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英国钟表匠解决航海中船只精确定位科学难题 精选

已有 18754 次阅读 2014-5-20 08:05 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| John, 航海钟, 约翰·哈里森, Harrison

对十八世纪的英国来说,在航海过程中为船只精确定位是一个非常重要的课题。当时,水手测量船只所在的纬度很容易,但如何精确测量经度仍是一个难题。

要精确测量经度,水手需要一个准确的计时器。用计时器得知家乡的时间,再通过观察太阳位置得知所在地的时间,水手就可以计算出船只所在的经度。

但是,当时的计时器是摆钟,行船过程中的颠簸和温湿度的变化都能使摆钟产生巨大的误差。由于航海家难以测量经度,经常发生航船因错估位置而触礁的海难。

1714年,英国政府设立“经度奖”,悬赏两万英镑(相当于今天的几百万英镑),奖给能找到测量经度方法的人。英国钟表匠约翰·哈里森(John Harrison)用他制作的精确航海钟解决了这个困扰欧洲航海界和科学界一百多年的难题。

哈里森为研制精确的航海钟付出了几十年的努力,但是由科学家组成的经度委员会对他屡加刁难。哈里森直到1773年他已80岁高龄时,才获得全部奖金。

约翰•哈里森

约翰·哈里森(John Harrison,1693年3月24日—1776年3月24日)。他出生于英国西约克郡靠近韦克菲尔德市的弗尔比(Foulby),是他这一代五个孩子中的老大,他的父亲在附近的诺斯泰尔·普莱瑞庄园当木匠。

他出生的那幢房子现在已标上蓝色徽章:

File:HarrisonBP.jpg

大约在1700年,他们全家搬到了北林肯郡,由于他父亲的木匠生意,哈里森在闲暇之时制造和修理时钟。在1713年,20岁的时候他制造了第一台落地长钟。这台钟完全是使用木头制造出来的,这样的材料是一个小木匠很自然的选择。

哈里森早期的钟表作品中有三台保存至今:最早的一件(1713年制造)存放在伦敦市政厅的钟表匠同业公会,第二件(1715年制造)存放在英国的科学博物馆,第三件(1717年制造)存放在约克郡的Nostell Priory,钟面的铭牌上写有“John Harrison Barrow”,这只钟被放置在一个华丽高贵的房子的台球室里,它有着一个维多利亚时代的外壳,其两侧安装了小的玻璃窗,为的是能看到其木制运转机理。

在1720年代早期哈里森还被委派为北林肯郡的布罗克莱斯比庄园建造一个新的塔钟,这个塔钟至今仍然在运行,和他以前制作的钟一样也使用了木制组件,主要是橡木和愈疮树,不同于他以前的作品的是,这个钟为提高计时准确度混合使用了一些新的原型特性,例如蚱蜢擒纵轮。

从1725年到1728年,约翰和他同为木匠的弟弟詹姆斯合作制造了至少三台精确摆钟,同样也是由橡木愈疮树制作的运动组件和落地钟配制,在这个时期内他们开发了格架摆(grid-iron pendulum),这些精确摆钟是当时世界上最精确的钟。特别是它们与海钟有着直接的联系。三台中的1号钟在2000年以前一直收藏在美国的时间博物馆,博物馆关闭后于2004年被拍卖;2号钟收藏于英国西约克郡的利兹画廊及博物馆,后来可能转到新的利兹城市博物馆永久展出;3号钟展示于英国钟表匠同业公会。


当时英国的国王查理二世比较尊重科学技术,他听说通过观测月亮的运动可以测出经度,便向当时著名的英国天文学家约翰 弗拉姆斯提德(John Flamsteed)求教,后者建议:画一张星表,准确地描述出一年365天所有时刻月亮的相对位置,然后查对该图可以确定经度。于是,查理二世拨款修建了一座皇家天文台,弗拉姆斯提德自然被命名为第一任台长,绘制出世界上第一张比较准确的月相图。

1707年,英国舰队战胜法国舰队之后胜利返航的途中遭遇大雾迷失了方向,由于没有科学技术确定舰队的准确位置,导致4艘战舰撞上了海岛全部沉没,这件事再一次让英国意识到确定经度的重要性。于是,1714年英国国会通过了《经度法案》(Longitude Act),规定任何人只要能找出在海上测量经度的方法,便可以拿到2万英镑的奖金。这笔钱在当时可是巨款,大概相当于现在的600万英镑。为了公正地找出获胜者,英国国会还成立了“经度委员会”,请来包括牛顿在内的许多著名科学家担任评委。

从科学的角度讲,经度问题其实可以换算成时间。因为地球每天转动一周,每小时的时差就相当于经度的15(360度除以24)。因此,只要知道船舶所在地的时间,就能计算出所在地的经度。关键问题是,当时的钟表都是依靠钟摆的左右摆动来计时的,禁不起外来的晃动,当船一到海上,海浪摇摆船只,计时就不准了。

因此,当时的英国科学界一致认为只有依靠天文学观测星相能最终解决这个问题(如上之月相图),所以“经度委员会”的成员也是以天文学界人为主


约翰.哈里森这位自学成才的钟表匠开始用自己的办法(时间方法)解决这个悬赏的挑战。他经过多年思考,设计出一套方法,并画了张草图,亲自去伦敦给当时的第二任皇家天文台台长埃德蒙德 哈雷(Edmond  Halley,哈雷彗星就是以他的名字命名的)。哈雷把哈里森推荐给了伦敦最好的钟表匠乔治.格拉姆(George Graham),后者从自己的口袋里拿出250英镑作为制作经费,给哈里森使用。哈里斯花了5年时间终于造出了第一台航海钟(后人把它命名为H1,意思是哈里斯1号,下图左)。这台1米见方、重达34公斤的庞然大物采用了哈里森发明的“蚂蚱腿”装置,即用两根弹簧把两个金属钟摆的两头连在一起。这样一来,钟摆的摆动频率摆脱了重力影响,不怕海上的颠簸了。哈里森带着H1进行了一次短途航海旅行,结果证明用它来测量经度比当时所有的方法都要准确。

File:H1 low 250.jpgFile:H4 low 250.jpg

到此,哈里森并不满足,他想出了不少改进办法,又制作了一台H2。没等H2完工,哈里森又发现了一个致命缺点,便又开始制作H3。H3花了他19年时间,这期间他几乎没有任何经济来源,全凭“经度委员会”预支给他的2500英镑养家糊口。H1、H2和H3都是庞然大物,因为当时的钟表界都认为只有大的钟表才会准确。

一个偶然事件让哈里森意识到,小型高频振子才是避免受环境影响的最佳办法。那时哈里森已经60岁了,他开始制作H4。6年后也就是1759年,哈里森终于造出了一块只比怀表大一点的航海表H4(上图右)。这H4携带方便,准确性也大大提高了。“经度委员会”让哈里森的儿子带着H4远征牙买加,经过8l天的海上航行,H4只慢了5秒钟,大致相当于3公里,其误差率远小于“经度委员会”制定的最大限度。应该可以得到这2万英镑的奖金了。


半路上杀出了程咬金:1766年皇家天文台第五任台长内维尔 马斯克林内(Nevil Maskelyne)在前人工作的基础上出版了英国第一本实用的《航海历,船长们可以用它来确定经度。但是这个方法需要大量数学计算,测一次至少需要4个小时,很麻烦,不方便。马斯克林内也想拿到这笔奖金。由于他本人是皇家天文台台长,同时也是“经度委员会”的成员,因此他得以利用手中的权力,不断刁难哈里森,拒绝承认H4的准确性。“经度委员会”必竟不是马斯克林内一个人说了算,他们决定先奖励哈里森l万英镑(扣除已经预支给他的那些经费),其余的钱要等到其他钟表匠复制出同样精确的H4后再发给他。这个决定倒也相当公正,可哈里森等不及了。他亲自找当时的英国国王乔治三世(上访告御状),国王听完来龙去脉后大吃一惊,对哈里森说:“我的上帝,哈里森,我要给你公正!”
 
有了国王的支持。“经度委员会”再也不敢给哈里森穿小鞋了。1773年,哈里森终于在80岁时候拿到了全额奖金。这4块钟表耗尽了哈里森的心血,就在拿到奖金3年后,1776年,他在伦敦去世了。


其实,马斯克林内的星图法后来也被实践证明是可以信赖的一种方法。事实上,自那以后,海员们都会一手拿着哈里森航海表,另一只手拿着马斯克林内的《航海历》,两种方法互相校正。正因为这两种方法的发明,英国的航海范围大大提高,为英国海军夺取海上霸权打下了坚实基础,所以出现了日不落的大英帝国。

   为了表彰英国天文学家在这个领域里的功绩,1884年国际天文学界召开会议,正式把格林尼治皇家天文台所在地定为本初子午线,也就是零经度,从此,地球被分成了东西两个半球。
   
   如今,这些都不需要了,普通人都可以很轻松使用GPS(全球卫星定位系统),我国还有个北斗系统。但是,这些当年的故事,对我国现在的科技发展突破,仍然具有重大的指导意义。



重要参考资料:

关于约翰.哈里森John Harrison的航海钟(蚱蜢钟)发明的过程, 从H1到H4 

维基百科(英文)



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