе и спонсируемый правительством.

Поскольку Британская империя строилась по всему земному шару, кораблям и картографам необходимо было знать точные продольные меры. Конкурс был организован для того, чтобы побудить изобретателей создать точные часы. Победителю будет вручен солидный денежный приз в размере 20 000 фунтов стерлингов (более 3,5 миллионов долларов сегодня). Харрисон, возможно, и стал окончательным победителем, но это был нелёгкий путь к победе.

Первый морской хронометр Харрисона, названный H1 (на фото ниже), был создан между 1730 и 1735 годами. Довольно большие часы работали благодаря тому, что их движущиеся части управлялись пружиной и уравновешивались. Члены Королевского общества были достаточно впечатлены H1, чтобы испытать его в море на Центурионе. Часы разочаровали во время плавания в Лиссабон, однако на обратном пути на Орфолде они были гораздо точнее. Харрисон, по крайней мере, показал, что он на правильном пути, и правительство выделило ему 500 фунтов стерлингов на дальнейшие исследования и разработки.

Харрисону потребовалось ещё одиннадцать лет, чтобы создать улучшенный хронометр H2. Он был больше и тяжелее, чем H1, и имел круглые балансиры для лучшей устойчивости механизма. Харрисон продолжал совершенствовать свой необычайно сложный часовой механизм, пока в 1758 году не выпустил модель H3. Эта третья версия может лучше справляться с колебаниями температуры благодаря биметаллической полоске балансирной пружины. Ещё одним нововведением в этой модели стал роликовый подшипник, уменьшающий трение в механизмах. К сожалению, даже у H3 точность всё ещё была ниже необходимой.

Затем Харрисон совершил прорыв. Чтобы лучше проверять свои часы, он разработал их карманную версию и заказал её изготовление известному часовщику Джону Джеффрису. Затем Харрисон понял, что, несмотря на плохую репутацию портативных часов в то время, он мог бы использовать функции H1, H2 и H3 и сделать точные часы, возможно, более точные, чем любые часы, которые он когда-либо делал. Часы меньшего размера, которые более или менее помещаются в кармане, были бы гораздо более универсальными и привлекательными для моряков, чем предыдущие, более громоздкие версии. Так Харрисон начал работу над двумя своими "морскими часами".

В 1761 году Харрисон выпустил свой революционный хронометр H4. Он напоминает большие карманные часы и имеет диаметр чуть более пяти дюймов (13 см) при весе 3,2 фунта (1,45 кг). "Морские часы" подверглись практическому испытанию во время путешествия на Депфорде из Портсмута на Ямайку с ноября 1761 по январь 1762 года. Комиссия по долготе всё ещё не была удовлетворена; часы потеряли 5,1 секунды во время рейса, и комиссия потребовала дополнительных исследований и дополнительных испытаний.

Совет по долготе окончательно одобрил H4 после того, как он был повторно протестирован на Тартаре во время рейса на Барбадос в марте-апреле 1764 года. Оригинальный хронометр H4 Харрисона сегодня выставлен в Королевских музеях Гринвича, Лондон.

Морской хронометр Харрисона теперь позволял морякам точно измерять долготу, но правительство всё ещё не вознаградило Харрисона полной денежной премией, которую оно обещало. Возникли некоторые разногласия по поводу условий приза. Хронометр H4 Харрисона соответствовал требованиям точности, но теперь Адмиралтейство хотело, чтобы изобретатель передал образцы и изготовил две копии часов. Через несколько недель Харрисон согласился на новые условия.

Харрисон, недовольный отсутствием признания со стороны правительства его усилий и требований, предъявляемых к его изобретению, обратился к королю Великобритании Георгу III (1760-1820). Король сочувствовал и с энтузиазмом испытал новейшие и лучшие морские часы Харрисона H5 (их механизм показан на фото ниже).

Харрисону всё ещё приходилось изводить Совет по долготе из-за непогашенного остатка его денежного приза. После подачи петиции в парламент в 1773 году изобретатель, наконец, получил еще 8 750 фунтов стерлингов и официальное признание того, что он решил проблему точного измерения долготы в море. Харрисон, безусловно, гордился своими часами, как он указал в письме современнику: "Я думаю, что могу смело сказать, что в мире нет ни одного другого механизма или математической вещи, которая была бы более красивой или любопытной по структуре, чем эти мои часы или хронометр для определения долготы".

Сегодня H5 находится в Музее науки в Лондоне. Кульминацией долгого пути Харрисона в области исследований и разработок является корпус из серебра с белым эмалевым циферблатом и золотой центральной шестерёнкой для регулировки стрелок, когда это необходимо. Сложные механизмы изготовлены из золота, серебра и стали с элементами из бриллиантов и драгоценных камней. На обратной стороне механизма выгравировано "№ 2 John Harrison & Son Лондон 1770".

Британское Адмиралтейство было согласно с Харрисоном, и, несмотря на проволочки правительства по поводу приза, они поручили Джону Арнольду массовое производство морского хронометра Харрисона, и постепенно оборудовали ими все корабли Королевского флота.