| 到了十八世紀早期，倫敦已經(jīng)成為世界上最重要的鐘表和儀器制造中心。時鐘和手表制造是當時一個主要的產(chǎn)業(yè)，像哈里森這樣的人，單獨建造一個完整的機械裝置，已經(jīng)不合時宜了。 在首都的工作室以及中部和北部不斷發(fā)展的工業(yè)中心，都可以找到一小批專家，他們從事鐘表行業(yè)各個方面的工作。一臺完整的時鐘或手表是由鑄造廠和冶煉廠生產(chǎn)出原材料的；然后由工匠們專門制造發(fā)條、齒輪、螺絲、時分秒針等；其他包括雕刻師、搪瓷工、鍍金匠、鐘殼和玻璃制造商；以及精密工具和機械的制造商。哈里森一定已經(jīng)意識到，他已不可能再在林肯郡的荒郊野外獨自工作了；為了加快他的工作，他需要去倫敦，那里他可以隨時買到他自己無法生產(chǎn)的材料和零件。毫無疑問，他也重視他的朋友喬治·格雷厄姆以及他圈內(nèi)朋友的建議和支持，他的圈內(nèi)有許多當時頂尖的科學家。 
哈里森于1737年搬到了倫敦，在霍爾伯恩（Holborn）的皮革巷（Leather Lane）安家；三年后，他西遷至紅獅廣場（Red Lion Square），在那里度過了余生。接下來的兩年里，他專注于制造第二個計時器H2。他并沒有成功地制造出更緊湊的計時器；它比H1更大，重量更重，有39公斤。它遵循與H1相同的基本設(shè)計，但它展現(xiàn)了倫敦工匠的影響，有助于它的制造和外觀處理。它的制造中用了很少的木材，它有一塊顯眼的銘牌，上面刻有“1737年6月30日，根據(jù)委員會的命令，為喬治二世陛下制作”的銘文。哈里森所做的改進包括簡化和更有效的溫度補償，以及一個沖量穩(wěn)定器（remontorie），一種為避免功率輸出變化而設(shè)計的裝置，在他早期的時鐘里，當主發(fā)條松開時，不可避免地會發(fā)生這種情況。H2的主發(fā)條每三分四十五秒給另一個小型發(fā)條上弦；這個小發(fā)條直接驅(qū)動擒縱機構(gòu)，使兩個平衡擺產(chǎn)生更均勻的脈沖。盡管有這些改進，哈里森對H2的表現(xiàn)并不滿意。他逐漸意識到，他最初使用的兩個沉重的平衡擺來控制時間的想法是主要的問題。雖然它們被連接在一起并朝相反的方向擺動，但這并沒有像他所希望的那樣完全抵消船只的顛簸。船只在不同水平面上顛簸時產(chǎn)生的離心力會影響平衡擺，從而導致不可預測的計時誤差。他似乎已經(jīng)得出結(jié)論，解決 H2的問題就是去掉啞鈴型的平衡擺，將其更換為旋轉(zhuǎn)式平衡輪。但他不可能對H2進行改造，他不想向委員會提交他認為有缺陷的設(shè)計，而是請求委員會進一步撥款500英鎊，以完成第三臺計時器。他向委員會保證，這將遠遠領(lǐng)先于前兩臺機器。值得稱道的是，委員會繼續(xù)支持哈里森，他回到了自己的工作崗位上，完成第三臺計時器H3。
H3占用了哈里森將近二十年的時間；他沒有意識到這一點，在繼續(xù)發(fā)展他在前兩個早期計時器的想法時，他完全走錯了路。然而，他的時間并沒有完全浪費，因為這臺機器帶來了兩項對未來技術(shù)有著持久貢獻的發(fā)明：用于補償溫度變化的雙層金屬帶和滾柱軸承。經(jīng)過五年的開發(fā)工作，H3的首次測試令人失望；盡管如此，哈里森仍然固執(zhí)地堅持他的基本理念。幾年過去了，盡管他付出了艱苦的努力，這臺機器還是沒有表現(xiàn)得足夠好，他無法將它提交給經(jīng)度委員會進行測試。哈里森的支持者對他保持信心，委員會繼續(xù)為他在H3上的工作提供資金，在這段時間里，他總共獲得了3000多英鎊，這是政府支持此類科學研究的一個前所未有的例子?；始覍W會授予他最高榮譽——科普利獎章（Copley Medal）。然而，盡管哈里森聲名顯赫，但不難想象他此時的精神狀態(tài)；H1的早期成功帶來的希望已經(jīng)過去好多年了，隨后的兩個計時器似乎注定要失敗。在1750年代早期的某個時候，他似乎已經(jīng)意識到，移動困難、有著沉重平衡擺的大型儀器，太容易受到船只劇烈顛簸的影響，他必須改變思路。
現(xiàn)在，哈里森把他的發(fā)明才能轉(zhuǎn)向了表的技術(shù)，它自1675年左右引入游絲擺輪以來，基本上沒有改變。最好的表每天的計時偏差超過一分鐘左右；也許這能夠改進？
這個裝置，哈里森稱之為“溫度夾”，后來被稱為“補償夾（Compensation Curb）”。它是由一條鋼帶和黃銅帶鉚接而成。黃銅的膨脹和收縮速率比鋼快；這會導致桿在溫度升高時向一個方向彎曲（黃銅側(cè)凸出），在溫度降低時向相反方向彎曲。H3的兩個平衡擺由一條短游絲控制；正如早期的表一樣，通過“限位釘（curb pins）”來控制，可以按溫度移動，從而縮短和拉伸發(fā)條，造成振動頻率的增減。補償夾會隨著溫度的變化自動調(diào)整振動頻率。如今，我們看到這種裝置廣泛應用于各種電器設(shè)備，比如水壺、烤面包機、電熨斗和中央空調(diào)。哈里森的想法是，未來的發(fā)展方向是制造一款帶有擺輪的表，這種擺輪的振動速度比標準的表更快，擺動弧度更大。他重新設(shè)計了冕狀擒縱機構(gòu)，使擺輪的振幅（旋轉(zhuǎn)角度）遠大于普通的表。一個比普通更大、更重的平衡擺會被安裝一個更強的發(fā)條，其強度足以驅(qū)動擺輪每秒擺動五次。這樣安排的唯一缺點是，如果表停了，它就不會自動啟動：它需要搖一搖才能再次啟動。任何專業(yè)表匠都會認為這是一個致命的缺陷；一個需要搖晃才能啟動的表有什么用呢？然而，哈里森相信，他的高速運動、高能平衡擺將改善他心目中的表的性能。他沒有嘗試自己制作，而是委托了一名倫敦表匠，約翰·杰弗里斯（John Jeffreys），在1751年至1752年間，按照他的新設(shè)計制作了一塊表。
這是早期便攜式鐘表中所使用的擒縱機構(gòu)。擺輪控制時間，由作用在擒縱輪輪齒上的兩個擒縱叉交替驅(qū)動。振幅，即擺輪轉(zhuǎn)動的角度相對較小（約90°），計時誤差每天不少于15分鐘。
17世紀后期，羅伯特·胡克（Robert Hook）建議在擺輪上安裝一個游絲彈簧。這大大改善了擺輪的計時性能，因為它現(xiàn)在依賴于發(fā)條的彈性而不是慣性。計時性能提高到每天一兩分鐘。但有幾個缺點妨礙了更準確的計時，包括溫度變化導致發(fā)條彈性的變化，以及主發(fā)條功率輸出變化導致擺輪擺幅的變化。
哈里森重新設(shè)計了冕狀擒縱機構(gòu)，并用鉆石制成的特殊形狀擒縱叉取代了老舊冕狀擒縱機構(gòu)中使用的粗糙鋼制擒縱叉。這使得擺輪的擺幅比以前高得多（290°）。游絲的溫度補償由他的“補償夾”和一個“沖量穩(wěn)定器”提供，一種由一個小型發(fā)條驅(qū)動擒縱輪的裝置，每7.5秒上發(fā)條一次，給擺輪帶來了更恒定的脈沖。其結(jié)果是在計時方面有了巨大的改進，每天的計時誤差不超過一秒。顯然，哈里森期望這只實驗性的表在計時方面會有一定的改進；然而，新的設(shè)計比他所希望的要成功得多。最后，他似乎找到了正確的方向，盡管他沒有完全放棄H3的工作，但他看到基于杰弗里斯表的更優(yōu)性能所提供的新方向（它就是在托馬斯·金所繪制的肖像畫中哈里森手里拿著的這塊表，現(xiàn)在懸掛于國家海事博物館內(nèi)）。1755年6月，他再次出現(xiàn)在委員會面前，要求獲得進一步的撥款以繼續(xù)他在H3上的工作，他請求支持去制造兩塊表，“一塊的大小可以放在口袋里，另一塊大一些…從一個已經(jīng)朝著這個方向運行的表的性能來看，我們有良好的理由認為，這樣的小型機械裝置可以在海上經(jīng)度測量方面發(fā)揮更巨大的作用”。委員會欣然給了他所要求的資助，在接下來的四年里，他努力創(chuàng)作自己的杰作，這只裝在普通銀質(zhì)表殼中的大型表現(xiàn)在被稱為H4，它是第一個成功的航海計時器。
H4——約翰·哈里森的第四臺航海鐘，制造于1755-1759年，最終贏得了經(jīng)度獎（國家海事博物館）
H4 由杰弗里斯表順理成章發(fā)展而來；哈里森使用同樣的擒縱機構(gòu)設(shè)計來驅(qū)動直徑為55毫米的大型普通鋼制擺輪。如早期的表一樣，平衡擺以每秒五次的頻率振蕩，并且有一個三圈多一點的鋼制游絲擺輪。除了它的高頻率，平衡擺的擺動弧度比普通表要大得多，從其接收擒縱機構(gòu)脈沖的靜止點開始，每個方向的最大角度為145°。為了消除主發(fā)條輸出的不均勻功率，他再次使用了一個沖量穩(wěn)定器，每隔7.5秒上發(fā)條一次。溫度變化的補償是通過一個為H3開發(fā)的補償夾的微型版本來實現(xiàn)，這可以在哈里森自己的圖紙上看到。表技術(shù)的使用意味著哈里森不得不放棄他常用的低摩擦軸承；這個計時器需要上潤滑油，這是他在早期的機械裝置中極力避免的。他采用了本世紀初由倫敦工匠開發(fā)的一種新型軸承——寶石軸承。鐘表齒輪的樞軸總是在銅板上鉆的孔中轉(zhuǎn)動，但這些孔容易磨損，導致輪齒嚙合不良。人們意識到，紅寶石或藍寶石（同一種礦物剛玉，僅次于鉆石的最硬物質(zhì)）可以成形和鉆孔，以制造軸承，并安裝在表夾板上。淬火鋼制樞軸的組合在更硬的寶石軸承中轉(zhuǎn)動，大大提高了表的運行表現(xiàn)和壽命。這項技術(shù)很快成為高品質(zhì)手表制作的標準方法。除了盡可能使用紅寶石外，哈里森更進一步，用鉆石制作了擒縱叉的進出瓦。后來他承認，他發(fā)現(xiàn)這些進出瓦的制造是一個很大的難題，這并不奇怪；事實上，他是如何做到這一點的仍然是個謎。每個小型進出瓦面都是旋輪線狀（cycloid）；用紅寶石制作它們已經(jīng)夠難，但用比紅寶石硬很多倍的鉆石制作它們就更難了，這是一項偉大的成就。經(jīng)過了三十年的艱苦工作，大部分時間都花在H3上（他后來稱之為“好奇的機器”），才意識到自己走錯了方向。他頑強的毅力和一心一意的決心值得欽佩，他決定放棄他的大型航海鐘，將自己的天賦奉獻給普通表的開發(fā)。H4的直徑只有13厘米，裝在一個純銀的“雙層外殼”中，這是當時標準懷表的大型版本。一個內(nèi)部表殼可以打開進行上發(fā)條和指針設(shè)置，它被封閉在一個外部的保護殼中。這個表殼有著1760 - 61年倫敦表的標志性特征，可能是由亨利·湯普森（Henry Thompson）制作，他是一名住在哈里森附近銀器街（Silver Street）的“小工”。 |
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