| 困擾航海計時先驅(qū)們的關(guān)鍵問題正是阻礙所有精密計時器進(jìn)步的那些問題。兩個要素必須結(jié)合在一起：2. 擒縱機構(gòu)；一種在不影響計時質(zhì)量的前提下，保持設(shè)備運行并計算時間間隔的方法。我們已經(jīng)看到，到18世紀(jì)中葉前，在制造符合這些要求的時鐘方面已取得了巨大的進(jìn)步。溫度補償鐘擺是一個很好的時間控制器，當(dāng)受到直進(jìn)式擒縱機構(gòu)的驅(qū)動時，它使鐘擺在幾乎沒有干擾的情況下運行。每個月可以準(zhǔn)確地把時間誤差控制在一秒左右的“校準(zhǔn)鐘”（regulator），不只是為天文臺的使用而制造，而且很快出現(xiàn)在豪門大宅和鐘表匠那里。準(zhǔn)確的便攜式計時器是一個更困難的問題。哈里森和馬奇的開創(chuàng)性工作表明，帶有某種溫度補償形式的平衡輪可以作為一個合適的時間控制器；然而，他們用來驅(qū)動擺輪的擒縱機構(gòu)實際上是當(dāng)時表中常用的冕狀擒縱機構(gòu)發(fā)展過來的。這些擒縱機構(gòu)增加了摩擦力，破壞了平衡輪的計時性能；只有通過增加高度復(fù)雜的裝置，這些鐘匠才能成功地在他們的航海計時器上獲得良好的效果?，F(xiàn)在急需的就是在擒縱機構(gòu)的設(shè)計上有所突破，這種擒縱機構(gòu)給予擺輪一個尖銳的脈沖，然后將其自身完全從平衡輪上分離，使其自由擺動，直到下一個脈沖；一個成功的“自由式”擒縱機構(gòu)成為航海鐘的必殺技。在18世紀(jì)的第三個25年里，法國和英國的先驅(qū)成就了“棘爪式”擒縱機構(gòu)的發(fā)展；這是一個簡單、可靠的裝置，加上對補償擺輪的改進(jìn)，使得可靠的、實惠的航海天文鐘的批量生產(chǎn)成為可能。這款擒縱機構(gòu)有兩個主要類型，它們的工作方式相同； 不同之處是棘爪的構(gòu)造。
皮埃爾·勒·羅伊，1717年出生于一個著名的時鐘制造家族，開發(fā)了其中第一個“自由式”擒縱機構(gòu)。早期擒縱機構(gòu)的問題在于，擺輪不斷與擒縱機構(gòu)發(fā)出脈沖的某些部分持續(xù)摩擦接觸。擒縱機構(gòu)對擺輪的干擾越多，擺輪的工作精度越低；目標(biāo)是允許擺輪在擺輪彈簧（游絲）的作用下前后自由轉(zhuǎn)動。構(gòu)造一個擒縱機構(gòu)，只在一個瞬間，給擺輪一個動力脈沖然后讓其繼續(xù)“自由”運轉(zhuǎn)，是一個成功航海天文鐘的基本要素。18世紀(jì)70年代，馬奇倚靠他的恒力擒縱機構(gòu)實現(xiàn)了這一目標(biāo)，然而，正如我們所看到的那樣，這一設(shè)計過于復(fù)雜，難以落實。勒·羅伊在1766年完成了一個航海計時器，與哈里森和馬奇的設(shè)計大相徑庭，在這臺計時器中，他解決了與英國制造者遇到的相同問題，但卻是以他們所回避的本質(zhì)上的簡單性來解決。
乍一看，勒·羅伊的航海鐘似乎是倒退了一步：它的大型鋼制擺輪，直徑約10厘米，每秒擺動一次，由兩個螺旋式的擺輪游絲控制。他沒有選擇哈里森的快速轉(zhuǎn)動小型擺輪概念，這種擺輪受海上劇烈顛簸的影響較小。擺輪尺寸大的一個原因是實現(xiàn)溫度補償?shù)乃y和酒精溫度計管被連接在擺輪上，這是一個非常有效但相當(dāng)脆弱的系統(tǒng)。擺輪懸掛在一段承受其重量的鋼絲上；樞軸在抗摩擦滾柱中運行，與哈里森使用的類似。與擺輪相比，這個革命性的脈沖系統(tǒng)顯得相形見絀，極其簡單，它由一個主發(fā)條和四個齒輪組成，驅(qū)動“自由式”擒縱機構(gòu)的兩個部件。每次交替擺動時，擒縱輪都會直接向擺輪的邊緣發(fā)出脈沖，除此之外，擺輪幾乎完全不受干擾。這臺計時器與哈里森和馬奇的計時器形成鮮明對比。英國的先驅(qū)者們以現(xiàn)有的表為出發(fā)點，運用巧妙但高度復(fù)雜的方法來改進(jìn)其性能，從而取得了優(yōu)異的成績。另一方面，勒·羅伊通過解決計時的基本問題，而不是試圖改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，從而實現(xiàn)了巨大的飛躍。正是他的成功設(shè)計為制造真正實用的航海天文鐘指明了方向。
法國科學(xué)院為一臺成功的航海計時器提供了獎項，勒·羅伊以他的原作與第二臺一模一樣的復(fù)制品計時器參賽。1767年，幾臺計時器被安排在從勒阿弗爾（Le Havre）啟航的“曙光”（Aurore）號游艇上進(jìn)行競爭性實測。勒·羅伊乘坐驛站馬車前往港口的旅程非常艱難，以至于其中一臺鐘的擺輪懸架彈簧斷裂；他用當(dāng)?shù)刭徺I的大鍵琴絲匆忙修復(fù)后，它又恢復(fù)了工作。到了測試的時候，所有其他鐘匠都退出了，只剩下勒·羅伊一個參賽者。盡管缺乏競爭，它還是決定允許勒·羅伊帶上這兩臺航海鐘進(jìn)行航行測試。這次海試是一次為期三個月的沿海岸航行，在各個港口檢查時鐘的計時情況。結(jié)果非常令人鼓舞：總的來說，時鐘每天的誤差不超過1.5秒，只有一天第一個計時器顯示的誤差為5.5秒。第二次海試安排在1768年，乘坐I’ Enjouee護(hù)衛(wèi)艦橫渡大西洋，前往紐芬蘭（Newfoundland）。結(jié)果也很好，足以說服科學(xué)院把獎項頒給勒·羅伊，盡管他們評論說，由于計時器在其中一次試驗中的一天突然走快11秒，所以還沒有達(dá)到預(yù)期的完美程度。1771年，又安排了一場比賽，勒·羅伊同樣用了兩個計時器參賽；這次還有另外兩個參賽者。他們那兩臺機器都失敗了，勒羅伊再次獲獎，盡管事實上他的其中一個計時器在船只撞到礁石時溫度計壞了，使它在余下的航程中完全無法工作。勒·羅伊曾多次嘗試改進(jìn)他的計時器，但是，他最終放棄了這些實驗，回到了他的早期設(shè)計上，他似乎認(rèn)為這是無法再改進(jìn)的。他在1784年去世前不久開始研發(fā)一臺新機器，但沒有留下任何細(xì)節(jié)。在他的一生中，勒·羅伊沒有得到他應(yīng)得的表彰；他的突破，特別是在擒縱機構(gòu)設(shè)計方面，很快就被他的后繼者所采用，他們開發(fā)了下一代實用可靠的航海天文鐘。費迪南·貝爾圖德（Ferdinand Berthoud）于1729年出生于瑞士的納沙泰爾（Neuchatel）。他表現(xiàn)出非凡的機械能力，并于1745年被派往巴黎學(xué)習(xí)鐘表制造。他的能力很快得到認(rèn)可，并迅速成為行業(yè)中的頂尖人物，并在法國永久定居。他對航海計時器的興趣始于1760年代，并于1763年制造了他的第一臺航海鐘。這臺機器在很大程度上要歸功于哈里森早期的工作，而且設(shè)計相當(dāng)粗糙。這是一系列設(shè)計不斷變化的計時器中的第一個，它試驗了不同形式的擒縱機構(gòu)和溫度補償。貝爾圖德逐漸放棄了困擾他早期設(shè)計的復(fù)雜因素，到1770年代早期，他采用了一種自由式擒縱機構(gòu)，這充分顯示了勒·羅伊的影響力。
費迪南·貝爾圖德（Ferdinand Berthoud）
1770年代和1780年代之間，貝爾圖德和英國的約翰·阿諾德（John Arnold），托馬斯·恩肖（Thomas Earnshaw）幾乎同時進(jìn)行了進(jìn)一步的實驗，通常很難給予這些制造者中的任何一位在關(guān)鍵發(fā)展中的領(lǐng)先。不無道理，有人認(rèn)為，有幾個發(fā)明都是由兩國獨立研發(fā)出來的。到了1780年代，貝爾圖德已制造出發(fā)展成熟的航海天文鐘，其設(shè)計與英國的阿諾德和恩肖所制造的相似。
圖中所示的機器有一種改進(jìn)型的鎖簧式棘爪擒縱機構(gòu)，它對擺輪的脈沖不是在它的輪緣，而是在一個“滾軸”上，一個安裝在擺輪正下方的圓盤。通過將兩條雙金屬條直接安裝在擺輪上，并通過將砝碼移入移出來改變擺輪的重心（補償了擺輪游絲的彈性變化），從而提高了溫度補償?shù)男Ч?；這種裝置比勒·羅伊使用的嬌弱玻璃溫度計管更加堅固可靠。在所有偉大的鐘表大師中，費迪南德·貝爾索德（Ferdinand Berthoud）無疑是最多產(chǎn)的作家，他出版了許多關(guān)于航海計時器構(gòu)造的重要著作，以及大量關(guān)于他實驗的筆記，這些筆記都附有豐富的插圖說明。到1807年他去世時，他已經(jīng)制造了超過70臺航海天文鐘。他不斷地試驗和改進(jìn)他的設(shè)計，他后期的機器與19世紀(jì)的標(biāo)準(zhǔn)航海天文鐘幾乎沒有什么不同。貝爾圖德的侄子路易斯（Louis）繼承了家族事業(yè)；他在27年的時間里，以他叔叔后期的機器為藍(lán)本，制造了大約150臺航海天文鐘。1799年，他因制造了一臺顯示十進(jìn)制（“共和”時間）的航海天文鐘而獲獎。后來，他被波拿巴（Bonaparte ）授予每年10,000法郎的退休金，條件是他要培養(yǎng)五名學(xué)生學(xué)習(xí)制作航海天文鐘的工藝。 |
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