13.2　仪器的制造

天文学仪器　我们在这里要讨论的仅仅是天文学仪器的机械部分以及它们通常的构造。由于技术上的改进在18世纪中叶到19世纪中叶之间的一段时期，大型仪器的制造得到了相当大的发展。望远镜自从1755年装上消色差物镜以来，一直被用于经纬仪、子午望远镜或赤道仪，或用于装备度盘或象限仪以测定星体的位置。但是一直到约1820年的这一段时期，最有特色的还是反射望远镜受到了天文学家的青睐。

在18世纪第二个25年以前，反射望远镜就已开始广为制造。英格兰的斯卡利特（Scarlett，卒于1743年）和法国的帕里斯（Paris）和帕锡曼（Passemant，1702—1769）将反射望远镜的生产推广开来。在他们的工场中生产的仪器包括一只长度为16英寸的小的黄铜圆柱，通常安装在一只可折叠的三脚架上。从这一时期起，镜筒的定位就是通过一只扇形齿轮与一只带曲柄的小齿轮相互啮合来控制的，小镜片的调节则通过一只转动螺杆的旋钮来完成。

这些望远镜属于制图室装备。第一台天文台望远镜由肖特（James Short，1710—1768）制造。这位苏格兰天文学家和仪器制造家只关注格利高里望远镜，其中有几台的尺寸很大，长度达12英尺。他肯定专门研究过机械设计，为了控制不同的运动，使用了带万向节连接的长桃花心木把手，这一装置如今还在所有超过一定尺寸的仪器上使用。此外，肖特用桃花心木制造的仪器的镜筒具有多边形截面。约在同一时期，巴黎的王室物理仪器藏品保管员诺埃尔（Dom Noël），制造了卡斯格伦（Cassegrain）型大型望远镜，其中最大的一台焦距长达24英尺。

威廉·赫歇尔爵士（Sir William Herschel，1738—1822）使反射望远镜成为真正的天文学研究仪器。从1785年到1789年，他致力于制造一台40英尺的仪器，并基于设计原理称之为“正视图望远镜”［13］。它的主要难度不但包括镜片的浇铸和抛光，而且连机械设备也需要使用更新的加工方法。支持着镜筒的木制框架有12米长、147厘米宽，安装在有旋转滚柱的平台上。

赫歇尔的发现引起了人们对这一类望远镜的极大兴趣。几台样机在接下来的几年中问世。在法国，卡罗舍兹（Carochez）于1800年制造了一台。不久以后，大型的折射望远镜获得了成功，并在一段时间内受到仪器制造者和天文学家的关注。由于其尺度很大，因安装而产生的机械问题很难解决，因此成本非常高昂。只有到了1850年，大型的反射望远镜才又被重新制造。罗斯（Rosse）勋爵的52英尺望远镜于1845年在爱尔兰建成，这使他同时代的人感到震惊。同时，傅科（Léon Foucault）在法国也使这一传统重新兴盛起来。

德国光学仪器制造商夫琅禾费（Fraunhofer）和他的法国同行勒尔布尔（Lerebours，1762—1840）第一次成功地制造出可用于天文学目的的大型透镜，而在1815—1820年，燧石玻璃的生产已经变得相当容易了（第12章）。光学制造技术的进步导致相应的机械制造技术有了更大的进步，反射望远镜的尺寸在19世纪的上半叶一直不断增大。支座的建造以及驱动装置的制造发展非常迅速，其中最难解决的是关于设置和调节经纬仪望远镜和子午圈的问题。以上概述的工程师们可获得的加工手段的完善，让我们能够了解所设计的解决方案是如何得以逐渐改进的。像拉姆斯登和特劳顿这样的仪器制造者是最早去寻找全新装置的人，他们在望远镜体和支撑镜体的横臂上都采用了斜截头圆锥体。与基体连接的两只平截头圆锥体的机械强度，使他们能把这一结构推广到许多仪器的制造中去。他们采用带有4根或6根柱子的长箱形金属框架来固定子午望远镜或赤道仪，同时放弃了老的扇形齿轮，代之以用带有螺旋齿圆盘与切线螺杆啮合。这些装置首先用于小型仪器，例如六分仪或显微镜，但由于材料性能和工具的改进，使它们可以成功地应用于大型的天文学仪器上。

后来，赖兴巴赫、雷普索尔德、艾里（Airy）和冈贝更进一步应用和改进了这些设备，浇铸金属部件的工艺技术有了巨大的进展。直到18世纪末，大型部件都是由螺栓连接的金属棒构成的。由于确定了不同零件的最合适的形状以及最佳的组合方式，伯德使象限仪的制造达到了当时所能达到的最完美的程度。

虽然在子午仪中放弃了使用带金属柱的长箱形框架，改用结实的砌石圆柱来代替，但人们后来还是投入了巨大的创造力和技能去改进其支撑部件。为了避免支撑部件的弯曲，减少驱动齿轮上产生的应变，大型部件都进行了配重平衡。就是在这一时期，新式大型仪器的构造原理被制定出来。

大地测量学　为大地测量学和航海天文学服务的仪器构造的发展，要比大型天文学仪器的发展快得多。在17世纪末期以后，哈德利（Hadley）的象限仪和八分仪也进入到已使用了几个世纪的标准仪器的行列中去（第Ⅲ卷，第20章）。尽管象限仪相当快地被大地测量家们所采用，但直到18世纪中叶，水手们仍然相信老的仪器，例如带观察镜的八分仪，虽有几种类型在1730—1732年便已被发明，但直到这一世纪中叶才得到应用。

八分仪包括一个45度的扇形，一只可移动的照准仪，带着一只位于仪器中心的小镜片。八分仪的一只臂上是一个观察望远镜，而另一只臂上则设有第二块固定镜片。当从回转的镜片反射到固定镜片并由此进入望远镜的星体的像，与通过固定镜片上不镀银的透明部分所看到的地平线相重合时，记录下照准仪的位置，便可由此测出星体的高度。为了能直接读数，度盘上的30分的分度被编成度数（第Ⅲ卷，图342）。

虽然这些仪器在原理上并不比传统的象限仪和度盘复杂，但在制造这些仪器时却产生了新的问题，特别是在光学方面。即使到18世纪末，要制造一块完全平整的镜片也存在着极大的困难。

在制造八分仪和象限仪的机体时，长期以来一直使用着铁、黄铜和木材的组合，更多的努力被投入到照准仪及其固定方法，以及分度的刻度方法上。为了经久耐用，黄铜制造的分度板被固定在木制或铁制的度盘上，但最终发现这种材料的组合反而削弱了测量的精度，特别是由于它们之间存在膨胀上的差异。约到了1760年，这些半径达到了40—50厘米的仪器被浇铸成一体，半径的长度减少而圆弧的长度加大，60度的扇形被扩大到120度，仪器还被命名为六分仪（图版22B）。随着游标和调节丝杠的增加，这种水手们至今仍在使用着的形式很快就确定了下来。

所有这些小的制造问题是相对比较简单的，并且已经在其他关联的领域中被解决。但值得注意的是，六分仪的发明引发了以寻找大规模的生产方式为目的的系统研究，所有的工场采用了可以利用的最佳解决方法，而这些方法很快便成为标准方法。上面已经提到过，六分仪的工业化生产作为诱因，促使了刻线机的发明。

直到约1780年，象限仪仍然是大地测量学家最喜欢的仪器。1752年，德国天文几何学家梅耶（J.T.Mayer，1732—1762）设想用一只小的度盘重复测量同一角度多次，每次测量之间并不回复到零，由此因仪器缺陷而引起的误差可被观察的次数所平均。约1772年，航海家和天文学家博尔达（1733—1799）采用了梅耶的尚未被应用过的原理，同时稍微修改了这位德国天文学家的装置。他发明了一台被称为博尔达度盘的仪器［14］（图222），由法国工程师勒努瓦制造。约10年以后，勒努瓦又想出了把双望远镜复测盘用于地表观察。

图222　博尔达的反射度盘，由勒努瓦制造。

参见图329。

这种反射度盘之所以能很快得到采用，是因为勒努瓦（1744—1832）知道应当如何精确制造。这位工程师的技艺运用到了照准仪轴的转动及在照准仪内和度盘中心的定位上［15］。度盘本身是浇铸成一个整体的，度盘的分度由机器刻制，其他许多设计细节经深思熟虑后方才执行。

复测度盘的设计非常复杂。它被装在立于一块板上的圆锥形柱子上，板上装有夹紧螺丝、照准仪和游标，可以定向于任何方位。度盘的中心固定于与其平面垂直的圆柱轴上，这一轴线的另一端装有一个平衡重块，平衡着整个仪器。在它的中心通过另一根在轴尖上旋转的轴，轴的末端放在越过圆柱的垂直支架的两只分支上。这一根在它的轴尖上旋转的轴，可使度盘调整到从水平到垂直的任何倾斜位置上。度盘上有两只可相互独立移动的望远镜。度盘被分度成4000度，其读数由4只显微镜对准4只游标测得。

在精密机械的历史中，这两种仪器的发明和使用是值得注意的事件。事实上，勒努瓦的复测度盘是最早为大地测量学服务的新型仪器之一，比同时代的其他仪器效果都更好。随着与法国和英格兰的三角测量法（边码604）相结合，它的测量精度几乎可与伟大的英国工程师的杰作之一——拉姆斯登的经纬仪相媲美。这台仪器在梅尚（Méchain）和德朗布尔（Delambre）的操作中被采用，并在其原理的启发下，当时最杰出的仪器制造家——例如福廷、赖兴巴赫和后来的冈贝，分别制造了其他的三角测量学仪器。

第一台经纬仪约在16世纪中叶由迪格斯（Leonard Digges）描述过（第Ⅲ卷，边码541），但是直到18世纪末期，随着拉姆斯登宏伟工作的展开，他在1784—1790年间制造了两台大型经纬仪用于大不列颠的三角测量，这一类仪器才得到大量应用［16］。拉姆斯登的两台仪器之所以很有意义，是因为我们可以从中看到当时最优良的设计。

所有承受机械应力的部件都是平截头圆锥体（图223）。望远镜的托架包括两个平行的环，为保证支撑托架轴的撑脚架的稳定性，使用了两根贯穿的斜撑杆。经纬仪由天顶（纬）圈上的两只显微镜和方位圈上的四只显微镜读出读数，方位圈由切线螺杆操纵。这种仪器能够测得距离在10英里处的方位，精度约为1秒。

虽然随后就再没有制造过这种尺寸巨大的经纬仪，但是19世纪的优秀工程师们制造了许多类似形式的仪器模型。望远镜连同它的天顶圈通常利用一只撑脚立在固定于方位圈的铜柱上，而后者上面装有夹紧螺丝。这些都是把拉姆斯登的解决办法应用于小型仪器上。

图223　拉姆斯登的第一台大型经纬仪，1784年。

几何学家和测量员测量角度用的仪器，也得益于这一时代大地测量学仪器在光学和机械学方面所作出的改进，其中我们将只提一下半圆测角器，上面的观察照准仪很久以后被望远镜所替代。这一替代还包括半圆形度盘的带有游标的更精确的刻度，并使用了可作两种运动的切线螺杆。

物理学仪器　物理学仪器的改进以及它在数量和品种多样性方面的增加是由多种因素造成的。在此，我们先不管当时物理学实验室中装备的所有示范仪器，这些仪器是在18世纪的第一个25年间为说明牛顿物理学定律而构想出来的，它们被复制使用了超过一个世纪，而在机械上几乎无任何改进或获得过任何重大的实际效益。

但是，用于观测的仪器却并非如此，随着技术的进步，它们均获得了所有可能的改进。转向、调节、标尺的分度、游标和测微螺丝的引进等，都使得从1780—1840年的这一段时期中，每一种观测仪器都有了创新的构造。气压表、温度计、湿度计和显微镜，以及后来的偏振计、新出现的多种光学仪器、气压泵和电动机器等，也都同样如此。

这些设备在数量上的增加以及在设计和构造方面的改良，具有不容低估的重要性。通过这样两个例子，我们可以了解从18世纪中叶以来实验室研究是如何与仪器制造技术相互结合的。

第一个例子是精密天平的构造。秤的制造者掌握着一种古老的技艺。很早以前，相当灵敏和精确的天平就因金匠和货币交换者的需要而被制造出来。在实验室中，化验者最需要有好的天平，物理学家用比重天平确定固体的密度。不过，这些改进的仪器并不会对天平本身产生任何根本性的变化。部件的比例被缩小以制成分析天平，其中的横梁架在一根垂直棒顶端的支座上，有一个轴通过横梁的中心。但是，这种天平与其说是机械理论的成果，还不如说仅是一种铁制品。

悬挂的方式也得到了改进，但是进展非常缓慢。横梁的支点被更好地切制，而放置支点的支座则被镶上硬质钢的衬瓦，但是真正的刀口支座直到19世纪初期才被采用。秤盘的悬挂丝被加长以降低系统的重心，同时开始改用黄铜制造以消除大气中湿度变化造成的影响。一根在标尺前面移动的指针固定在天平横梁的中心。最后，将天平放置在起保护作用的玻璃罩内，并在天平上安装一个机构以约束秤盘的运动［17］。这样一台天平由钟表制造家加隆迪（Gallonde）为化学家鲁埃勒（Rouelle）在1760年前后制造（图224）。

图224　分析天平，约1760年由加隆迪制造。

几年以后，天平的结构经过了显著的修改，人们还对所有关于灵敏度和精确性方面的问题进行了仔细研究。第一台精密天平显然是由哈里森（1693—1776）于1770—1775年为卡文迪什（Cavendish）制造的［18］。他为保证横梁的刚性而将其制成三角形截面，并用固定在横梁两端带有可移动螺帽的螺纹棒来调节横梁重心的位置。这里还首次出现了三角形截面的刀口，并有一个机构可以在静止时升起横梁以使其与刀口脱开。

与此同时，有好几种这类设计由机械工程师梅格尼（1751？—1807）所使用，他为拉瓦锡制造了首批两台精密天平。梅格尼知道必须将横梁的中心刀口放置在位于一个坚固的圆柱顶上的硬质钢板上，当天平不用时由放置于圆柱内部的曲柄杠杆将横梁升起。这一系统比哈里森的天平更精巧也更完美［19］。

另外还有两台大型精密天平，一台由拉姆斯登约在1787年制成（图225），而另一台由福廷于1788年制成，被一直当作标准使用了超过20年之久。

拉姆斯登将横梁制成两个平截头圆锥体在基底部位相互连接的形式，如上所述，这是一种在刚性必不可少的场合所有部件均广泛采用的构造原则［20］。棱形截面的刀口放置在由黄铜框架支撑的玛瑙板上，而框架的支撑包括四根坚实地固定在底座上的小铜柱。

图225　拉姆斯登的精密天平，约1787年。

约1797年，特劳顿受拉姆斯登天平的启发制造了一台天平［21］，但是它们之间存在很大的差别，特劳顿的仪器则更为优越。虽然我们还可发现其横梁仍然是由两个平截头圆锥体在底部互相连接而成的，但支撑刀口和秤盘的装置却有不同的设计。此外，仪器的基座不再包括一个垂直的托架，而是一根直径较大的黄铜柱子（图226）。这种设计的优点是显而易见的。

在1788年福廷的天平中，横梁用可以绕刀口转动的高强度钢片制成［22］（图227），由一根坚固的黄铜柱支撑，淬硬的钢制刀口放置在不太硬的钢衬上，这样刀口不会磨损。在长达30年之久的时间里，福廷都在使用这类横梁和悬挂方式。他采用了不同的装置，以便在静止时升起横梁和放开刀口，每一种装置操作起来都比前一种设计更为简单和精确。与他的同行们一样，他使用了长的指针以得到更精确的读数，读数则由显微镜读出。非常奇怪的是，天平制造者们显然很快都放弃了使用显微镜，直到很久以后才重新开始使用。福廷制造了许多台天平。第一台是由拉瓦锡定制的，其他的由度量衡委员会订购。在巴黎造币厂，一位杰出的天平制造家福尔谢（Fourché）受福廷的设计启发也制造了许多台天平。

图226　特劳顿的精密天平，约1797年。

所有18世纪末的精密天平，设计的称量重量都在1千克数量级，精度约为1毫克。通常它们都有长的横梁和大的秤盘，由金属配件悬挂。为了满足政府的需要，像帕伦特（Parent）这样的天平制造者们继续制造大型精密天平，但是对于实验室来说，在瑞典化学家柏齐力乌斯（Berzelius，J.J.，1779—1848）证明少量天平更便于操作以后，天平的尺寸便被改小了。

图227　1788—1800年由福廷制造的精密天平。

冈贝和他同时代的工程师在1840—1850年间给精密天平设计了一个新式的外观［23］，横梁从那个时期起由黄铜制成，形状是可以在刀口上偏转的平的菱形。最后，在由科洛（Collot）于1815年制成的天平中，我们可以看见小的分数砝码或游码放置在天平的横梁上，由一只钩子通过外罩外面的一根带有滚花头的长棒来操纵。这一装置一直使用了很长一段时间，直到最近随着新式天平的出现才消失。

第二类在制造实验室设备时采用的部分精密机械，是为拉瓦锡制作的完全不同的另一类仪器，虽然在此不能对它们全部进行讨论，但仅仅提及被他称为“气量计”的两只大型气动钟罩的历史就够了。

可能是在1781—1782年的冬天，拉瓦锡有了第一台设计得非常简易的这类气动装置［24］。在一只锡制水箱的上面悬挂着另一只相似但稍小一些的箱子，它可以开口向下倒放进第一只水箱中，悬挂装置则是一根带有平衡重块且通过一只滑轮的绳索，另外还安装上喷嘴和龙头以使气体进出。这一装置并未显示出有任何特别的机械上的创新，但是不久以后拉瓦锡感觉到需要将它变成一种测量装置，可以很容易地增加差动气压计（事实上是压力计）和温度计，以测量其中包含的气体的物理状态。

然而，这种装置的悬挂系统还需要改善。默尼耶（Meusnier）这位工程官员和科学院的院士——他与拉瓦锡合作研究工业制备氢气——发明了第一台改善悬挂系统的装置，箱子通过不会伸长的链条——或者至少认为它不会伸长——悬挂在天平横梁末端。这一天平横梁的概念毫无疑问是借鉴于早期的纽可门蒸汽机。天平的每一只臂的末端制成圆弧形，上面支承着悬挂链条，如同当时灭火泵中的那样。其中的一只臂吊住气动箱，而另一只臂上吊有一只盘子，上面放有砝码以平衡箱子的重量。除此以外，还需补偿被悬挂着的箱子的向上推力的变化，这取决于箱子被浸没的程度。默尼耶用一只平行四边形框架成功地解决了这一问题，框架的形状可以通过一只螺丝来改变，从而也改变了系统重心的位置（图228）。1783年，梅格尼基于这一原理制造了两台此类装置。

两年以后，拉瓦锡又从同一工程师处订购了另外两台“气量计”并于1787年完成。特别令人感兴趣的是将这两台设备与前面那两台作比较，方形的箱子被有凸形底的圆柱形箱子所代替。但是，这一形式并未带来满意的结果，因为在使用时上面的钟罩会转动，同时也很难去除积聚于顶部的残留气体。除此以外，所有其他创新的设计似乎都非常明智。天平横梁的末端仍保留为同一个圆的两段圆弧，横梁由黄铜制成，其两臂都未经过切割，这样肯定可以保证它有更高精度的读数。对向上冲力的变化的补偿是通过一个在金属杆上移动的加负载黄铜球来实现的，这个金属杆被固定在天平横梁的中部并与之垂直。在金属杆的一边是一根齿条，而铜球上带有一个小齿轮，可以在一根头上滚花的圆棒的帮助下转动，这样铜球就可精密地移动。同样要注意的是架着横梁转轴的滚柱，这是借鉴于钟表匠的，他们在需要最精巧的机械运动构造时就用到这一结构。这个能给设备提供超高灵敏度的结构细节，使这种“气量计”成为一种优秀的精密仪器（图229）。

图228　拉瓦锡的第一台“气量计”。

由默尼耶设计，梅格尼制造。

图229　拉瓦锡的第二批“气量计”，由梅格尼制造。1787年。

这些设计即使不是最早的也是在最早的一批之列，从中可以体会到工程师们对于实验室研究所作贡献的价值和重要性。它们的突出特征在于，只有当工程师们开始发展能够使自己的工作达到前所未有的灵敏度和精确性的方法时才会出现。

从这一时期起，科学研究与应用机械学日益结合起来。拉瓦锡在水的组成方面的实验，导致基于上面所述的原理的装置被大量制造出来。在随后的几年中，勒菲弗—吉诺（Lefebvre-Gineau）在法兰西学院，范马伦（Van Marum）在哈勒姆的泰勒斯博物馆都制造了“气量计”。第一次尝试就产生了成果，新型的装置比拉瓦锡以前的那种更轻巧，也减少了过分讲究的结构。后来，研究工作者们经常要向工程师们提出请求，向他们提出更广泛的各式各样的问题。在这里，我们即便是概述一下他们进行合作的历史也不太可能。在强调了这一点以后，我们将只限于简单地回顾一下傅科（1819—1868）的工作，这些工作是在我们所述的这一时期的末期完成的。

傅科做了两个在历史上有重要意义的实验，即用摆锤和陀螺仪对地球的旋转进行物理演示，以及用旋转镜片的方法测量光的速度。这些实验的成功主要是由于精通此道的弗罗门特（Gustave Froment，1815—1865）制造出了傅科设计的装置。弗罗门特是巴黎高等工科学校的学生，也是19世纪中叶法国最优秀的精密机械工程师之一。那时，几乎所有的法国物理学家都将自己的实践成就归功于弗罗门特对应用力学的灵感和他的制造技能。从1840年起，他与迪穆兰（Dumoulin）合作，为他的公司赢得了极高的声誉。从1844年开始，他第一个用电动机来驱动刻线机。他不仅仅制造科学仪器，还有带拨号盘的电报设备（1843年）和休斯电报设备（1856年），这是在他伟大的具有历史意义的成就中必须要提到的。

这两个例子表明了当时精密工程学的应用范围。直到那个时候，虽然它满足了许多需求，但还是仅仅局限在一个相对有限的应用领域。工程学的成就在19世纪初仅达到了相对较低的精密度，不能认为镗制蒸汽机汽缸就代表了一种极高的精密度。但在几十年以后，情况就不再是这样了。机械装置的完善以及工业上电的应用，正在像电报装置这样的领域中，创造出新的快速发展的领域。

天文钟　由于摆锤和螺旋弹簧的使用，导致了钟表在机械装置方面的创新，使得钟表制造者和机械师们将更多的精力投入到航海用天文钟的制造上来。这一研究从其难度来看是非常有意义的，一位航海家如果不知道子午线零度处的时间，就不可能标出自己在海上的确切位置。因为不同的测量经度的天文学方法都只能得出不充分的结果，解决的办法包括设法制造一种非常准确的钟表，其运行不受船只运动的干扰。

惠更斯想到使钟摆的末端沿着一个摆线轨迹运动，以保证其摆动的等时性，而要补偿海上的运动，他提出了几种摆锤的悬挂方式。大多数在该时期或稍后研究这一问题的钟表制造者都试图用来自于胡克（Hooke）的双平衡轮，其思想为其中一只的不规则运动将被另一只所抵消。萨利（Henry Sully，1680—1728）可能是最后试图应用这种解决办法的人之一，但他的钟在海上试验时并未取得好的结果。与此同时，许多其他的研究都在进行着，其中包括一位法国人里瓦兹（de Rivaz）的工作，他采用了一只圆形平衡轮，固定于可在两个支持物间伸展的柔性钢制横梁的中心。

在不成功的例子中，最有意义的实验是由勒罗伊（Pierre Leroy，1717—1785）进行的，他在1748—1766年间一直致力于这一问题的研究［25］。在这一时期的开始，勒罗伊发明了一种新的擒纵机构，用在他制造的两台天文钟中。虽然设计非常灵巧，但由于制造非常困难，所以这一擒纵机构并未被其他钟表制造者所采用，但是它的原理——用擒纵机构让平衡轮在它的大部分运动时间中处于自由状态——是以后航海天文钟所采用的原理之一［26］。

勒罗伊也考虑过对平衡轮的热补偿。为此，他采用了事实上是两只细的弯曲温度计的装置，每一只中都装有水银和酒精，固定于平衡轮轴的两边，水银会在温度升高时被推向轮轴方向（图230）。最后，他采用两只沿相反方向绕制的螺旋弹簧，获得了摆动的等时性。从此，他对这类附属装置所应用的原理就被称为勒罗伊规则（Leroy rule）。

勒罗伊的两台天文钟在1767—1772年间的三次连续航行中所进行的海上试验，与稍早几年由英国的钟表匠哈里森所制作的最好的航海钟相比，都取得了极好的结果。然而，这时勒罗伊与他的竞争对手贝尔图（1727—1807）进行了长时期的争论，并决定从这一领域中退出，尽管他的工作若没有这一变故或许还会取得更大的成果。不过，这一事件仍然仅仅是一个对天文钟的历史并未造成影响的插曲。虽然勒罗伊首先清晰地阐述了以后的航海天文钟的制造原理，但是他采用的实际解决办法没有一件在以后被采用。

图230　勒罗伊的带有酒精—水银的热补偿的平衡轮。

英国的钟表匠哈里森（1693—1776）毫无疑问是第一位制造出可以满意地用在海上的计时工具的人［27］。早在1728年，他就向格雷厄姆提出了航海钟的研制计划，后者曾对他进行过鼓励并预付给他200英镑做进一步实验用。在此后的1735年，哈里森完成了他的第一台航海用天文钟，经过海上试验并取得了良好的结果，这已足够证明可向其制造者提供更多的财政资助。哈里森随后开始了他的第二号天文钟的制造，但他并未将其付诸试验，便已声称开始根据不同的原理制造他的第三号天文钟，该天文钟于1757年完成。最后，第四号天文钟在1759年完成［28］，只有这最后一台在海上进行了试验。英格兰负责这一事务的权威单位（经度委员会）要求进行多次试验，并让钟表匠肯德尔（Larcum Kendall，1721—1795）制造了一台哈里森的第四号天文钟的复制品。试验时，得出的结果与原始钟的结果一样令人满意。但是，直到1772年哈里森才获得了由经度委员会从1714年就已提出的针对能用于在海上测定经度并且精度在半度以内的第一台航海天文钟的全部2万英镑奖金（第Ⅲ卷，边码557、边码672）。

通过哈里森的工作，可以清楚地看出他对机械设计的掌握。作为木匠的儿子，他开始时制造的是木制钟，很长一段时期都用木材制作他的天文钟的某些部件，目的是为了避免使用润滑油。但是，他的第四号天文钟全部是用金属制成的。在他最早的两台天文钟中，他应用了一种双直线天平，安装在配重轴上并由摆线作导引（图231），还在第一台钟上有一个热膨胀的双金属补偿装置。哈里森进行了长时期研究以完善这一装置，这种装置现仍被称为哈里森格栅。一号天文钟的三只格栅有代替钢挡块的作用，因此可引起平衡轮上的螺旋弹簧的张力变化。在第二号天文钟中，这一系统又被简化。

图231　哈里森的天文钟局部。

根据一份原始手稿，图中示有栅形补偿摆和直线形补偿器。

在制造第三号和第四号天文钟时，哈里森作了很多改进。最重要的是放弃了直线型平衡装置而采用平衡轮，并用一种双金属带代替格栅。这种双金属带装置以更简单和更精巧的方法，确保了螺旋弹簧摆动的热补偿。

哈里森还发明了一种特殊的“蚱蜢”擒纵机构（图232和第Ⅲ卷的图411）和一种原创的装置以保证两个平衡轮的等时性，他采用了滚柱轴承以消除摩擦和满足加润滑油的需要。他在自己的机械装置中引进了一定的复杂机构，例如保证对擒纵机构的驱动力实际上恒定的上发条机构和一只在天文钟上紧发条时保持其运动状态的弹簧。

图232　哈里森的天文钟部件。

摘自原始手稿，图中示有滚柱小齿轮、伞齿轮擒纵机构以及平衡轮的导向装置。

这些发明大部分出现在哈里森的第四个也就是最后一个设计方案，即第四号天文钟之中。这台天文钟与前面的一台完全不同，尺寸显著地缩小，几乎像一块表。哈里森放弃了双平衡轮原理和滚柱的使用，但仍用摆线来校正平衡的运动，另外还发明了一种带金刚石棘爪的新型擒纵装置。经过长距离航行的测试，包括两次航行到牙买加，第四号天文钟始终显示出包括计算经度时的误差在内的偏差，小于经度委员会制定的最大不得超过半度偏差才能获得全额奖励的规定。

当哈里森已取得显著成绩时，瑞士钟表匠贝尔图才开始自己的研究，这主要是在1760年到1768年间进行的。实际上，贝尔图的进展比他的英国同行更快。当他开始致力于解决航海天文钟的问题时，他就已经是一位技术熟练的钟表匠，可以更直接地着手进行优秀的机械设计，不像哈里森那样需要边工作边接受训练。虽然他在工作中思考的问题比哈里森要少，但是更为广泛的实际制钟经验引领着他的工作。与哈里森和勒鲁伊一样，贝尔图的工作显示出杰出的实际工作能力。

由贝尔图制造的部件范围很广［29］，但是在这段研究过程中制造的完整的天文钟仅仅是7台或8台。他的第一号钟造于1760年，接着在1763年造了第二号。这两台仪器非常庞大，虽然第二号明显小于第一号。在这两台钟中，贝尔图装了两只沿相反方向摆动的圆形平衡轮，并通过一只齿轮将它们相互连接起来，平衡轮的轴被支撑在滚柱轴承上。一只自从有哈里森的发明以来已被钟表匠们广泛采用的双金属格栅，补偿了由于温度变化而引起的螺旋弹簧长度的变化。在第二号天文钟中，擒纵机构制造得更加复杂，贝尔图在其中引入了一种均匀上发条机构。必须指出的是，他开始时使用了一个装有均力圆锥轮的弹簧卷筒作为动力源，这一装置直到现在仍用于制造航海天文钟，但是他自己却几乎立刻就将它放弃了。贝尔图在1763年又制造了一只航海钟（第三号），他采用了作温度补偿的双金属带和一只单平衡轮。

保留了由金属丝悬挂和滚柱导向的单平衡轮，贝尔图重新采用格栅方法作补偿来制造后面的钟，其中的第六号和第八号（1767年）确保了他的成功。这一系列钟的动力来自于放置在垂直的金属板上能沿三根黄铜柱下降的重块，一只带有红宝石圆柱的擒纵装置代替了以前所用的擒纵装置，而且所有的部件都比较紧凑。机械装置在格栅的上部，其整体占据着钟的顶部，被封装在一根长的玻璃圆柱内。引导着重块下降的三根黄铜柱占据了玻璃圆柱的几乎整个高度，水平的钟面遮盖着玻璃盒子。六号钟和八号钟于1768年和1769年在海上测试，结果显示它们的工作误差在每日5—20秒的数量级之内。

我们知道哈里森仅仅制造了5台天文钟，直到一个相当发达的时代才达到了他的目标。相反，贝尔图能持续工作长达30年，而且给了航海天文钟实际的新形式。他放弃了平衡轮的滚柱悬置，而采用了轴尖悬置。他回到了用双金属带作为补偿以消除使用格栅的烦琐，并采用了通过四块小的重块作补偿的平衡轮，其中两块是固定的，而另外两块由双金属带携带着根据温度的变化作朝向或离开心轴的运动（图233）。最后，他几乎是决定性地回到了使用发条驱动。

图233　贝尔图的补偿平衡轮。

（Mr）可调节的滑块；
（Mc）附着于双金属带B的滑块。

贝尔图的侄子皮埃尔—路易·贝尔图（Pierre-Louis Berthoud，1754—1813）继承了他叔叔的工作成为一名航海钟制作者，并在法国将航海钟的制造开始推向工业化。经政府批准他收了四个弟子——莫特尔（Motel）、甘内莱（Gannery）、雅各布（Jacob）和杜马（Dumas），他们先后与布雷盖（Bréguet）合作，在19世纪的上半叶制造类似的产品。

在同一时期，几个英国的钟表匠也完成了同样的任务，其中有马奇（Thomas Mudge，1715—1794）、阿诺德（John Arnold，1736—1799）和厄恩肖（Thomas Earnshaw，1749—1829）。他们致力于简化天文钟的构造并设计出更有效的部件，后面两位的工作主要集中于制造补偿平衡轮和棘爪擒纵装置。他们每人发明了一种自由式的擒纵装置，并作了各不相同的改进。由于设计的简单性以及作用的规律性，厄恩肖的模型最终被采用（图234）。阿诺德为他的部件研究并推荐了一种特定的螺旋弹簧形式，以保证摆动的等时性。他的工作为菲利普斯（Edouard Phillips）的工作铺平了道路，后者于1861年发表了他关于螺旋弹簧端圈的研究报告。这一法国数学家的著名论文以及后来的瑞士人纪尧姆（Ch.-E.Guillaume）的发明，是19世纪初期的钟表匠们在航海天文钟方面留给他们的继承者去发现的仅有的两项改进。总的来说，航海天文钟的完善建立在1730年到1820年间相对少数几个人的智慧和技能上。

图234　厄恩肖的自由式棘爪擒纵装置。

（P1）携带着撞击杆dl的凹口板；
（P2）承载着平衡轮的轴和制动爪d2的板；
（E）擒纵轮，它的一只齿与棘爪D的挡爪r相啮合；
（rd）棘爪弹簧。

13.2 仪器的制造

13.2　仪器的制造