二、航海时计

为了在海上测定船只的位置，必须借助独立的天文观测来确定船只所处的经度和纬度。测出一个当时已知其赤纬的天体的中天高度，即可由之推算出纬度。但要测定该地以某本初子午线为基准的经度，就必须测定在某时刻的地方时，再拿它与对应于该本初子午线的标准时间比较。于是，地方时与标准时间之差便量度了对于该本初子午线的所求之经度。地方时用六分仪进行适当观测便可相当容易地加以确定；但是，确定相应标准时间的问题则直到十八世纪中叶一直是个很大的难题。尽管提出了几种理论上合理的方法，但没能为它们的付诸实施找到足够精确的数据。

惠更斯建议，在航海时应带上几台摆钟，用以指示标准时间。但是，这个方案行不通，因为即使这些时钟在陆地上能够走时非常准确（它们实际上并非如此），船只的运动也会马上使它们不准。1659年前后，惠更斯设计了一种专门用于航海的时钟，并确实获得了相当大的成功。但是，除非风平浪静，否则，即使这种仪器也很难工作得令人满意。

于是，十七和十八世纪各主要沿海国家政府都悬赏吸引发明家发明解决经度测量问题的工具。1714年，英国政府便出资20000英镑，征求能够以优于半度的精确度求得经度的实用方法，而对于精确度较低的方法，则给予较低的赏金。于是，专门设立了一个经度委员会来管理这笔奖金。至该委员会于1828年被撤销为止，褒奖和资助发明者的支出超过100000英镑。申请奖金的人很多，但其中大多数人提出作为申请依据的方案都没有什么价值。

制造具有所要求的精确度的航海时计的问题，首先是由约翰·哈里森（1693—1776）解决的。哈里森是约克郡人，早年便在时钟的制造和改进方面显示出天才。在他的发明中，有以他命名的著名的“铁栅”摆，以及在他的航海时计机构中起重要作用的补偿勒索，两者都是利用了两种金属的热膨胀不相等这一原理。

在由一根自由端带有摆锤的金属杆构成的最简单型式钟摆中，温度变化使摆的长度产生变化，从而又使摆的振动周期改变，这样便导致时钟在夏季比冬季走得慢。哈里森想消除这效应，为此他利用由两种或更多种具有不同膨胀系数的金属杆做成的摆，这些金属杆加以适当配置，使摆的有效长度（悬置轴和回摆中心间的距离）在相当大的温度范围内总是保持不变。我们可以把这种装置与乔治·格雷厄姆约在同一时期发明的水银摆相比较。水银摆的摆锤是一个盛有水银的容器，这种金属的膨胀及由之引起的重心上升恰好补偿了支持它的钢摆杆的向下膨胀，从而使振动速率保持在一定温度变化范围内不受影响。这种装置现在一般都已代之以利用“殷钢”杆，殷钢是一种热膨胀可忽略不计的镍钢合金。

哈里森早就下决心争夺经度委员会的赏金。他怀着这个抱负，于1728年把制造航海时钟的计划呈交给仪器制造家乔治·格雷厄姆，后者以私人名义借给了他制造这仪器所需的经费。这台航海时钟于1735年制成，其工作原理是自动补偿船舶运动的效应。

哈里森的第一台航海时计现在还保存在格林威治天文台里，它的工作颇像一台时钟，但是两个大摆轮（在机器的背部可以看到）取代了钟摆。这两个摆轮由四根平衡簧控制，并且总是沿相反方向运动，因而所受船舶颠簸的影响大小相等而方向相反。这机器重72磅，示出日、时、分和秒（见图78）。动力由两根主发条供给；并备有一种专门装置，保证在上发条时仪器也仍然不停地工作，因为过去甚至在天文用的时钟上也会发生上发条时停机的情况。哈里森为了发明减小机器工作时的摩擦的方法，费了不少心机。他还首次对随温度变化而产生的平衡簧阻力变化提供了补偿。他的办法是把各弹簧的固定端连接于由几根黄铜杆和钢杆构成的一个复式接头上，这些杆件的膨胀和收缩（它们在这里是累积的）使这些固定端移动，从而自动地调节了弹簧的张力。

哈里森奉派带着他的仪器航行到里斯本，返回时带来了令人鼓舞的结果。在经度委员会的协助下，他着手制造第二台时计（由于同西班牙的战事，这台时计未能在海上试验），后来又制造了第三台。

哈里森的第二台航海时计（1739年）与第一台没有什么根本的区别，只有几处微小的改进。他的第三台时计（1757年）有圆形摆轮，对温度变化的补偿设施是，用一条黄铜带和一条钢带铆接构成的“勒索”的自由端上的销来固定各平衡簧的有效端。当温度变化时，这两种金属不相等的热膨胀致使那复合条不等量地踡曲，这样便使勒索销沿平衡簧移动，结果使平衡簧的有效长度按预定量变化。这几台机器都很笨重，其中第二台有一百多磅重。但是，第四台仪器要小得多，就像一块大些的表。它于1759年制成，已证明是这整个时计系列中最精巧的一台（见图79）。

哈里森的第四台时计宽约5英寸，有一根时针、一根分针和一根秒针，三根指针均横在同一个搪瓷度盘上。仪器由一个圆形钢摆轮控制，摆轮上有三根臂和一个前述型式的补偿勒索。节摆件以当时钟表应用的心轴节摆件为基础，但作了许多改进，旨在使摆轮的运动有大得多的自由。像哈里森的其他仪器一样，这台时计中照例也有一种“维持力”，以使时计在上发条时仍保持走时。在航行中，这第四台时计不是安放在常平架上，而是放在一个盒子里的一个垫子上，这一点与哈里森过去的仪器不同。在哈里森的儿子威廉的照管之下，这台时计在一次开往西印度群岛的航行中进行了试验。在整个航程中，它只慢了五秒（这五秒的误差是在仪器原定的每日慢 秒的误差之外的）。1764年，在一次开往巴巴多斯的航行中又对该时计进行了试验，结果证明有荣获最高奖赏的资格。但是，经度委员会要在哈里森解释了它的结构，并证明其他钟表制造师也能造出具有同等可靠程度的仪器以后，才肯全数发给赏金。于是，哈里森和经度委员会之间展开了一场难解的争吵。在这场论战中，国王乔治三世支持哈里森向议会上诉。不过，哈里森生前还是得到了所欠他的20000英镑余额。哈里森的时计现在在格林威治天文台珍藏着。

拉坎姆·肯德尔（1721—95）和托马斯·马奇（1715—94）在哈里森去世后，又发展了他的方法。马奇是杠杆节摆件的发明者，这种装置现在几乎普遍运用于钟表和作特别粗糙应用的航海时计之中。但是，航海时计后来的进步主要归功于十八世纪大陆的两位相互竞争的钟表学家勒鲁瓦和贝尔图的工作，而大量生产可以广泛应用于航海的廉价仪器的问题则被英国的钟表制造家约翰·阿诺德（1736—99）和托马斯·厄恩肖（1749—1829）解决了。

皮埃尔·勒鲁瓦（1717—85）是法国人，从他父亲那里继承了“勒鲁瓦钟表师”事务所。1748年，他描述了他发明的一种改良节摆件，其设计旨在尽可能消除司行轮与藉以调节时针的摆轮自由运动对节摆轮的干扰，并限制必要的相互作用，即限制于摆轮振动的其自然运动最不易受影响的部分，因为这种相互作用使摆轮产生周期性脉动。1754年，勒鲁瓦描述了他那有些粗糙的第一个航海时计设计。摆轮是一个大金属球，绕其直径轴顶着一根直弹簧的扭阻力而转动，直径轴悬吊在该弹簧上。这种仪器实际上不可能对温度变化给予令人满意的补偿。经过若干进一步的尝试之后，勒鲁瓦于1766年成功地制成了可认为是现代仪器原型的一种航海时计，它注定将取代哈里森的时计。勒鲁瓦的时计作为一项杰出的发明，在于它富于独创性，不依傍流行观念。勒鲁瓦在他的《论海上测时的最佳方法》（Mémoire sur la meilleure maniére de mesurer le temps en mer）（它作为附录载于Cassini的Voyage fait par ordre du Roi en 1768，pour éprouver les montres marines inventées par M.le Roy，Paris，1770）中描述了他的仪器以及他构思这发明的逻辑过程。这种仪器配备了勒鲁瓦所发明时补偿摆（他发明了水银式和双金属式两种补偿摆）和独立式航海时计节摆件。运动由一个圆形摆轮调节，温度变化对摆簧的影响这样补偿：在摆轮系中配备两个部分充水银、部分充酒精的温度计。水银的任何热膨胀都会使其重心移向摆轮轴，从而引起摆轮系的转动惯量减小。这减小可加以调节，使得中和因摆轮膨胀而引起的转动惯量增加，以及摆簧随温度上升而变弱的效应。管的曲率理论上可以调节到使给出完善补偿。勒鲁瓦还发明了较习见的双金属摆轮，作为一种选择。这种摆轮的轮缘乃由两种具有不同热膨胀的金属的条片，与热膨胀较小的内条片铆接在一起而构成。轮周分割成若干片段，每个片段的一端固定在摆轮的一根辐条上；另一端加载，当温度上升时，在差膨胀的作用下朝向摆轮中心自由踡曲。这样可以补偿摆簧的变弱，以及因辐条膨胀而引起的转动惯量增大。航海试验证实，勒鲁瓦的航海时计以及他后来制造的另一种类似结构的时计性能卓越。这原始仪器和描述它的论文获得了科学院的加倍奖金。

费迪南德·贝尔图（1729—1807）是瑞士钟表学家，一生大部分时间在巴黎度过。他在专业上表现出一个发明家的机智过人和一个作家的超常勤勉。勒鲁瓦处理问题依赖精辟而有创造性的分析。相反，以他为强劲对手的贝尔图则是向自己以及别人的经验学习。贝尔图制造的航海时计，无论在动力还是调整方面的设计上都表现出了丰富的多样性。1763年贝尔图涉足这个领域时只拿出了一台带有早期航海时计大部分缺陷的粗糙航海时钟。他渐次进步，从哈里森和勒鲁瓦的发明中获取教益，终于制成了其设计已接近现代型式的时计。贝尔图是今天被誉为所谓“簧爪”节摆件发明者的少数钟表学家之一。

哈里森、肯德尔和马奇这些先驱者甚至在把他们的航海时计标准化之后，仍需花二、三年时间才能制成一台仪器。即使贝尔图一年也只能制造二、三台。但是，阿诺德和厄恩肖却因采取明智的劳动分工而提高了生产速度。他们在制成了一台满意的样机以后，就把一些部件的制造分派给专门的工匠，而他们自己只是到最后阶段才插手。阿诺德擅长制造袖珍航海时计。尽管他喜欢吹嘘自己的成就，但如果说他作出过一些颇有价值的革新，那他肯定是当之无愧的。这些革新包括“支爪”和“簧爪”节摆件以及几种新式的补偿摆轮。他获得了平衡螺簧的专利权，尽管哈里森和其他人早先已发明了这种装置。现代航海时计上所使用的节摆件和补偿摆轮是由厄恩肖首创的。他于1783年获得专利权的节摆件属于“簧爪”式（尽管只是对阿诺德装置的一种改进）。这种节摆件中，装置上的锁紧宝石在两次推动之间借助一根弹簧回复原位。当节摆轮不推进摆轮时，是这锁紧宝石使节摆轮保持静止。他的补偿摆轮由两个黄铜的和钢的条构成；每个金属条都近乎成半圆形，其一端加载，另一端与构成整圆之直径的一根横臂连接，另一端负担着这根横臂的压力。与前人不同，厄恩肖从一个周围浇注熔化黄铜的钢圆盘上切出整个摆轮，因而无需焊接、弯曲或用螺钉固定零件。当经度委员会对厄恩肖的航海时计进行试验以及他申请奖金时，他与他的对手阿诺德的支持者们就厄恩肖提出的这些发明的独创性和优先权发生了激烈争论，显然是厄恩肖有理。

航海时计的应用在十九世纪迅速推广，起初特别是在那些到鲜为人知的地区进行科学探险的场合。海军战舰大约从1825年起也配备了航海时计。在过去的150年中，人们作出了很大努力来改良时计。在技术细节问题上以及所用材料的选择和精加工方面都取得了进步。例如，精密时计的平衡簧现在普遍采用钯为材料；甚至玻璃也在作此用途上显示出种种优点。还有许多人主张采用一种镍钢合金即“镍铬恒弹性钢”，这种合金的弹性受温度变化影响很小。这类仪器的性能现已大大改良。但是，尽管在节摆件、摆轮和平衡簧等的设计上做了大量实验，厄恩肖的那种仪器从一切基本方面来说仍证明是迄今最好的。

一台好的航海时计的根本特点，与其说是快慢率应当小，还不如说是要它应在长时期里保持均匀，这样，在航行中，用已知的一定修正量去修正累积误差，就可从时计获得准确时间。时计的估计（即时计在二十四小时中的快慢量的确定）自1766年以来一直是格林威治天文台的一项重要工作。时计的应用取代了作为测定经度手段的月距方法；而且，自1907年起，应用这种方法所必需的表也从《航海天文历》（Nautical Almanac）中删除了。现在由于无线电广播报时信号，在经度测定问题中又有了一个新的因素，藉之，对应于一条本初子午线的标准时间定时地发送给海上的船只，供船上将之与观测所得的地方时相比较。但是，这地方时一般不能直接拿来与报时信号比较，而必须在观测条件许可时才能得到。所以，报时信号的引入绝不能取代航海时计的应用。事实上，报时信号只是提供了一种定期校准航海时计指示，因而不必完全依赖时计走时的持续均匀性的手段。

（关于航海时计历史的详细讨论，可参见海军少校R.T.Gould的The Marine Chronometer，its history and development，1923。上文大部分资料和部分插图都采自该书。）