Механика дальних странствий

375
0

Сегодня ночью ждем новую секунду: после 23:59:59 наступит 23:59:60, и только затем 0:00:00 новых суток 1 июля. Такая «високосная» секунда вводится раз в несколько лет с тем, чтобы синхронизировать ход всемирного времени с солнечным временем, которое задается вращением Земли: современные часы так точны, что их приходится переводить, чтобы скоординировать их счет с не столь уж и точной сменой реальных суток.

Но так было не всегда. Вместе с руководителем Лаборатории математики Политеха Евгением Ширяевым мы навестили мастерскую Андрея Пескова, погрузившись в увлекательную историю времени – и всемирного состязания за точность, в котором победа когда-то досталась Британии. Вооруженный новейшими для той эпохи хронометрами Флот Ее Величества стал непобедим. «Морская навигация – это время, время – это часы, а часы – это механика, – Евгений Ширяев объяснил все с математической четкостью. – А механика – это Андрей». За этой цепочкой проследуем и мы.

Навигация и время

Тысячелетиями люди перемещались по земному шару практически наугад. Это понятно: когда корабль со всех сторон окружает море, ровное и одинаковое, от горизонта до горизонта, почти невозможно понять, где именно находится и куда движется судно. Исследователям и проповедникам, флотоводцам и купцам приходилось держаться поближе к берегу – каботажное плавание давало некоторую надежду сориентироваться и не пропасть в пустой безбрежности морских просторов.

Настоящая навигация началась только в XI веке, с появлением компаса. Но и он позволял лишь ориентироваться относительно северного магнитного полюса Земли – не более. Не представляя местоположения судна, не имея карт, мореплаватели то и дело плутали, потеряв ориентиры. Недаром Колумб так и не осознал, что ему довелось открыть неизвестный его современникам континент, а не просто найти «обходной путь» в Восточную Азию.

Однако еще с древности было замечено, что высота подъема Солнца и звезд над горизонтом зависит от местной широты. Достаточно замерить, например, максимальный угол подъема Солнца помощью астролябии или секстанта, а затем по заранее рассчитанным таблицам выяснить, на какой широте вы находитесь. Примерно так – придерживаясь определенной параллели – двигался Колумб.

Однако проблема долготы оказалась крепким орешком. Самым надежным способом установить ее было сравнение местного времени со временем в некоторой «базовой» точке, например в Гринвиче: каждые четыре минуты отклонения соответствуют одному угловому градусу долготы, 12 часов – 180°. Но тогда для точной навигации мореходам нужен точный механизм отсчета времени.

Вскоре в лабораториях Политехнического музея начнутся занятия, посвященные математике, навигации – и часовым механизмам.

Время и часы

Проблема стояла настолько остро, что в награду изобретателю часов, позволяющих установить координаты корабля с точностью до градуса, британское адмиралтейство пообещало выплатить громадную премию в 20 тысяч фунтов – несколько миллионов на современные деньги. Досталась награда Джону Гаррисону, плотнику, изобретателю и часовщику, создавшему первый точный хронометр, способный не сбиться с ритма даже в суровых условиях океанского плавания.

«Вот эти часы мы собрали для Политехнического музея, – показывает Андрей Песков, – Это не морской хронометр, но здесь точно скопированы все принципы, которые существовали во времена Гаррисона: классический напольный часовой механизм, секундный маятник и груз, приводящий все это в движение. Самая главная часть в них – кузнечиковый ход с маятником – именно он «дозирует» энергию груза и, собственно, отсчитывает время. Можно сказать, что время – это маятник. А связанные со стрелками колеса – просто индикатор».

Такой «кузнечиковый» анкерный механизм был придуман Джоном Гаррисоном еще для обыкновенных башенных часов. Позднее он предложил и удобный решетчатый маятник, который компенсировал небольшое изменение длины в зависимости от температуры. Но как ни хороши был первые часовые механизмы Гаррисона, для моря они не годились: в качку ход маятника сбивается и полагаться на его счет времени нельзя.

Простой вопрос от Андрея Пескова: для чего у этого кронциркуля ножки такой странной формы?

Часы и механизмы

На разработку «палубных» часов Гаррисон потратил не один десяток лет, создав и испытав целую серию все более совершенных механизмов, – в Великобритании они хранятся до сих пор и носят условные названия Н1, Н2 и Н3. Первый вариант еще использовал привычный изобретателю кузнечиковый анкерный механизм и маятник слегка необычной формы. «Одна его часть была направлена вниз, а другая вверх, и он колебался за счет разницы в длине этих двух плеч, – объясняет Андрей Песков. – В общем–то, это был переходный вариант, промежуточное звено между обычным маятником и балансом, который Гаррисон придумал позднее».

В самом деле – по-настоящему удачной стала лишь четвертая версия морского хронометра – за почти трехмесячное плавание из Портсмута до Ямайки часы Н4 отстали немногим более чем на секунду. А впоследствии, когда хронометром Гаррисона воспользовался Джеймс Кук, за три с лишним года его легендарных путешествий они отстали всего на 7 минут и 45 секунд.

Для своего времени это был настоящий хай-тек, секрет которого Гаррисон отказался раскрывать даже адмиралтейству, пока не получил – после долгих проволочек – по крайней мере часть обещанной награды. Роль груза в хронометре Н4 выполняла пружина, а маятник заменил колеблющийся баланс. «До сих пор эти принципы серьезно не изменились, – добавляет Андрей Песков, – в любых наручных часах мы видим, в целом, то же самое, что появилось у Гаррисона: баланс и пружину».

Кроме того, впервые часы можно было просто положить в карман. Компактный объем Гаррисону удалось использовать не менее эффективно, чем современным производителям смартфонов: в Н4 был даже встроенный биметаллический механизм для компенсации неточностей хода, вызванных перепадом температур. «Это просто замечательный пример того, как по мере развития научной идеи физические размеры механизмов, которые эту идею воплощают, становятся все более компактными, – добавляет Евгений Ширяев. – Первый хронометр Гаррисона Н1 весил несколько десятков килограммов и требовал отдельного места на борту. Четвертый помещался небольшую коробочку».

Выпиливание деталей для механизма боя часов. Обычный натюрморт из мастерской Wood Mechanics

С появлением хронометра Н4 в Европе XVIII века начался бум часовых технологий – переход от громоздких настенных и башенных механизмов, которые в английском зовутся Clock, к компактным и точным часам – тем, что называются Watch. И вряд ли случайно, что почти одновременно с этим началась эпоха колонизации, освоение европейцами новых бескрайних территорий по всему земному шару. Мир становился доступнее с каждым ударом точных хронометров.