| 困擾航海計(jì)時(shí)先驅(qū)們的關(guān)鍵問題正是阻礙所有精密計(jì)時(shí)器進(jìn)步的那些問題。兩個(gè)要素必須結(jié)合在一起：1. 時(shí)間控制器；將時(shí)間分成相等小間隔的裝置。2. 擒縱機(jī)構(gòu)；一種在不影響計(jì)時(shí)質(zhì)量的前提下，保持設(shè)備運(yùn)行并計(jì)算時(shí)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(shí)鐘方面已取得了巨大的進(jìn)步。溫度補(bǔ)償鐘擺是一個(gè)很好的時(shí)間控制器，當(dāng)受到直進(jìn)式擒縱機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)時(shí)，它使鐘擺在幾乎沒有干擾的情況下運(yùn)行。每個(gè)月可以準(zhǔn)確地把時(shí)間誤差控制在一秒左右的“校準(zhǔn)鐘”（regulator），不只是為天文臺(tái)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(jì)時(shí)器是一個(gè)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(bǔ)償形式的平衡輪可以作為一個(gè)合適的時(shí)間控制器；然而，他們用來驅(qū)動(dòng)擺輪的擒縱機(jī)構(gòu)實(shí)際上是當(dāng)時(shí)表中常用的冕狀擒縱機(jī)構(gòu)發(fā)展過來的。這些擒縱機(jī)構(gòu)增加了摩擦力，破壞了平衡輪的計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)器上獲得良好的效果。現(xiàn)在急需的就是在擒縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上有所突破，這種擒縱機(jī)構(gòu)給予擺輪一個(gè)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(dòng)，直到下一個(gè)脈沖；一個(gè)成功的“自由式”擒縱機(jī)構(gòu)成為航海鐘的必殺技。在18世紀(jì)的第三個(gè)25年里，法國和英國的先驅(qū)成就了“棘爪式”擒縱機(jī)構(gòu)的發(fā)展；這是一個(gè)簡(jiǎn)單、可靠的裝置，加上對(duì)補(bǔ)償擺輪的改進(jìn)，使得可靠的、實(shí)惠的航海天文鐘的批量生產(chǎn)成為可能。這款擒縱機(jī)構(gòu)有兩個(gè)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(gè)著名的時(shí)鐘制造家族，開發(fā)了其中第一個(gè)“自由式”擒縱機(jī)構(gòu)。早期擒縱機(jī)構(gòu)的問題在于，擺輪不斷與擒縱機(jī)構(gòu)發(fā)出脈沖的某些部分持續(xù)摩擦接觸。擒縱機(jī)構(gòu)對(duì)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(dòng)。構(gòu)造一個(gè)擒縱機(jī)構(gòu)，只在一個(gè)瞬間，給擺輪一個(gè)動(dòng)力脈沖然后讓其繼續(xù)“自由”運(yùn)轉(zhuǎn)，是一個(gè)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(jī)構(gòu)實(shí)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(jì)過于復(fù)雜，難以落實(shí)。勒·羅伊在1766年完成了一個(gè)航海計(jì)時(shí)器，與哈里森和馬奇的設(shè)計(jì)大相徑庭，在這臺(tái)計(jì)時(shí)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(jiǎn)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(dòng)一次，由兩個(gè)螺旋式的擺輪游絲控制。他沒有選擇哈里森的快速轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)原因是實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)乃y和酒精溫度計(jì)管被連接在擺輪上，這是一個(gè)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(yùn)行，與哈里森使用的類似。與擺輪相比，這個(gè)革命性的脈沖系統(tǒng)顯得相形見絀，極其簡(jiǎn)單，它由一個(gè)主發(fā)條和四個(gè)齒輪組成，驅(qū)動(dòng)“自由式”擒縱機(jī)構(gòu)的兩個(gè)部件。每次交替擺動(dòng)時(shí)，擒縱輪都會(huì)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(tái)計(jì)時(shí)器與哈里森和馬奇的計(jì)時(shí)器形成鮮明對(duì)比。英國的先驅(qū)者們以現(xiàn)有的表為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)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(jī)。另一方面，勒·羅伊通過解決計(jì)時(shí)的基本問題，而不是試圖改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了巨大的飛躍。正是他的成功設(shè)計(jì)為制造真正實(shí)用的航海天文鐘指明了方向。
法國科學(xué)院為一臺(tái)成功的航海計(jì)時(shí)器提供了獎(jiǎng)項(xiàng)，勒·羅伊以他的原作與第二臺(tái)一模一樣的復(fù)制品計(jì)時(shí)器參賽。1767年，幾臺(tái)計(jì)時(shí)器被安排在從勒阿弗爾（Le Havre）啟航的“曙光”（Aurore）號(hào)游艇上進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)性實(shí)測(cè)。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(tái)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(cè)試的時(shí)候，所有其他鐘匠都退出了，只剩下勒·羅伊一個(gè)參賽者。盡管缺乏競(jìng)爭(zhēng)，它還是決定允許勒·羅伊帶上這兩臺(tái)航海鐘進(jìn)行航行測(cè)試。這次海試是一次為期三個(gè)月的沿海岸航行，在各個(gè)港口檢查時(shí)鐘的計(jì)時(shí)情況。結(jié)果非常令人鼓舞：總的來說，時(shí)鐘每天的誤差不超過1.5秒，只有一天第一個(gè)計(jì)時(shí)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(jiǎng)項(xiàng)頒給勒·羅伊，盡管他們?cè)u(píng)論說，由于計(jì)時(shí)器在其中一次試驗(yàn)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(chǎng)比賽，勒·羅伊同樣用了兩個(gè)計(jì)時(shí)器參賽；這次還有另外兩個(gè)參賽者。他們那兩臺(tái)機(jī)器都失敗了，勒羅伊再次獲獎(jiǎng)，盡管事實(shí)上他的其中一個(gè)計(jì)時(shí)器在船只撞到礁石時(shí)溫度計(jì)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(jì)時(shí)器，但是，他最終放棄了這些實(shí)驗(yàn)，回到了他的早期設(shè)計(jì)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(tái)新機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，很快就被他的后繼者所采用，他們開發(fā)了下一代實(shí)用可靠的航海天文鐘。費(fèi)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(jī)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(duì)航海計(jì)時(shí)器的興趣始于1760年代，并于1763年制造了他的第一臺(tái)航海鐘。這臺(tái)機(jī)器在很大程度上要?dú)w功于哈里森早期的工作，而且設(shè)計(jì)相當(dāng)粗糙。這是一系列設(shè)計(jì)不斷變化的計(jì)時(shí)器中的第一個(gè)，它試驗(yàn)了不同形式的擒縱機(jī)構(gòu)和溫度補(bǔ)償。貝爾圖德逐漸放棄了困擾他早期設(shè)計(jì)的復(fù)雜因素，到1770年代早期，他采用了一種自由式擒縱機(jī)構(gòu)，這充分顯示了勒·羅伊的影響力。
費(fèi)迪南·貝爾圖德（Ferdinand Berthoud）
貝爾圖德自己繪制的他的棘爪擒縱機(jī)構(gòu)
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(shí)進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，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(gè)發(fā)明都是由兩國獨(dú)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(jì)與英國的阿諾德和恩肖所制造的相似。
圖中所示的機(jī)器有一種改進(jìn)型的鎖簧式棘爪擒縱機(jī)構(gòu)，它對(duì)擺輪的脈沖不是在它的輪緣，而是在一個(gè)“滾軸”上，一個(gè)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(bǔ)償了擺輪游絲的彈性變化），從而提高了溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?；這種裝置比勒·羅伊使用的嬌弱玻璃溫度計(jì)管更加堅(jiān)固可靠。在所有偉大的鐘表大師中，費(fèi)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(jì)時(shí)器構(gòu)造的重要著作，以及大量關(guān)于他實(shí)驗(yàn)的筆記，這些筆記都附有豐富的插圖說明。到1807年他去世時(shí)，他已經(jīng)制造了超過70臺(tái)航海天文鐘。他不斷地試驗(yàn)和改進(jìn)他的設(shè)計(jì)，他后期的機(jī)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(shí)間里，以他叔叔后期的機(jī)器為藍(lán)本，制造了大約150臺(tái)航海天文鐘。1799年，他因制造了一臺(tái)顯示十進(jìn)制（“共和”時(shí)間）的航海天文鐘而獲獎(jiǎng)。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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