| 約翰·哈里森，1693年出生于約克郡（Yorkshire）拉格比（Wragby）教區(qū)的福爾比（Foulby）。他的父親受雇于一個(gè)大地主羅伯特·溫爵士（Sir Robert Winn），從事木工工作。他是五個(gè)孩子中的長(zhǎng)子，自然而然地注定要和父親一起在諾斯特修道院（Nostel Priory）的溫家莊園工作。當(dāng)約翰六七歲的時(shí)候，全家搬到了林肯郡（Lincolnshire）亨伯河北岸的巴羅，也就是在那里，他開始在他父親的工場(chǎng)里接受訓(xùn)練。我們不清楚小約翰是如何接受教育的，但我們確知，當(dāng)?shù)氐囊晃荒翈燂@然發(fā)現(xiàn)了這個(gè)男孩的數(shù)學(xué)天賦，并把劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)家桑德森（Nicholas Saunderson）主辦的一系列自然哲學(xué)講座的抄本借給了他。哈里森自己復(fù)制了這份抄本，我們可以從他豐富的筆記中看出，他花了很多年來(lái)理解力學(xué)原理，包括牛頓的運(yùn)動(dòng)定律。他興趣廣泛，包括音樂(lè)；他演奏維奧爾琴，并對(duì)教堂鐘的調(diào)音產(chǎn)生了濃厚的興趣。他的數(shù)學(xué)天賦使他對(duì)音階理論產(chǎn)生了興趣，后來(lái)他發(fā)表了自己的音階理論。 
哈里森對(duì)時(shí)鐘的興趣從何而來(lái)一直是個(gè)謎；我們知道他所在的地方并沒(méi)有鐘匠，但也許是他對(duì)力學(xué)的研究引導(dǎo)他走向了那個(gè)方向。我們只知道他在1713年建造了第一座鐘，那時(shí)他還不到20歲。這座鐘仍然保留著，可以在倫敦市政廳（London Guildhall）的鐘匠公會(huì)博物館里看到。
這座鐘的設(shè)計(jì)很普通，特別之處在于大部分齒輪的結(jié)構(gòu)，這些齒輪是用他最熟悉的材料——木頭制成。齒輪材質(zhì)大部分為橡木和黃楊木，外圍為橡木齒，木頭紋理的走向以提供最大的強(qiáng)度為原則。他還使用了愈瘡木，一種天然油性的熱帶硬木；這些齒輪沒(méi)有磨損，證明了他精湛技藝的質(zhì)量。在接下來(lái)的四年里，兩座類似的鐘被制造出來(lái)；它們的機(jī)芯被保存下來(lái)，一個(gè)在倫敦科學(xué)博物館展出，另一個(gè)在諾斯泰爾修道院。這組時(shí)鐘里最后一臺(tái)的鐘門后貼著一份有趣的記錄，那是哈里森自己的時(shí)差表（Equation of time），他在上面標(biāo)注，“巴羅緯度53度18分，太陽(yáng)升起和落下的時(shí)間表格，如果你的時(shí)鐘準(zhǔn)確的話，差異應(yīng)該是在這范圍之內(nèi)。哈里森似乎是根據(jù)自己的觀察和計(jì)算得出了這份表格。
由于沒(méi)有受到其他鐘匠的影響，這確實(shí)有助于哈里森的獨(dú)創(chuàng)能力，他很快發(fā)現(xiàn)了需要克服的問(wèn)題，并設(shè)計(jì)出自己的解決方案。他作為鐘匠的能力得到了查爾斯·佩勒姆爵士（Sir Charles Pelham）的注意，他在1720年委托哈里森在巴羅（Barrow）以南幾英里的布羅克斯比公園（Brocklesby Park），為他的新馬廄建造一座塔鐘。這座非凡的塔鐘，同樣主要由木頭制成，有著無(wú)油運(yùn)轉(zhuǎn)的巨大優(yōu)勢(shì)。很明顯，哈里森發(fā)現(xiàn)了制造精確計(jì)時(shí)器的一個(gè)主要缺點(diǎn)——潤(rùn)滑問(wèn)題。那個(gè)時(shí)期的原始油脂是由動(dòng)物脂肪制成的，很快就會(huì)變成了一團(tuán)粘稠的東西，令工作部件不再順滑運(yùn)轉(zhuǎn)，影響走時(shí)準(zhǔn)確。他還避免使用易生銹的鋼鐵，而在需要金屬的地方使用黃銅。時(shí)鐘于1722年完成，除了在1884年進(jìn)行了短暫的翻新外，至今一直運(yùn)轉(zhuǎn)。
來(lái)自一臺(tái)哈里森時(shí)鐘里的齒輪
在1720年代中期，哈里森是否有意致力于建造一個(gè)航海計(jì)時(shí)器？他一定知道這個(gè)大獎(jiǎng)（以如今的價(jià)值計(jì)算大約有200萬(wàn)英鎊），并且顯然對(duì)自己的能力很有信心。是在什么時(shí)候，他決定參加比賽，爭(zhēng)奪獎(jiǎng)項(xiàng)，我們不知道。在建造一個(gè)精確航海計(jì)時(shí)器之前，按道理會(huì)先去建造一個(gè)非常精確的固定時(shí)鐘，準(zhǔn)確度超過(guò)當(dāng)時(shí)最好的擺鐘，每天能精確到幾秒鐘。他就是這樣去做的。從1725年開始的兩年多時(shí)間里，在他的弟弟詹姆斯（James，另一位精湛的工匠）的幫助下，他制造了三臺(tái)非凡的落地鐘。這些“校準(zhǔn)鐘（Regulator）”（為精確走時(shí)而制造的時(shí)鐘）相當(dāng)有創(chuàng)意；相對(duì)于倫敦的鐘表同行，包括其中最偉大的，也在開發(fā)精密校準(zhǔn)鐘的喬治·格雷厄姆，哈里森走了不同的方向。這些時(shí)鐘又一次使用了哈里森先進(jìn)的木材技術(shù)，來(lái)消除對(duì)潤(rùn)滑的需要。他還盡可能地減少摩擦，他意識(shí)到這是早期計(jì)時(shí)器的缺點(diǎn)之一。時(shí)鐘的齒輪組把能量從動(dòng)力源———一個(gè)下落的重錘——傳輸?shù)角芸v機(jī)構(gòu)，使鐘擺產(chǎn)生有規(guī)律的脈沖。摩擦，特別是在齒輪軸承，會(huì)消耗能量，導(dǎo)致不均勻的功率輸出，以及對(duì)鐘擺不均勻的脈沖。哈里森發(fā)明了一種新型軸承（現(xiàn)代機(jī)械中滾柱軸承的前身），他時(shí)鐘里的齒輪在這些軸承中的轉(zhuǎn)動(dòng)幾乎沒(méi)有任何阻力。為了減少時(shí)鐘齒輪的摩擦，哈里森發(fā)明了一種新型軸承，這種軸承是大多數(shù)現(xiàn)代機(jī)械中使用的滾珠軸承和滾柱軸承的先驅(qū)。齒輪軸由四個(gè)滾柱支撐，在外籠內(nèi)的一個(gè)框架上旋轉(zhuǎn)。齒軸和滾柱接觸產(chǎn)生的摩擦很小，就省去了對(duì)潤(rùn)滑油的需要。
哈里森的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)計(jì)的時(shí)間控制器就是鐘擺，鐘擺理論最早由伽利略提出，并在17世紀(jì)中葉由惠更斯（Huygens）實(shí)現(xiàn)在時(shí)鐘上，早期的鐘擺很短，擺動(dòng)弧度為20 °到30 °；到17世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)擺每秒擺動(dòng)一次的擺動(dòng)角度小于5 ° ，計(jì)時(shí)效果更好。倫敦鐘匠擅長(zhǎng)生產(chǎn)美觀的落地鐘，每天的時(shí)間能精確到幾秒鐘。然而，哈里森一直在追求每月幾秒鐘的高準(zhǔn)確性，需要對(duì)當(dāng)時(shí)最好的時(shí)鐘進(jìn)行根本性的改進(jìn)。為了達(dá)到高精度，鐘擺需要一個(gè)非常穩(wěn)定的脈沖，這樣才能在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持?jǐn)[動(dòng)弧度不變。 |
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