经度之战（九）(ZT)

菠萝蜜

经度之战（九）

作者：土摩托


九

300多年前，一个平凡的人根本不会在地球上留下多少痕迹，约翰·哈里森（John Harrison）就是这样。他于1693年3月24日出生在英国约克郡，在家里的5个孩子中排行老大。关于他的家庭，以及童年生活的细节，至今所知甚少，只知道他们一家不知何故突然搬到了林肯郡的一个名叫巴罗的小村子，附近有一条名叫亨波的小河。

（约翰·哈里森）

哈里森子承父业，跟着父亲学会了做木工。没人知道他跟谁学的小提琴，反正后来他曾经在教堂的唱诗班担任指挥，并且对音阶的基本理论发生了兴趣。同样，没人知道他从何时开始突然渴望读书，那时有关自然科学的书非常稀少，一位牧师借给他一本剑桥大学数学家桑德森教授所做的自然哲学讲座的记录，哈里森如获至宝，把整本书都抄了下来，还给这本手抄本起了个名字，叫《桑德森先生的机械学》。

成年后的哈里森对文学一直缺乏兴趣，一辈子拒绝阅读莎士比亚，却把这本《机械学》，以及牛顿的《自然哲学之数学原理》奉为珍宝。事实证明，哈里森确实缺乏文学素养，不善于用书面语言清楚地表达自己的意思。他曾经把自己和经度委员会打交道的过程写成了文字，结果第一句话就占了25页，而且几乎不带一个标点符号！

1713年，19岁的哈里森造出了一台摆钟。没人知道他为什么这么做，也没有证据证明他跟任何人学过这门手艺，因为当时巴罗村附近从没有生活过任何一位钟表匠。后人猜测他只是把一座现成的摆钟拆了开来，研究了一下内部结构，就自己仿制了一台。可是，那时的摆钟非常昂贵，很难想象哈里森是如何得到一台能让他随便拆解的摆钟的。

值得一提的是，英国人特别喜欢机械，历史上出过很多机械大师。世界上第一座机械钟就是由英国贝特福德郡的一个不知名的英国机械师于1283年制造出来的，在此之前人们只能用日晷、沙漏或者水漏来计时。

无论哈里森从哪里得到的灵感，他确实造出了一台摆钟。如今它被保存于伦敦同业工会会所的展览室内，凡是看到它的人都会首先发现一个令人惊讶的事实：这座摆钟几乎完全是用木头做成的。它用橡木做齿轮，黄杨木做轴，只在连接处用了少量的黄铜和铁。哈里森确实是一个好木匠，他对木头的结构很有研究，充分利用了橡木的纹理，把最坚实耐磨的部分用在了齿轮上，因此这台钟的木齿在正常情况下永远不会因磨损而脱齿。

哈里森在1715年和1717年又分别制造了两台一模一样的木头摆钟。他边干边钻研，搞清了所有机械钟表误差的来源。1720年，当地一位爵士出钱让哈里森帮忙在自己庄园里建造一座塔钟，他花了2年时间造了出来。现在这座塔钟仍在报时，近300年的时间里里除了一次装修外从来没有间断过。

这座塔钟也是木制的，不用上油就能工作。哈里森选用了一种会自己渗出油脂的热带坚木做为摩擦部件，非用金属不可的地方也都选用了上等黄铜，因此这台钟完全不必担心生锈，杜绝了空气湿度对精度造成的影响。

但是，这座钟真正值得称道的是哈里森做出的两大发明。第一，他设计了一种新式擒纵器（Escapement），并根据它的样子起名叫做“蚂蚱”（Grasshopper）。擒纵器是钟表的核心部件，它在钟表的动力源（比如弹簧“弦”）和计数器（比如钟摆）之间建立了联系，负责把能量传递给计数器，同时把计数器的脉动传递给钟表指针。通常，擒纵器是摩擦的主要来源，但哈里森设计了一种像蚂蚱腿似的擒纵器，几乎完全没有摩擦，这就极大地提高了钟表的精度和抵抗环境变化的能力。

第二，哈里森设计了一个“烤架”式钟摆。如前所述，钟摆的长度对摆动频率影响极大，而金属的热胀冷缩是早期钟表不准的最大的原因。哈里森通过实验知道，铜和铁有着不同的热胀冷缩比，于是他把9根长短不同的铜棍和铁棍并列在一起，组成一个像烤肉架一样的东西，两种金属不同的涨缩程度相互抵消，于是钟摆的长度就不受温度的影响了。

为了验证这座塔钟的准确度，哈里森学会了利用星星来定时。他和弟弟合作，每天在自家卧室里观察几颗恒定的星星。他们用卧室窗户的窗框和邻居家的烟囱做为准线，记录这几颗星星消失在烟囱背后的时间。因为地球自转的缘故，每颗星的消失时间都会比前一天快3分56秒。哈里森用这架“天文钟”矫正了自制的塔钟，发现这台塔钟每个月误差不超过1秒钟，其精度达到了前所未有的高度。如此高的经度完全得益于这两项新技术，哈里森单枪匹马引发了制表业的一次革命。

（蚂蚱擒纵器）


（加装了烤架式钟摆的摆钟）

扬明

胡子

佩服！！！

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经度之战（十）

土摩托  


十

没人知道哈里森是在什么时候知道经度奖金的。不过经度问题是当时欧洲家喻户晓的一个难题，哈里森没有理由不知道。但是，据他后来回忆，直到1727年时他才开始专注于这个问题，毕竟他在此之前制造的钟表都是固定在地上的。要想适应海洋，还需克服不少新的困难。

哈里森经过4年的努力，终于想出了解决船只晃动的办法。他设计了一种平衡摆，两只钟摆的两头分别用一根弹簧连接在一起。这样一来，一根钟摆受到的震动就会被另一根钟摆所抵消，无论船再怎么摇晃，都不会影响这种平衡摆的频率。

想出了这个妙法之后，哈里森正式决定向经度难题发起挑战。他带着设计图纸，去伦敦找经度委员会。可一问才知，这个大名鼎鼎的委员会连个办公室都没有。原来，委员们受不了白痴们整天轰炸，干脆雇了一名秘书负责把关，他所做的工作就是打印一封封格式化的回信，告诉那些疯子们：你们别想了，这2万英镑不属于你们。

找不到委员会，哈里森只好去找他唯一听说过的人－格林尼治天文台的新台长哈雷。哈雷待人非常热情，他耐心听了哈里森的述说，然后诚恳地告诉他：经度委员会只有三类人：天文学家、数学家和航海家，没人能看懂你的图纸。

哈雷推荐哈里森去找乔治·格雷厄姆（George Graham）。此人比哈里森大20岁，是当时伦敦最有名的钟表匠，也是英国皇家学会（相当于中国科学院）的会员。第二天上午十点，哈里森准时敲开了格雷厄姆家的大门。一开始格雷厄姆的态度并不十分友好，可当他看了一眼图纸后，立刻意识到眼前这个从乡下来的木匠不是在开玩笑。结果，两人从上午十点一直讨论到晚上八点，格雷厄姆还请哈里森吃了顿丰盛的晚饭。临走前，格雷厄姆从自己的私人金库里拿出200英镑，把它做为无息贷款借给了哈里森。


(乔治·格雷厄姆)

“你不用着急还这笔钱，”格雷厄姆说，“我只想尽快地看到你用这笔钱做出一台样钟来。”

这位乔治·格雷厄姆被后人誉为“正直的乔治”，是有道理的。

哈里森拿到这笔巨款后，立刻回家和弟弟一起开始了艰苦的工作。5年之后，也就是1735年，第一台样钟做出来了。这台被称为H1的航海钟重达42公斤，被装在一个长宽高均为1.3米左右的铜壳内。兄弟俩用家里的壁炉检验了它抵抗高温的能力，又把它放进一艘小船，在村子旁边的亨波河上检验了它对付摇晃的水准。满意了之后，两人把它抬到了伦敦，去找格雷厄姆。格雷厄姆立即找了5位皇家学会的会员前来参观，其中自然包括哈雷。5人检查了H1的机械结构，一致叫好，并联名给经度委员会写了一封热情洋溢的推荐信。

有了专家的推荐，经度委员会出钱让哈里森带着H1出海检验。首次远航的目的地选择了葡萄牙的里斯本，1736年，英国海军大臣亲自写了一封介绍信，把哈里森送上了“百夫长”号军舰。船长普罗克特安排H1“住”进了自己的休息室，还用铁钩把H1吊在房顶上，尽量减少震动。哈里森就没这么好运气了，这是他第一次出海，晕得上吐下泻。所幸去时遇到顺风，一个星期后就到达了里斯本。可船一靠岸，好心的普罗克特船长就猝死了，没有来得及在航海日志上留下关于H1的任何记录。

回程的时候，“百夫长”号遇到了风暴天气，在海上飘了一个多月才返回英国。就在船快要靠岸的时候，新船长认为对面是达特茅斯附近的斯塔特，而哈里森根据H1给出的经度数据，认为这是彭赞斯半岛上的利泽德。

最后证明H1是对的，两地相差100公里。在暗礁密布的英国海滩，这100公里的差别足以造成一次海难。


（H1正面）


（H1侧面）


（H1细部）


（H1的上弦机构）


（H1的平衡摆）

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经度之战（十一）

土摩托  


十一

1737年6月30日，经度委员会的8名常委聚在一起开会，听取哈里森的报告。8人中除了哈雷以外，还有2名来自海军的高官，3名皇家科学院的教授，以及2名政界人士。说来奇怪，这是经度委员会成立23年以来第一次召开全体会议，因为他们根本没有必要这么做，一个秘书就足以打发在此之前的所有应征者们。也许有人会批评他们这样做有些傲慢，但是当你整天面对的都是一些“经度疯子”时，谁也没这个耐心。而哈里森所受的待遇正好说明，专家们绝不都是一些狂妄自大的人。

出乎委员们的意料，哈里森并没有急于申请进行一次驶往加勒比海的试验（因为这是获得经度奖金所必须的），而是逐条指出了H1的不足之处。按理说，H1的经度足以保证哈里森获得二等奖，但哈里森是个完美主义者，他通过这次里斯本试验，发现了几个设计上的小错误。他知道自己有能力改正这些错误，造出一台“完美”的时间机器。为此，他向经度委员会申请，先不做加勒比海试验，而是预支一笔经费，让他再制造一台新的航海钟。

其实，当初的“经度法案”有过这方面的规定。为了鼓励应征者，经度委员会有权向提出可行性方案的穷人预支奖金，做为试验经费。于是，经度委员会当即同意了哈里森的要求，预支给他500英镑，供他再制造一台新的改进型航海钟。

事实上，经度委员会一直存在了100多年，累计预支出去的研究经费高达10万英镑。可以说，经度委员会是人类历史上第一个官方的研究开发资助机构。

哈里森只花了3年的时间就做好了H2。1741年1月，哈里森带着H2回到伦敦，把它展示给经度委员会。H2比H1略小，却反而更重了，因为哈里森把原先一部分木质材料改成了铜。除此之外，哈里森改进了驱动系统，并设计了一个更加灵敏的温度补偿器。


(H2)

当时英国正在和西班牙开战，因此经度委员会没有急着让它出海，而是在陆地上对H2进行了一系列比海上条件更加严酷的试验，H2经受了考验。

但是，哈里森却又一次提出了反对意见。原来，他在H2完成之后才意识到，原先的设计不能抵抗船只转弯时造成的离心力，因此每次改变航向都会对航海钟带来一个微小的误差。哈里森绝不允许一台不完美的航海钟出海试验，他又向经度委员会申请了500英镑，并保证将会做出一台“世界上最完美的钟表”。

此时的哈里森已经48岁了。他举家搬到了伦敦，把自己关在房子里，开始制造H3。他的助手已经从弟弟换成了儿子威廉·哈里森（William Harrioson）。威廉是老哈里森和第二个妻子生下的孩子，也是哈里森所生的三个孩子当中唯一长大成人的。当时威廉只有13岁，他的童年和青春期都是在H3的陪伴下度过的。

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