Представьте, что на дворе — начало XVIII века, буквально расцвет эпохи мореплавания. Тысячи кораблей бороздят бескрайние океанские просторы в поисках заработков, неизведанных земель или неприятелей. Но есть одна большая проблема: суда регулярно теряются в море. Кончается это либо крушением, либо смертью от голода и жажды. Всё потому, что у моряков нет надёжного способа определить долготу — никто толком не знает, где находится корабль.

Чтобы решить эту задачу, британское правительство — обладатель самого мощного флота на тот момент — учреждает премию в 20 000 фунтов. И такой человек находится. Его зовут Джон Гаррисон, он часовщик.

Проблема определения долготы: от Гюйгенса до Ньютона

1707 год — разгар войны за испанское наследство. С одной стороны, Великобритания, Голландия и Священная Римская империя. С другой — Франция и Испания, если не вдаваться в детали. 

Летом 1707 года силы британцев и их союзников осадили французский порт Тулон. Для поддержки с моря Военно-морское министерство Великобритании отрядило экспедицию из 21 корабля под командованием сэра Клаудсли Шовелла. Суда вошли в Средиземное море, подошли к порту и нанесли сокрушительный удар по дислоцированному в гавани французскому флоту. 

Однако к сентябрю 1707 года военная кампания захлебнулась, и Шовелл получил приказ возвращаться домой. Когда флот обогнул Гибралтар, погода резко ухудшилась — небо затянуто облаками, штурманы никак не могли определить широту. Когда им это все-таки удалось сделать, они предположили, что находятся в 200 милях от островов Силли, дополнительно измерив глубину в текущем месте и сверившись с картами.

Но точные координаты они узнать не могли, поскольку надежных методов определения долготы на тот момент не существовало. Они лишь предположили, но сильно ошиблись: фактически флот находился совсем недалеко от опасных скал архипелага островов Силли, а не в 200 милях. 

21 октября вечером погода вновь испортилась, видимость стала нулевой, но ветер был благоприятным. Шовелл приказал продолжать путь, используя счисление координат. Другими словами, ориентируясь только на примерный текущий курс и изначальные координаты, определенные неверно. В ночь на 22 октября четыре корабля разбились о скалы:

• HMS Association, 90-пушечный линейный корабль;

• HMS Eagle, 70-пушечный корабль;

• HMS Romney, 50-пушечный корабль;

• HMS Firebrand, брандер.

Результатом трагедии стала гибель от 1400 до 2000 моряков, тела которых выбрасывало на берег на протяжении еще нескольких дней. Погиб и Шовелл вместе с двумя пасынками.    

Правительство организовало расследование: изучило судовые журналы уцелевших кораблей, опросило десятки свидетелй. В результате пришли к выводу, что катастрофа, как часто бывает, произошла из-за целого ряда факторов:

• неточные навигационные карты района;

• некорректно работающий компас;

• ужасные погодные условия;

• рискованный маневр Шовелла, который решил идти в условиях плохой видимости.

Но главной причиной все-таки была фундаментальная проблема определения долготы. На тот момент надежных методов не существовало. А значит, нельзя было реально точно знать, где сейчас находится корабль. 

Комиссия подняла статистику за последние 200 лет и поняла — подобные случаи были, мягко говоря, не единичными. Между 1550 и 1650 годами одно из пяти судов терялось между Португалией и Индией.

С широтой никаких проблем не было: измеряешь высоту Солнца над горизонтом в полдень при помощи секстанта. Затем узнаешь склонение Солнца в астрономической таблице на конкретную дату измерения и вычисляешь широту по простейшим формулам:

• Для Северного полушария: широта (φ) = 90° - высота Солнца (h) + склонение Солнца (δ) 

• Для Южного полушария: широта (φ) = высота Солнца (h) - 90° - склонение Солнца (δ)

А вот чтобы определить долготу, нужно знать только время (эту идею впервые высказал Джемма Фризиус в 1530 году). Точнее, текущее время в месте измерения и эталонное время. Скажем, посмотреть в 12:00, когда Солнце находится в высшей точке, на часы, неизменно идущие по какому-то времени, найти разницу, и умножить ее на 15˚ — именно на столько вращается Земля каждый час. 

Но во-первых, какое время выбрать эталонным? Как ни странно, но еще полтора столетия единого нулевого меридиана не существовало. Британцы использовали Гринвичский меридиан, французы — Парижский, русские — Пулковский, меридиан Ферро (его использовал еще Птолемей) и другие. Только Международная меридианная конференция 1884 года предложило использовать Гринвичский как универсальную линию отсчета. 

Во-вторых, нужны точные часы, которые будут идеально работать на протяжении месяцев (а порой и лет) путешествий, с минимальной погрешностью в условиях постоянной качки. И в XVII — начале XVIII века, таких механизмов попросту не существовало. 

В 1657 году великий Христиан Гюйгенс предложил конструкцию маятниковых часов. Они быстро стали популярными по всему миру: компактные, легкие, показывающие превосходную точность хода благодаря оригинальной конструкции для поддержания незатухающих колебаний. А еще они были недорогими. Казалось бы, проблема долготы решена. 

Однако быстро стало ясно, что период колебаний маятника зависит от двух параметров: длины подвеса и ускорения свободного падения. А на разной широте оно серьезно отличается, как установил Ж.Рише, поэтому для морских путешествий такой вариант не подойдет. 

В 1674 году Гюйгенс начинает работу над усовершенствованной моделью часов, в которых маятник заменялся бы на спиральную пружину и балансир. Параллельно работу над пружинным часовым механизмом вел Роберт Гук, чуть раньше голландца. И оба пытались решить проблему измерения долготы. 

Но ничего не получалось — механизм был чрезвычайно чувствителен к изменению температуры, что в морских путешествиях было нормальным явлением. Чем было теплее, тем сильнее удлинялась пружина, и частота хода часов возрастала. Не говоря о том, что была еще проблема гигроскопичности смазки из-за постоянно высокой влажности. 

Дошло до того, что научное сообщество все больше склонялось к мысли вычислять долготу при помощи сложных астрономических вычислений (например, при помощи наблюдения за четырьмя спутниками Юпитера), магнитного склонения и прочих. Идеи о том, что проблему определения долготы нельзя решить механическими устройствами, придерживался и великий Исаак Ньютон, который также принимал участие в работе «правительственной комиссии о долготе» в начале 1710-х годов (многие из ее рядов занимались и расследованием катастрофы у островов Силли).

Тогда в 1714 году правительство издает Longitude Act, в котором предлагает награды тем, кто сможет решить проблему определения долготы:

• 10 000 фунтов стерлингов, если погрешность составит не более 1˚ (порядка 110 км на экваторе);

• 15 000 фунтов при погрешности не более 2/3 градуса (40 угловых минут);

• 20 000 фунтов (для понимания, это порядка 4 млн фунтов сейчас), если удастся добиться отклонения, не превышающего 1/2 градуса, или 30 угловых минут. 

Причем аналогичные награды предлагались и значительно раньше: например, еще в 1567 году испанским королем Филиппом II. Но так никто и не предложил достойного решения, пока в Великобритании проблемой не озаботился скромный и малоизвестный часовщик-самоучка.

Что предложил Гаррисон

Джон Гаррисон родился в Западном Йоркшире 24 марта 1693 года. Его отец Генри работал плотником в поместье Ностелл-Приори. В начале 1700-х годов сын начал помогать отцу в его ремесле. И на досуге он конструировал часы. Например, в поместье сохранились одни из его первых образцов 1713 года. Разумеется, будучи плотником, корпус он изготовил сам, не ограничившись часовыми механизмами. 

В период с 1715 по 1725 годы он создал более десятка моделей часов и придумал для них особый механизм, названный «кузнечиком» на основе традиционного анкерного спуска. Спусковой механизм дает маятнику часов периодические толчки, чтобы поддерживать его качание. Шестерни перемещаются на строго фиксированный угол, таким образом стрелки часов движутся с постоянной скоростью. 

Преимуществом механизма была минимальная зависимость от трения: он не требовал постоянной смазки. Но проблема наступала, когда часы нужно было заводить — «кузнечику» нужно было постоянно передавать импульсы для работы. Тогда Гаррисон придумал оригинальный «поддерживающий механизм»: в конструкцию добавлялось дополнительное храповое колесо с пружиной. Когда часы заводили, оно подключалось и продолжало поддерживать работу «кузнечика». После окончания завода часов основное колесо повторно подключалось к работе. 

Но и этим изобретатель не ограничился и в 1726 году придумал систему маятниковых часов с компенсацией температуры. Таким образом он решил проблему удлинения стержня (а следовательно, периода колебаний маятника) при изменении температуры. Конструкция Гаррисона состояла из чередующихся пяти стальных и четырех латунных стержней, соединенных в форме решетки. Из-за разного коэффициента температурного расширения двух металлов стержни компенсируют эффект.

А как вы помните, одной из главных проблем, из-за которой часы не могли точно работать во время морских путешествий, была компенсация температуры. Гаррисон правильно понимал суть: нужны два разнородных металла. Но пока что это работало в маятниковых часах, непригодных для морских путешествий.  

Важный момент: пока Гаррисон тихо создавал часовые шедевры и совершенствовал механизмы, про премию от «комиссии по долготе» он ничего не слышал. Зато другие изобретатели наперебой предлагали варианты решений. 

Например, в 1714 году Джереми Такер впервые ввел термин «хронометр» в отношении точных часов и предложил использовать карданов подвес для компенсации внешних воздействий и поместить механизм в колбу с вакуумом. Более подробно с описанием можно ознакомиться в оригинальном трактате.

Больше всех преуспел английский часовщик Генри Салли, разработавший в 1716 году первые работающие хронометры для моря. Он представлял собой устройство с балансиром, который приводился в движение спусковым механизмом с фрикционным упором. Колебания обеспечивались грузом на конце поворотного горизонтального рычага, прикрепленного к балансиру шнуром. Это решало проблему теплового расширения, но не позволяло работать во время сильной качки: груз переставал двигаться циклично, и часы начинали идти неправильно.  

Только в 1730 году Джон Гаррисон узнает о проблеме, связанной с определением долготы, и приезжает в Лондон, где встречается с Эдмондом Галлеем (королевским астрономом и членом «комиссии по долготе»), а также с Джоджем Грэхемом — самым знаменитым часовым мастером в Англии, членом Королевского общества. 

После демонстрации своих наработок в области часовых механизмов, Грэхем в восторге выделяет Гаррисону средства для разработки морского хронометра. Но объясняет, с какими сложностями придется столкнуться: 

• Высокая точность хода при минимальном количестве смазки, из-за высокой влажности;

• Для работы часов придется использовать энергию пружин — маятниковые механизмы, с которыми до этого имел дело Гаррисон, не подойдут;

• Нужно придумать способ температурной компенсации пружин.

Изобретатель возвращается в родную деревню и приступает к разработке морского хронометра, на что у него уходит более пяти лет при содействии старшего брата Джеймса.

В 1735 году он представляет первую рабочую модель под названием H1. Они были достаточно громоздкими: весили 35 кг при высоте около 70 см. Вынужденно отказавшись от маятника, он использовал два колеблющихся балансира, соединенных пружиной. Это позволяло компенсировать эффект качки, а период колебаний не изменялся во время путешествия на разных широтах. 

Также в H1 использовались прежние наработки Гаррисона: «кузнечик», не требующий смазки, «поддерживающий механизм» для непрерывной работы при заводе часов, и еще ряд интересных наработок. 

Представленные «комиссии по долготе» часы всем понравились. Гаррисон получил возможность провести испытания в реальных условиях.

Путь усовершенствования длиной в 50 лет: от H1 до H4

В мае 1736 года Гаррисон вместе с хронометром H1 оказался на борту недавно построенного HMS Centurion — 60-пушечного красавца, который был частью экспедиции Джона Норриса в Лиссабон.   

На пути к столице Португалии корабль столкнулся с серьезными штормами. В конце плавания часы отставали на десятки секунд. Но во время возвращения в Лондон на корабле HMS Orford море было относительно спокойным, и изобретатель уверенно определил долготу с погрешностью в 1,5˚. И сумел распознать, что на самом деле корабль проходил мимо мыса Лизард, а не мыса Старт-Пойнт, расположенных почти на одной широте. Штурман допустил ошибку, и хорошо, что Гаррисона послушали. 

«Комиссия по долготе» была под впечатлением, ведь по сути H1 потенциально мог спасти экипаж, если бы погода на обратном пути была плохой. Да, его точности пока не хватало для выплаты премии, и при сильной качке на пути в Лиссабон H1 сильно отстал. Но в любом случае это была хорошая попытка, и Гаррисон получил премию в 250 фунтов на усовершенствование хронометра.

В 1737 году изобретатель переехал в Лондон и в течение трех лет занимался разработкой следующей версии H2. Это была более массивная и устойчивая модель, в которую была добавлена дополнительная пара балансиров и убрана связывающая пружина. По задумке, это должно было помочь устранить влияние морской качки.

Но в ходе испытаний на суше Гаррисон обнаружил, что в случае рыскания корабля при лавировании (а такое может происходить часто), период колебаний балансиров сильно менялся — часы начинали врать. По этой причине он никогда не проводил испытаний в море и понял, что нужно радикально менять подход и переходить на полностью пружинный механизм.

Разработка модификации H3 длилась долгих 19 (!!!) лет. В ходе работы над ними Гаррисон буквально заново разбирался с физикой пружинных механизмов и усовершенствовал каждую мелочь. Например, он изобрел:

• Биметаллическую пластину, без которой сейчас не обходится ни один механический термостат или промышленный термометр. Благодаря комбинации стали и латуни в спусковом механизме часов, он сумел получить полноценную термокомпенсацию и решить задачу, которую не потянули Гюйгенс и Гук. 

• Роликовый подшипник с латунным сепаратором, радикально улучшающий плавность хода и устойчивость к внешним воздействиям. 

Но и тут Гаррисон не сумел добиться приемлемой точности с течением времени из-за большого размера и веса двух балансиров. Даже просто работая на суше без внешних воздействий, они через 1-2 недели начинали слишком отставать или спешить. Тогда изобретатель решил пойти по иному пути и сделать хронометр компактным, похожим на карманные часы. 

В 1751 году, параллельно с работой над огромными H3, он приступил к разработке компактной версии хронометра H4. За основу он взял корпус «карманных часов» Томаса Маджа диаметром 13 см. 

Конечно, пришлось дорабатывать очень много моментов (более подробное описание механизма работы можно прочитать здесь):

• Добавил фузею — устройство в виде усеченного конуса с цепью, предназначенное для выравнивания крутящего момента.

• Использовал усовершенствованную конструкцию термокомпенсации — спиральную стальную пружину внутри латунного барабана, связанного с фузеей.

• Сохранил «поддерживающий механизм»: сами часы могли работать 30-часов, а в процессе завода дополнительная пружина позволяла работать еще 11 минут. Дополнительно в часах есть ремонтуар, позволяющий часам работать около 30 минут даже при потери упругости основной пружины.

• Частота тиков составляет 5 раз в секунду из-за особенностей механизма и для повышения устойчивости к внешним вибрациям.  

• Для спускового механизма впервые использовал ювелирные подшипники и паллеты, выполненные из алмазов диаметром менее 2 мм, для радикального снижения трения. 

• Радикально изменил компоновку элементов, использовав более привычное расположение шестеренок. 

Первую модель Гаррисон заказал у часовщика Джона Джеффериса в 1753 году. Лишь спустя 6 лет, в 1759 году, он наконец получил хронометр, которым был полностью удовлетворен. Вот что он писал в своих поздних воспоминаниях:

«Это — плод пятидесяти лет самоотречения, неустанного труда и непрерывной сосредоточенности... Думаю, я могу смело сказать, что в мире нет более совершенного механического устройства, чем мой хронометр для определения долготы»

Гаррисону на тот момент было, на секундочку, уже 68 лет. И он повторно обратился в «комиссию по долготе» с просьбой разрешить провести испытания на корабле. И ему позволили это сделать на HMS Deptford во время путешествия из Портсмута в Кингстон, на Ямайке. Однако по причине почтенного возраста сам изобретатель отказался лично присутствовать и отрядил своего сына Уильяма. 

Корабль вышел из порта 18 ноября 1761 года и прибыл в пункт назначения 19 января 1762 года. Сами часы заводились каждое утро под присмотром капитана корабля Диджеса и представителя «комиссии по долготе» Робинсона и убирались в ящик, запираемый на ключ. Сжульничать было невозможно.

По прибытии выяснилось, что хронометр показал время с отставанием всего лишь 5,1 секунды. Это соответствовало погрешности в 1,25 угловой минуты, или порядка одной морской мили. Кажется, что все условия для получения той самой награды в 20 000 фунтов (при точности в 30 угловых минут) были выполнены. 

Вот только «комиссия по долготе» так не думала и посчитала это простым совпадением.  

Долгожданное признание Гаррисона: как хронометры спасали сотни жизней 

Гаррисоны были недовольны, но согласились на повторное испытание. Оно состоялось в 1764 году на борту корабля HMS Tartar во время экспедиции на Барбадос. Причем вместе с Уильямом Гаррисоном на борту присутствовал Невил Маскелайн для проверки другого способа определения долготы — метода лунных расстояний. 

За время плавания хронометр H4 показал отставание менее 1 секунды в сутки — эквивалент погрешности порядка 16 км. Измерения же Маскелайна, основанные на наблюдении положения Луны относительно хорошо видимых на ночном небе звезд, показали точность порядка 48 км. При этом требовались серьезные расчеты и наблюдения, недоступные при плохой погоде (впрочем, как и при определении широты). 

Но и в этот раз «комиссия по долготе» не сочла нужным выплатить всю премию, ограничившись половиной — 10 000 фунтами. Остальную же часть вознаграждения они собирались выплатить только после того, как H4 смогут копировать другие мастера, а хронометры станут массовым явлением.  

Одновременно, в 1770 году 77-летний Гаррисон представил королю Георгу III последнюю версию хронометра — H5. Конструкция во многом напоминала H4, но стала более компактной и аккуратной. Монарх лично провел испытания во дворце и убедился, что H5 точны. По его личному ходатайству «комиссия по долготе» все-таки согласилась выплатить остаток премии изобретателю в 1773 году, когда тому исполнилось 80 лет. 

Однако сами хронометры Гаррисона на тот момент были достаточно дорогими, и использовать их на всех кораблях флота правительство не могло. Да и организовать их массовое производство было изобретателю не под силу из-за преклонного возраста, а сын Уильям не обладал нужными амбициями. 

В распространении его замечательных устройств помог часовщик Ларкум Кендалл, ученик Джона Джеффриса, который когда-то создал для Гаррисона первую модель H4. 

Кендалл в начале 1770-х годов собрал несколько моделей под названием К1 (они являлись точными копиями H4), стоимость каждого составляла 450 фунтов. Например, использовали:

• Джеймс Кук во время своего второго путешествия по Южным морям на борту HMS Resolution. Капитан по возвращении доложил в Адмиралтейство, что «часы Кендалла превзошли все ожидания и не раз спасли наш корабль». 

• Уильям Блай на печально известном HMS Bounty, в ходе мятежа на котором хронометр оказался в руках заговорщиков.

В 1774 году Кендалл разработал версию K3, сумев снизить стоимость часов до 100 фунтов. Их также использовал Джеймс Кук во время плавания на HMS Discovery и Джордж Ванкувер на HMS Discovery. По свидетельству членов экипажа, часы показали потрясающую точность: «за все путешествие мы ни разу не оказались в ситуации, когда не знаем, где находится наш корабль».

Нужно отметить, что кроме Гаррисона в Англии, в 1760-х годах свои хронометры сконструировали французские часовые мастера Пьер Ле Рой (его устройство в 1767 году успешно прошло испытания по определению долготы на борту Aurore) и Фердинанда Берту. 

Но настоящий расцвет хронометров наступил в 1780 году, уже после смерти Джона Гаррисона. Часовые мастера Джон Арнольд и Томас Эрншоу, независимо друг от друга, значительно доработали конструкцию Гаррисона, усовершенствовав часовые механизмы и использовав карданов подвес, чтобы сделать работу хронометров еще более стабильной. 

Однако только после катастрофы 1815 года с кораблём Arniston, где из-за отсутствия навигационных инструментов и плохой погоды погибли 372 моряка, Королевский флот обязал оснащать все суда хронометрами. С 1825 года это стало нормой. С этого момента счёт спасённых жизней, скорее всего, пошёл на тысячи — и заслуга в этом, без сомнений, принадлежит герою статьи.

Но историю морских хронометров после Гаррисона (которые, к слову, производились весь XIX и XX век, и начали выводиться из эксплуатации только в 50-х годах, с появлением электронных аналогов и развитием систем навигации вроде LORAN вплоть до GPS) мы рассмотрим в одном из следующих материалов. 

Еще рекомендуем к просмотру сериал «Долгота» 2000-го года как раз об этой истории — роль Гаррисона играет Майкл Гэмбон, он же Альбус Дамблдор.   

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS