深入了解:H4的微观魔法,哈里森的第一次海上观察

钻石的心脏。

人们可以理解第一次出版的对约翰·哈里森第一次航海观察的分析,通俗地被称为H4和海洋天文钟的先驱,在哈里森先生计时的原则。英国天文学家皇家尼维尔·帕米尔·帕米尔(英国政府)于1767年出版;然后简称为原则

原则既不完整的信息又允许何种手表重复,其中哈里森(1693-1776)于1755年开始,1759年成立,并包含一些不连贯的描述,只有有意义一个后念检查手表后。

哈里森先生的计时原理(法语版)。PBA1740。

哈里森先生的计时原则

令人惊讶的是,一百年后,又进行了一次回顾。我可以呼应哈里森M. Frodsham的评论在他的评论中钟表杂志1878年5月,当他说,“从哈里森的描述采取的前解释一定是不满意的,因为他非常模糊,可能是故意所以。”虽然这可能被一些学者被驳回为19世纪的八卦,但在鉴于H4对海上导航的重要性,这可能是保护任何军事优势的影响。

考虑到H4的历史表现,奇怪的是完整的在理论与实践中对现代钟表的论文(2nd版)由克劳迪亚斯·索尼耶出版于1887年,几乎没有提到哈里森,当然也没有H4的技术内容。也许是因为约翰·阿诺德(John Arnold, 1736-1799)和皮埃尔·勒·罗伊(Pierre Le Roy, 1717-1785)的新方法很快就把它建立起来了。

哈里森先生的计时原理(法语版)。PBA1740。

原理图解给出了H4擒纵机构的诱人线索

哈里森先生的计时原理(法语版)。PBA1740。

但是来自同一的另一个图可能会让读者困扰如何,它如何出示相同的部分

它仍然很容易理解,如何仍然难以获得自过经度行为以来H4 - 305年的详细信息。皇家海军(业主)始终保持终于依赖于H4,以阻止较差的副本,一定文件仍然难以访问。靠近手表的基本原则的底部仍然是一个具有挑战性的过程。幸运的是,随着更多档案变得数字化,这肯定会改善。

这篇文章并不是对H4的详尽分析。为此,读者应该熟悉哈里森的章节海洋天文钟-它的历史和发展,由英国海军军官和钟表学者鲁珀特·古尔德撰写,或后来的材料从国家海事博物馆和查看整体复制品的机制(它的运动在页面顶部被描绘) - 斯旺松德里克普拉特他在2004年开始建造,但在2009年去世,并在2014年由Charles Frodsham完成。

约翰哈里森H4天文钟

H4及其运动。照片 - 国家海事博物馆

通过将复制品中的信息拼凑在一起,古尔德在1920年至1933年修复H4时的观察结果,Hird等人的论文与光学显微镜的哈里森擒稳托盘,并拔出a278岁的Antoine Thiout The Lender在钟表上,我们现在可以更好地了解一点什么是发生在整个H4的机制的最迷人的点:擒纵机构。不过,快速浏览一下这款手表也无妨。

H4海洋手表

与他的大型时钟方法的失败重叠,“海时钟”H1,H2和H3,哈里森在融合了他一些想法的手表的设计中取得了成功;为哈里森的“杰弗森斯”观察,哈里森的个人使用钟表队John Jefferys(1701-1754)。通过其表现鼓励,哈里森意识到大时钟概念已经死了,他一直围绕他的第一个海关,即直径为五英寸左右。

约翰哈里森h1海上钟

哈里森H1海时钟。照片 - 国家海事博物馆

这款手表被古尔德命名为H4,本质上是一块超大的怀表,每天都要用钥匙上弦,30小时的能量储备储存在黄铜桶中的钢弹簧里。这反过来拉动了链条桶和保险丝包含哈里森的“维护权力”系统。在上主发条的时候,仅这个系统就可以用一个单独的弹簧让手表运行11分钟。

还没进入运动中是一种跟踪FUSEE位置的装置,以便通过摩擦制动器停止手表,在余额上,半小时在主电源完全耗尽电源之前,以便允许重新纳温保持运作。这是至关重要的,因为如果允许手表停止,人们无法震撼余额以重新启动其动作,而是必须解锁雷蒙特制动器,只有钟表匠可以在海上做和棘手。

在Fusee的基础上是一个驾驶中心轮的伟大轮子,散步火车从第三轮开始。Remontoire每分钟运行八次,并推动了一眼看起来像边缘逃脱的轮子,而是有趣地没有常用的底切牙齿。通过锥形弹簧突出平衡,通过温度补偿机构管理三个转弯,以略微改变有效的平衡弹簧长度。调节装置最终没有用架子和小齿轮机构展开。

harrison-h4-diagram-3

从“原则”,图12示出了平衡(BB),温度补偿器(AA)和平衡弹簧(BB)。绘图13,弹簧桶棘轮(BB),点击(C),炮弹齿轮(L),分钟轮(MM),小时轮(OO)。

harrison-h4-diagram-4

从“原则”绘图14似乎显示出培训布局,但不会泄露驱动器的复杂性,以逃避轮子(OO),也不是Remontoire的集成方式。

哈里森的托盘

擒纵层的托盘是“D”形,大约2mm×1mm×0.4mm,由金刚石制成。在HMS上的少女航行之后,也没有添加触及毛发刺的控制销,以改善其等时性能。Deptford1761年来到牙买加。它以2.5赫兹的频率运行,哈里森将其振幅描述为“超过圆的三分之二”,即±120度。

想知道地球上的任何人都可以临近 - 这是14中发明的原始擒纵th世纪到天文钟的表现水平,我真的很感兴趣。现在,在一个标准的边缘上托盘基本上是垂直排列的,彼此垂直90到100度左右。有一个大的反冲,一个有限的平衡振幅,它是敏感的变化,驱动扭矩,即使后期版本有某种形式的平衡弹簧。

看看老一辈的Thiout的作品,我们发现了以下内容:

哈里森h4图5

The The Resout写道,引用以上蓝色盘旋的擒源,“图。26.来自Flamenville先生(SIC)的两次休息,这是许多英语制表师的焦点,它已被申请三到四年......,它已被应用于观察估计有人一个月内只有几秒钟。当油变厚时,它的缺陷是太容易变化。“

基于年度,由于其潜在的计时,哈里森必须将这种机制作为他的手表作为依据,并且可能认为他可能会通过进一步改进来减轻石油问题,他最终实现了他最终实现的。

在哈里森的版本上,平衡枢轴底部和顶部的两个托盘的平面平行于彼此面对。外面的圆柱形面向分开提供摩擦休息。这种布置还允许大量的平衡周期和批判性地,哈里森的托盘背部是拐杖形状的;Flamenville擒纵托盘有圆形背面。此属性不是偶然的,明确的改善。

古尔德写道海洋天文钟“托盘非常小.....而且,它们不是钢做的,而是金刚石做的,而且它们的背是摆线曲线。......齿的支点休息,为相当一部分补充弧.......在托盘的背面,并倾向于帮助平衡到其摆动的极限并阻碍其返回"

此外,弗罗舍姆在1878年说钟表杂志第H4条的擒纵机构有“大量的‘设定’,而没有那么多的后坐力,因此,冲量非常接近双天文钟的动作。”

Maskelyne为哈里森的见解提供了线索原则“一定尺寸最适合托盘,或者而是在托盘边缘描述的圆的直径和平衡轮的直径之间的一定比例。这是第一次向钟铃哈里森议员提出建议;因为他可以将钟声更好地送到动议,从中在中心附近的某处比近圆周触摸;因为在第一种情况下,他的手速溶了足以沿着钟声追随。“

图6

天平和托盘的示意图布局,来自弗罗舍姆,《钟表学报》1878年

所以让我们穿越行动。

逸出轮齿与金刚石托盘的相互作用如下:从下降开始(逸出轮自由前进),平衡是摆动的,托盘的平面逮捕逸出轮齿。由于其动量,天平继续摆动,托盘迫使逃生轮轻微翻转。

旋转托盘上的逃逸齿面和其弯曲的背面。弯曲的背部加上它与平衡枢轴的偏移量意味着整个曲线是一个逐渐减小的半径。这意味着在这个摩擦静止期间,逸出轮会持续地轻微前进。托盘的弯曲背面的行为像一个凸轮。

关键的事情是,更高的振幅的平衡轮,更多的逃生轮前进,可以传递一点更多的能量,平衡轮。当平衡向后摆动时,它的返回会因逃生轮的反转而稍有延迟。这种行为有助于更大的振幅波动需要更长的时间,这是H4计时性能的关键部分。

作为其中心回到平衡,托盘,然后骑在摆脱平冲动和齿面到牙齿提供了新的冲动达到平衡,直到托盘的边缘,然后相反的牙齿掉到了相反的托盘的脸,这个过程再次开始。

Jonathan Betts,皇家天文台(国家海事博物馆)的策展人Emeritus增加了,“这种擒纵机构中的关键特征是,冲动将从平衡中心的速度非常短的半径交付到平衡,从而使擒纵机构的平衡”统治“。从某种意义上,它是一种脱离的形式,因为它从擒纵行动的机械效果中脱离了平衡。这就是为什么哈里森陈述“..车轮越少与平衡更好”。哈里森是一项脱离的指数!但这是一个“动态”脱离,而不是一个字面。“

材料科学

哈里森用钻石托盘来对付这种冲动。在他的1763年手稿,他指的是其他普通托盘材料的时候“不能坚持一个月”。我不知道,但我能想象他一定是先在这些容易操作的材料上尝试了托盘几何。

然后是方块的几何结构。来自Hird等人,下面的显微镜照片显示了上层托盘:

哈里森h4钻石托盘1

上面的托盘。照片Taylor & Francis Ltd 2008

哈里森h4钻石托盘2

下面的托盘带有作者的注释。照片 - Taylor&Francis Ltd 2008

可以看出,实际托盘偏离了描述的形状原则。上托盘在托盘背面的特定曲率下巧妙地不同;上托盘更平滑地弯曲,而通过形成多个扁平面,可能已经达到了多达四个,并且随后将它们混合在一起以形成形状来实现下托盘上的曲率。

到下托盘,我添加了一些注释:

[1]:表示抛光线的方向;在上托盘上不可见。有趣,但托盘结束没有计时功能。

[2,3和7]:这是脉冲面,或“平”;[3]是将在逃生轮齿上滚动的末端。有趣的是,脉冲平坦并不完整。从[2]到[7]的平面在裁定线上是平的,但从[2]向后踢到[3]的边缘。尽管如此,很难讲述精确的半径或几何形状,它也与上托盘出现平坦的上托盘。

确定曲率半径会很有趣。在下降后和脉冲开始时,在这条边会有一个高载荷。

[3,4,5和6]:背面的曲线非常复杂。[4]的半径看起来是最小的,扁平化到[5]然后拧紧。上托盘出现平滑曲线。

[6和7]:下托盘后斜面处于一定角度,但不是哈里森拉出的90度。哈里森的平衡幅度约为124度 - 哈里森是指4月1763年4月的稿件中248度的总摆动 - 我不确定[6]和[7]的几何形状。上托盘接近绘制的形状。

正是背部[3,4,5和6]与平衡轴相关的曲线,使逸出轮在其摆动结束时不断增加平衡的冲量。这将使他的振荡器的固有频率与振幅的关系更小,换句话说,更等时。然而,事实是,托盘是不同的几何可能看起来很重要,但半径减少,他们创造相对平衡轴侏儒的微小差异,在他们的制造。我们也可以看到较低的托盘有一个稍微弯曲的脉冲面。我当然可以理解为什么在脉冲期间近似于与逃逸轮齿的滚动接触可能是有利的,但它几乎不存在,可能不是故意的。

贝茨认为,的托盘是故意的半径不同,将不同的效果的“结束”和“解除”的平衡弹簧-短弹簧3,Caspari效应的两个明显不同,解除要求更大的回调,因此半径越小托盘回来。”

你只能想象几百年前在一个如此微小的部件上用世界上最坚硬的材料,但有方向性和天然缺陷,形成一个精确的几何目标所面临的困难——然后必须做一对!

因此,让我们检查一下H4实际上与描述的擒纵几何学有多接近原则。根据描述原则“在图8中(图在文章开头),托盘的曲率中心在一个标点圆的圆周上,其半径是托盘极值所描述的圆半径的五分之二。”

我取了上面较低的托盘的完整图像,并在上面画了一些半径。

哈里森h4钻石托盘3

作者的注释。照片 - Taylor&Francis Ltd 2008

R-C =托盘尖端半径

2R/5 - C =加标点的圆。

r'-c和r“-c =所描述的托盘曲线半径,必须为3r / 5

总之,它只是真正的,但它清楚地足够好。正如我们所知,其编年性能优秀 - H4在81天的航行到西印度群岛和背部的航行中失去了五秒钟。

最后,作为一个有趣的事实,我想知道哈里森在他的振荡器中达到了多少能量。平衡,包括辐条,引用28 5/8金衡颗粒,直径2.2英寸,以2.5 Hz振荡,振幅124度。我们还知道钢圈有1 / 4英寸宽,0.048英寸厚。

单独服用边缘的惯性,使我们提供1.205克的边缘质量,惯性为7388 mg.cm2。这使H4余额为大约7毫瓦的运行。这相当于近二十劳力士Cal。3135S(劳力士男子在20世纪90年代的手表中的事实上的运动到最近)击败完全伤口,但在直径超过五英寸的包装中脱落!

蒂姆·莱克(Tim Lake)是机械工程师学会的一名成员。他对钟表业毕生的热情源于他坐在祖父的膝盖上,看着他的怀表上那令人昏昏欲睡的天平摆动。拆开钟使他爱上了所有机械的东西。作为一个恢复精确的怪人,2000年退休的博主和网络贡献者,他逐渐开始组装手表。他现在努力写一些报道较少的话题。


2019年9月7日修正:哈里森称峰值峰值峰值幅度,而不是从擒纵死亡点到秋千的现代定义。因此,在文本中添加了清晰度,并修订了余额电量计算。

2019年9月13日:来自Charles Frodsham的Richard Stenning非常友好地提供了几个细节点和更正,主要是关于H4的链条和fusee以及其平衡轮的描述。

20021年1月28日的修正案:Jonathan Betts,国家海事博物馆的策展人Emeritus提供了一些细节及其上面的评论。

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