您好,欢迎来到大连富泓机械设备有限公司!
在线留言 |  联系我们 13154115663
您的当前位置:首页>>行业资讯>>行业动态
哈里森的航海时钟如何确定大航海时代的格林威治时间?
浏览量:145 上传更新:2024-04-25

你的问题不太准确。

第一个问题实际上应该是:

什么是标准时间? 当地时间是几点? 如何确定当地时间?

格林威治时间只是标准时间的一种。 当时,不同国家使用的标准时间是不同的。 法国人坚持以经过巴黎的经度作为本初子午线。 直到后来,由于英国的影响过于广泛,国际社会才决定使用格林威治时间。 以天文台子午线的经度作为本初子午线,以本初子午线的当地时间作为国际标准时间。 通过测量地点时测量与标准时间的时差,可以知道该地点与标准时间天文台之间的经度差(每15°一小时)

精确测量地方的方法就是上面提到的经络仪机械设备有限公司,也叫天象仪。 子午线是用来观察穿过子午圈(天空中穿过北、南、天顶的子午圈)的星星的装置。 由于地球的稳定自转,恒星经过子午圈的时间周期也非常稳定。 这样的时间间隔就是一个恒星日。 日常使用的太阳日(不区分真太阳日和平太阳日,后面会详细解释)是地球自转和公转的综合影响。 通过叠加公转影响的修正,可以根据恒星时计算出平均太阳时。

对于水手来说,当地时间也是通过观察太阳和星星来获得的。 但由于观测设备的限制,其精度不会像天文台那样准确。 通常使用日晷(直接测量真太阳时,然后通过平均时差修正平太阳时)和八分仪/六分仪(测量高度角并结合天文历书计算)。 事实上,19世纪以后,导航不再需要分别测量经度和纬度。 可以通过标准时间和恒星高度角直接计算出海图上的经纬度坐标,无需依赖当地时间。

具体的天文导航方法可以参考我下面的文章。

第二个问题和第三个问题是:

如何用时钟测量时间? 影响时钟授时精度的原因有哪些? 当时其他计时器主要面临哪些错误? 哈里森船用时钟如何减少计时错误?

1.如何用时钟测量时间?

人类有两种计时方法。 一是测量某些均匀运动,二是计算稳定的振荡周期。

我们先说第一种。 这里的匀速可以是水流或沙流的流速(铜壶滴头、沙漏)、燃料燃烧的速度(香、导火索)、或者太阳东升西落的角速度(日晷),根据这个原理,通过等分距离或角度来测量一段时间的长度。

然而,这种方法的缺陷也很明显。 首先,很难保证匀速的前提。 更不用说漏水瞬间水位变化引起的流量变化,以及制香过程中材质的不均匀。 即使地球质量和体积巨大,它也有非常稳定的自转周期铁板,但叠加公转角和椭圆轨道的影响后,太阳两次经过中天的时间间隔并不总是等于24小时(即真太阳日与平太阳日之差),只有以遥远恒星为参考点的恒星时才能正确反映地球的自转周期。 但依赖地球自转的计时器必须在静止状态下使用,只能反映当地当地时间,不适合移动计时。 其次,这种计时依赖于等距离或等角度,受到结构尺寸、加工能力和人的观察能力的限制。 精细的时间间隔不能通过匀速运动来测量。 此类时钟必须经常校准。 否则累积误差会很大。

然后是第二个机加工椭圆原因,通过计算稳定振荡周期来计时。 只要知道它经历了多少次冲击,就能知道已经过去了多少时间。 这类定时器通常由两部分组成,一是振荡源,二是计数器。

振荡源有多种类型,如周期性摆(重力摆、电磁摆)、机械机构的本征频率振荡(音叉)、压电效应振荡(石英晶体振荡器)以及辐射电磁场的原子精细能级之间的跃迁在电磁波中。 周期性振荡(原子钟)。 振荡的周期决定了可以测量的最小时间,振荡的稳定性决定了计时的准确性。

不同的振荡源对应着各自适用的计数器。 对于机械表来说,计数器通常是与齿轮表盘搭配的擒纵机构。 擒纵机构还承担着向振荡源补充能量以维持振荡的功能。

机加工椭圆原因_椭圆工件的加工方法_加工椭圆怎么编程

2、那么影响时钟授时精度的原因有哪些呢? 传统机械计时器面临的主要错误有哪些? 哈里森船用时钟如何减少计时错误?

首先是振荡源本身振荡周期的稳定性。

以机械钟为例,振荡源的机械回复力来源是否稳定,振荡源的质量和质量分布是否稳定。 人类对机械钟表的改进也集中在这两个方向。

我们先来看看重力摆钟。 重力摆钟的机械恢复力的来源是摆锤的重力。 这就要求摆钟处于惯性系中,其接收到的等效重力加速度g要稳定,方向和大小均应稳定。 改变不可能发生。 仅此就宣告了摆钟不适合运动计时,复杂多变的运动环境无法提供稳定的恢复力来源。

由于重力太容易受到运动的影响,因此可用于运动计时的机械钟只能使用弹力作为恢复力。 由此催生了机械钟表的另一大类——游丝摆轮钟表。

只要是与机芯有关的机械表,基本可以确定它采用的是游丝摆轮机构,无论是怀表、手表、汽车钟、航海钟。

游丝摆轮的恢复力来自于游丝的弹性变形,这就要求游丝具有非常稳定的弹性性能,以便在各种温度、湿度、盐雾环境下长期运行。 这基本上是一个物质问题。 如果材料科学没有突破,同时游丝早期的性能也不会得到太大的提升。

游丝平衡机构的性能提升主要来自于通过设计保证游丝平衡机构的质量和质量分布尽可能稳定,以及更稳定地减少摩擦和补充能量。

早期的平面游丝是阿基米德螺旋游丝。 摆动时,螺距会发生变化,同时质量分布也会发生变化,导致整个游丝摆轮机构的转动惯量发生变化,振动周期也会发生变化。 另外,在摆动过程中,质心偏离轴承中心组立工,也会造成摩擦力增大,进一步影响性能。 哈里森航海钟并没有什么革命性的发明。 直到法国制表师宝玑发明了宝玑游丝(悬架游丝)才得到改进,而宝玑游丝通常只够满足怀表/手表的精度要求。 现代机械航海钟采用圆柱形游丝而不是扁平游丝更实用。

另一个是热胀冷缩的影响。 温度变化会改变摆轮游丝的尺寸,从而影响转动惯量。 在摆钟上,人们在摆锤上安装了水银温度计。 当温度升高时机加工椭圆原因,摆的长度变长,周期也变长。 温度计液位的上升导致摆锤的质心上升,减少了有效摆锤长度。 补偿由温度变化引起的摆动周期变化。 哈里森在制造航海钟之前就已经发明了一种称为筛摆的温度补偿摆。 其原理是利用两种热膨胀系数不同的金属,利用铜连杆和铁连杆机构,在温度变化时产生形状变化。 为了补偿变形,哈里森在制造H3航海钟时进一步将其改进为双金属温度计而不是筛摆。

哈里森早期的筛摆原理温度补偿摆依靠四根短黄铜棒和两根长钢棒的系统来实现对钟的温度补偿。

Harrison H3 和 H4 航海钟使用双金属温度计的温度补偿摆锤。 自由端有两个销钉用于夹紧游丝。 当温度变化时,游丝的有效长度会发生变化,形成类似于手表快针的功能,从而完成温度补偿。 。

但现代钟表通常采用因瓦钢摆轮,其温度稳定性非常好,不会产生明显的变形。 因此,不需要进行温度补偿。 在因瓦钢出现之前,采用的是双金属缺口摆轮,摆轮直接采用双金属。 由金属片制成,当温度变化时,直接改变摆轮的形状来完成温度补偿,而不是通过双金属片改变游丝长度。

理想的弹簧遵守胡克定律,但实际的弹簧会或多或少地偏离理想的弹簧。 在手表中,游丝和游丝都是弹簧。 由于与理想游丝的偏差,我们只能尽可能保持游丝摆轮每次摆动的角度相同,以获得相同的振荡周期。 这需要减少轴承的摩擦并补充每次摆动期间耗散的能量。 活力。

机加工椭圆原因_椭圆工件的加工方法_加工椭圆怎么编程

然而,弹簧的力量带来的问题是弹簧的输出扭矩不均匀。 弹簧刚拉紧时,输出扭矩较大。 随着弹簧逐渐松弛,输出扭矩也变小。

早在哈里森之前,人们就在15世纪的意大利发明了锥轮,达芬奇也画出了它。 锥轮用于补偿弹簧的输出扭矩。 其原理与变速自行车类似。 缠绕弹簧后,将一条称为芝麻链的链条缠绕在圆锥形的锥轮上。 弹簧盒将芝麻链拉到锥轮上。 到弹簧筒,从而带动锥轮旋转。 由于锥轮上不同位置的半径不同,可以补偿发条的输出扭矩,使得擒纵机构每次传递给游丝摆轮的扭矩和能量几乎相等。 哈里森的开创性工作是发明了双棘轮机构,这样当锥轮转动上弦时,动力仍然输出到擒纵机构,而不是以前手表一上弦就停止的方式。 关于双棘轮结构和锥轮芝麻链的具体原理可以参考我的另一个回答:

然后是擒纵机构,它不仅要完成摆动的计数,还要为摆轮游丝补充能量。 计数功能其实没什么好说的。 真正影响计时器精度的是擒纵机构与摆轮相互作用时是否影响摆轮的正常摆动。 显然,对于机械表来说,只要擒纵机构和摆轮相互接触,就会产生冲击。 如何在不影响能量补充的情况下减少对摆动周期的影响,成为擒纵机构设计的难点。 总体来说,改进点主要在于缩短动作时间和减少相互摩擦。

Harrison 的前三款船用钟使用了蚱蜢擒纵机构,H4 开始使用枢轴擒纵机构。

蚱蜢擒纵机构因其后腿看起来更像蚱蜢而得名。 卡瓦 A 和 B 在点 C 和 D 处与位于带有摆锤的轴上的杠杆末端铰接。 卡瓦A和B由硬木制成,弹簧E和F用作回弹缓冲器。 在这个机械系统中,当有一个固定点时,所有其他部件都有自由运动的可能。 擒纵轮交替推动右卡瓦和左卡瓦,同时将冲力传递至游丝平衡系统。 在这种擒纵机构的结构中,滑差和擒纵轮之间没有摩擦,也不需要润滑。

枢轴擒纵机构是一种较古老的擒纵结构。 擒纵轮和擒纵叉的轴线彼此垂直。 不过,哈里森改进了枢轴擒纵机构,避免了枢轴擒纵机构的问题。 一些缺陷。

上图展示了早期机械钟的一些设计。 左图展示了使用Fulio摆轮和枢轴擒纵机构的设计。 C为擒纵轮,E为擒纵叉的轴线,轴线上有相互垂直的轴。 卡瓦、枢轴擒纵卡瓦与擒纵轮接触时间长,摩擦力大,容易使擒纵轮后退。 这是一个非常落后的设计。 哈里森改进了一些设计。 中图为锥轮-芝麻链-弹簧箱结构。 我不知道正确的图片有什么用。 它看起来像一个棘轮。 可能是为了防止收盘的时候后退。 (根据评论区的说法,那个是蜗牛形状的,轮子的齿轮直接装在弹簧上,然后被金属弹簧压住,释放动力。蜗轮让整个弹簧的动力均匀地释放,这样就可以匀速旋转并带动中间的小齿轮连接到时针,所以这种古代装置只能有一个指针)。

上图是Harrison为H4设计的枢轴擒纵机构。 前、后卡瓦平行放置。 卡瓦和擒纵轮均采用摆线形状,一定程度上避免了枢轴擒纵机构的一些问题。 缺陷是,为了稳定动量,哈里森还应用了带有中间弹簧的装置。 阴影是后组擒纵轮齿和卡瓦。 下图是该枢轴擒纵机构动作的分解图。 现代航海钟表已采用较好的天文台擒纵机构(有些手表也采用天文台擒纵机构,产生的误差较小),无需使用脉冲稳定装置。

最后提一下哈里森应对船的晃动和颠簸的一些措施。 他使用两个由四个游丝驱动的重型平衡轮组成平衡轮,相互之间传递摩擦力。 它们可以沿相反方向振动。 它的作用与船相同,但方向相反。 这样,船舶运动对时钟运行时间的影响就大大减少了。 他的前三台H1到H3采用了万向节悬挂,而H4则是放在轮枕上(不知道轮枕是什么,后来现代航海钟还是用万向节)。

我不得不承认,哈里森的所有发明中,只有上弦时使钟表停止运转的双棘轮机构仍然保留着自己的意义。 其他发明(蚱蜢式擒纵机构、双金属快慢针、木制卡瓦和齿轮、用于获得等时性的马鞍形装置、用于减少摩擦和无需使用润滑的装置以及用于稳定脉冲的装置)现在仅具有其历史意义。

除了回归问题之外,哈里森航海时钟所实现的是一段时间内的累积误差足够小,足以支持船舶从出发地到目的地。 当能够给出精度要求范围的标准时,只要累计误差足够小,就足以保证船舶在桅杆上。 对于海员来说,观察要观察的陆地、岛屿和岩石就足够了。

怀表的走时和经度远远落后于航海钟。 怀表的走时误差每天可能为 +/-30 秒。 就连瑞士天文台认证所要求的腕表精度也仅为每日-4/+6秒。 公元1714年,英国议会批准的法律规定,奖金数额将根据确定经度的精度分为1、15和20,000英镑。 最高奖项的要求是,在往返美洲的航程中,确定经度的误差在1/20以内,也就是30海里以内,一天最多差不多1秒,远远超过了口袋的要求手表。 还有一点,宝玑为了提高怀表的走时精度,设计了陀飞轮。