Джон Гаррисон

Джон Гаррисон (John Harrison, 24 марта 1693, Фолби, Йоркшир — 24 марта 1776, Лондон) — английский плотник, часовщик и изобретатель-самоучка, создатель первого в истории морского хронометра, позволившего с высокой точностью определять долготу в открытом море. Его работы разрешили одну из самых сложных научно-технических проблем XVIII века — проблему точного определения географической долготы, и оказали огромное влияние на развитие навигации и часового дела.

Биография

Ранние годы и начало карьеры

Джон Гаррисон родился в семье плотника в деревне Фолби, графство Йоркшир. Образование получил минимальное: в школе научился читать и писать, но систематического научного образования не имел. С детства помогал отцу в столярной мастерской, где приобрёл навыки работы с деревом и металлом. Интерес к механике проявился рано: в возрасте 20 лет Гаррисон самостоятельно изготовил и отремонтировал несколько настенных часов, используя только деревянные детали.

В 1713 году он построил свои первые часы с маятником — полностью деревянные, с дубовыми шестернями и тисовыми пружинами. Эти часы, известные как «длинный корпус» (longcase), отличались высокой точностью благодаря изобретённому Гаррисоном компенсационному маятнику — решётке из чередующихся стальных и латунных стержней, которая автоматически компенсировала тепловое расширение и обеспечивала постоянную длину маятника при изменении температуры.

Проблема долготы

В эпоху Великих географических открытий точное определение долготы оставалось нерешённой задачей. Широту моряки могли вычислять по высоте Солнца или Полярной звезды, но для определения долготы требовалось знать точное время на борту корабля и одновременно — время в порту отправления (или в точке с известной долготой). Разница во времени, пересчитанная в градусы (1 час = 15° долготы), давала искомую координату. Однако обычные маятниковые часы на качающемся корабле работали крайне неточно, а пружинные часы страдали от температурных колебаний и трения.

В 1714 году британский парламент принял Акт о долготе, учредивший Совет по долготе и назначивший награду в 20 000 фунтов стерлингов (огромная по тем временам сумма) за практический метод определения долготы с точностью до 0,5° (30 морских миль) после плавания в Вест-Индию. За точность до 1° полагалось 15 000 фунтов, до 0,75° — 10 000 фунтов.

Создание морских хронометров

Гаррисон, узнав о премии, посвятил свою жизнь созданию морского хронометра. Он разработал четыре последовательные модели, каждая из которых была значительным шагом вперёд.

H1 (1730–1735). Первый морской хронометр Гаррисона представлял собой массивный механизм весом около 35 кг, заключённый в четырёхфутовый деревянный корпус. Вместо маятника в нём использовались два балансира, соединённых пружинами, которые компенсировали качку. Механизм был оснащён оригинальным «траверсным» регулятором хода. В 1736 году H1 прошёл испытания в плавании на корабле «Сенчурион» до Лиссабона и обратно. Часы показали хорошую точность, но Гаррисон, неудовлетворённый результатом, отказался от награды и начал работу над второй моделью.

H2 (1737–1741). Вторая модель была более компактной, но также весила около 40 кг. Гаррисон устранил некоторые недостатки H1, в частности, улучшил систему компенсации температуры. Однако испытания были прерваны началом войны с Испанией, и H2 так и не прошёл полных морских тестов. Гаррисон, тем не менее, продолжал совершенствовать конструкцию.

H3 (1740–1759). Работа над третьим хронометром заняла 19 лет. H3 был значительно меньше предшественников — около 60 см в высоту и весом около 30 кг. В нём Гаррисон применил множество новшеств: биметаллический компенсатор для балансира, роликовые подшипники, антифрикционные материалы. Однако, несмотря на все усилия, H3 не достиг требуемой точности. Гаррисон понял, что уменьшение размеров и сложность механизма создают новые проблемы, и решил кардинально изменить подход.

H4 (1751–1759). Четвёртый хронометр стал революционным. Вместо громоздкого механизма Гаррисон создал компактные часы диаметром 13 см — по сути, большие карманные часы. H4 весил всего 1,45 кг. В нём был использован высокочастотный балансир (5 полуколебаний в секунду), компенсированный биметаллической спиралью, и особый спусковой механизм с минимальным трением. В 1761 году H4 был отправлен в испытательное плавание на корабле «Дептфорд» в Портсмут, а затем на Ямайку. После 81-дневного плавания часы показали ошибку всего в 5 секунд, что соответствовало погрешности определения долготы менее 1,25 угловой минуты (около 2,3 км на экваторе) — намного точнее, чем требовалось для премии.

Борьба за признание и награду

Несмотря на блестящий результат, Совет по долготе отказался выплатить полную награду, потребовав дополнительных испытаний и раскрытия секретов конструкции. Гаррисон, не имевший систематического образования, с трудом мог объяснить принципы работы своего хронометра. В 1764 году H4 прошёл второе испытание — плавание на Барбадос. Ошибка составила 39 секунд, что давало точность определения долготы около 0,5°. Однако Совет потребовал, чтобы Гаррисон передал чертежи и технологию изготовления, а также изготовил копии хронометра.

Гаррисон, которому было уже за 70, с большим трудом выполнил эти требования. В 1765 году он передал все четыре хронометра и подробные чертежи Совету. Ему выплатили часть награды — 10 000 фунтов, но оставшиеся 10 000 были удержаны до тех пор, пока другие мастера не смогут воспроизвести его конструкцию. Гаррисон обратился за помощью к королю Георгу III, который лично протестировал H4 и поддержал изобретателя. В 1773 году, после долгих лет борьбы, парламентским актом Гаррисону была выплачена оставшаяся сумма — 8750 фунтов. Он умер в 1776 году, так и не получив полного признания при жизни.

Устройство и принцип работы

Компенсация температуры

Главным нововведением Гаррисона стала система компенсации температурных изменений. В маятниковых часах он использовал решётчатый маятник: стержни из стали (с низким коэффициентом расширения) и латуни (с высоким) соединялись так, что при нагревании общая длина маятника оставалась неизменной. В хронометрах H4 он применил биметаллическую спираль балансира — ленту из двух спаянных металлов, которая при изменении температуры изгибалась, изменяя эффективную длину спирали и компенсируя изменение упругости.

Спусковой механизм

Гаррисон разработал оригинальный «траверсный» спуск (в H1–H3) и «морской» спуск с минимальным трением (в H4). В H4 использовался спуск с «разрезной» пружиной, который обеспечивал постоянную силу импульса, передаваемого на балансир, независимо от износа или изменения силы заводной пружины.

Антифрикционные материалы

Гаррисон первым применил в часовом деле роликовые подшипники (в H3) и использовал специальные сплавы для уменьшения трения. Он также разработал «качающийся» подшипник для оси балансира, который снижал износ.

Значение и наследие

Работы Джона Гаррисона имели фундаментальное значение для мореплавания, географии и часового дела. Его морской хронометр H4 стал прототипом всех последующих навигационных часов, которые использовались вплоть до появления спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС). Точное определение долготы позволило:

• Составлять точные морские карты и прокладывать безопасные маршруты.
• Сократить время и стоимость морских перевозок.
• Уменьшить число кораблекрушений, связанных с ошибками навигации.
• Развивать научную картографию и географические исследования.

В часовом деле Гаррисон ввёл в практику высокоточные балансиры, биметаллические компенсаторы, роликовые подшипники и другие элементы, ставшие стандартом для точных часов. Его методы изготовления деталей с высокой точностью (вручную, с использованием простых инструментов) поражают современных инженеров.

В 1995 году в Великобритании была выпущена почтовая марка с изображением Джона Гаррисона и его хронометра H4. В 2002 году он был включён в список «100 величайших британцев» по опросу BBC. В 2015 году в Лондоне, в Национальном морском музее в Гринвиче, открыта постоянная экспозиция, посвящённая его хронометрам.

Критика и споры

При жизни Гаррисон столкнулся с недоверием и бюрократическим сопротивлением со стороны Совета по долготе, в котором доминировали астрономы и математики, считавшие, что точное определение долготы возможно только астрономическими методами (например, по положению Луны). Некоторые члены Совета подозревали Гаррисона в шарлатанстве или нежелании раскрывать секреты. После его смерти возникли споры о приоритете: некоторые историки утверждают, что аналогичные конструкции разрабатывались и другими часовщиками (например, Пьером Леруа во Франции), но Гаррисон первым создал практически работающий морской хронометр.

Источники

• Sobel, Dava. Longitude: The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time. Walker & Company, 1995.
• Betts, Jonathan. Harrison: The Story of a Man, a Watch, and a Journey. National Maritime Museum, 2006.
• Gould, Rupert T. The Marine Chronometer: Its History and Development. J.D. Potter, 1923.
• «John Harrison and the Longitude Problem». National Maritime Museum, Greenwich, UK.
• Encyclopedia Britannica, статья «John Harrison».