"Гринвичское время и открытие долготы" - читать интересную книгу автора (Хауз Дерек)
Приложения
Разность долгот любых пунктов на земной поверхности точно равняется разности значений местного времени в этих пунктах. Эта устойчивая связь и заставила нас дать книге, повествующей главным образом о времени, подзаголовок «определение долготы». Более того, до недавних пор многие из самых важных открытий, связанных с измерением времени, своим появлением были обязаны необходимости определять долготу в открытом море. Цель этого приложения, которое рекомендуется читать вместе с гл. 1, рассказывающей об истории вопроса, - наглядно показать эту связь времени и долготы.
В первой главе мы говорили о том, что географическое местонахождение характеризовалось широтой и долготой, по крайней мере, со времен Птолемея, жившего во II в. н.э. Определять широту люди умели еще в древние времена путем проведения определенных измерений высоты Солнца в полдень. Сначала с этой целью измеряли тень от гномона известной высоты, в дальнейшем применяли более сложные инструменты, используемые поначалу на суше, а с XV в. и в открытом море. Широту можно найти также, измеряя высоту Полярной звезды над горизонтом с учетом того, что эта звезда находится не точно в северном полюсе небесной сферы (который в северных широтах расположен выше горизонта на величину, точно равную искомой широте).
Практический метод определения долготы, однако, был найден всего лишь несколько столетий назад. Тем не менее теоретическое решение этой задачи довольно просто и было известно еще Гиппарху. Когда Солнце проходит через ваш меридиан над горизонтом, т.е. для вас - допустим, вы находитесь в пункте G, - наступает полдень, то для человека, находящегося в пункте А, отстоящего на 90° к западу от G, будет только 6 ч утра (в дни равноденствия это - восход Солнца), а для того, кто находится в пункте В, на 45° западнее G, будет 9 ч утра. Соответственно в пункте С, отстоящем на 45° к востоку, будет 15 ч, а в пункте D, расположенном на 90е к востоку, - 18 ч. Часом позже в G будет 13ч, в А - 7 ч, в В - 10 ч, в С - 16 ч и в D - 19 ч. Несмотря на то что время изменяется, разности значений времени остаются теми же и определяются разностями долгот в этих точках. Очевидно, Гиппарх выражал разность долгот в единицах времени, т.е. в количестве часов к востоку или западу; сегодня мы выражаем эту разность в единицах дуги, т. е. в определенном количестве угловых градусов, минут и секунд к западу или востоку. Время и градусы дуги в нашей книге полностью взаимосвязаны: 24 ч соответствует 360°, 12 ч - 180°, 1 ч - 15° и 4 мин - Г. Поэтому, если вы знаете, что у вас сейчас 9 ч, а у человека, находящегося в пункте Е, только 7 ч, значит, разность между этими точками будет 2 ч, или 30°, а так как в Е более ранний час, чем в G (и так как Солнце движется с востока на запад), это означает, что точка Е находится западнее G на 30°.
Но каким образом человек, находящийся в G, узнает время, скажем, в пункте Е, расположенном более чем за тысячу километров к западу от него. Для этого можно, например, перевезти из одного пункта в другой какой-либо хранитель времени, но этот метод получил распространение лишь в XVIII в. Другой метод заключается в регистрации момента наступления какого-нибудь явления, которое можно видеть из обоих пунктов одновременно и, сравнивая значения времени, зарегистрированные в двух пунктах, определить разность долгот. Тонкость этого способа заключается в том, что момент, в который должно произойти явление в некотором выбранном месте (скажем, в Гринвиче), должен быть предсказан; тогда разность долгот можно найти непосредственно, измеряя только местное время наблюдаемого явления и не ожидая сравнения точно измеренных значений времени в двух пунктах.
Как мы уже видели ранее, Гиппарх предложил использовать в качестве наблюдаемого явления затмения Луны. В это время Солнце, Земля и Луна располагаются точно на одной прямой, а тень Земли пересекает лунную поверхность, причем это явление наблюдается точно в один и тот же момент в любой точке на поверхности Земли. Птолемей рекомендовал этот метод для определения долготы на суше (хотя он привел только один пример такого определения), но не указал, каким образом можно определить местное время наблюдаемого явления. В это время Солнце должно быть ниже горизонта, поэтому нельзя непосредственно применить солнечные часы; необходимы другие хранители времени - такие, как водяные или песочные часы. Что при этом имел в виду Птоломей, остается загадкой. Считал ли он, что для этого нужно было воспользоваться положением звезд или измерением позиционного угла Большой или Малой Медведицы по отношению к Полярной звезде (что делалось при помощи пассажного инструмента, изобретенного более тысячи лет назад), или измерением высоты и определением времени с помощью некой плоскосферической астролябии, или использованием тени полной Луны так, чтобы в середине затмения Луна находилась точно против Солнца? Испанцы в 1582 г. для определения долготы в Вест-Индии предлагали устанавливать на суше вертикальный гномон высотой в треть ядра (~ 0,3 м); длина его тени от Солнца, когда накануне лунного затмения (или днем позже) она оказывается самой короткой, даст широту, а направление и длина лунной тени в начале или конце затмения укажет (после сложных расчетов, которые обычно выполнялись уже по возвращении в Испанию) долготу. Сохранилось несколько отчетов, содержащих результаты, полученные с помощью этого элегантного метода, примененного при наблюдении затмений 1584 г. Так, расчетное положение Каза Риал в Мехико получилось всего лишь на 21 км южнее и на 23 км западнее истинного-замечательный результат, даже если принять в расчет большой элемент случайности [1].
В истории определения долготы не происходило ничего примечательного вплоть до 1514 г., когда, как мы уже видели в гл. 1, Иоганн Вернер описал метод лунных расстояний, который впервые породил надежду, что удастся определить долготу в море. В течение месяца Луна совершает один полный оборот вокруг Земли с запада на восток - в направлении, противоположном движению звезд. Она проходит приблизительно 0,5°, или путь, равный ее диаметру, за 1 ч. Это относительно быстрое движение Луны и навело Вернера на мысль использовать Луну как гигантские небесные часы, где сама Луна будет служить часовой стрелкой, а зодиакальные звезды-цифрами циферблата. Наблюдатель, находящийся на Земле, каждую ночь видит, как звезды движутся по небесному своду с востока на запад со скоростью более чем 15° в час, тогда как Луна за то же время проходит около 14,5°. Таким образом, Луна отстает от звезд на 0,5° в час, поэтому зодиакальная звезда, опережающая Луну, скажем, на 40° в 22.00, в полночь будет находиться впереди нее на 41° (так как Луна пройдет за это время 29°, а звезда 30°). Вернер предположил, что в определенный момент «лунное расстояние» между зодиакальной звездой и Луной должно быть одинаковым для любого наблюдателя, в какой бы географической точке он ни находился, поэтому изменение лунного расстояния можно использовать для измерения времени на некотором данном, меридиане (впредь мы будем принимать за него, например, гринвичский). Этим же методом можно воспользоваться и для определения долготы, сравнивая предсказанные расстояния Луны по отношению к звездам, и действительные расстояния, измеренные навигатором с необходимой степенью точности.
Предположение Вернера о том, что положение Луны на небе не зависит от географического положения наблюдателя, ошибочно. Штурману обычно приходилось прибегать к довольно утомительным арифметическим вычислениям, чтобы учесть параллакс и различные рефракционные эффекты, влияющие на видимые положения двух небесных тел, имеющих разные высоты. Теоретически метод Вернера был обоснован, хотя для выполнения практической работы требовались следующие условия: знание точных положений звезд относительно друг друга; возможность заранее предсказывать положение Луны по отношению к звездам (эти предсказанные положения штурман должен иметь перед отправлением в плавание, которое может продолжаться несколько лет), а также инструмент для проведения наблюдений с требуемой степенью точности. Прошло 250 лет, прежде чем эти требования удалось удовлетворить.
Возможность практического применения метода лунных расстояний была получена в 1760-х гг., когда с публикацией «Морского альманаха» было обеспечено выполнение первых двух условий. В альманахе приводились таблицы расстояний от Луны до Солнца и некоторых зодиакальных звезд на каждые три часа для всего года. Третье условие было выполнено с изобретением секстанта. Короче говоря, при использовании метода лунных расстояний было необходимо произвести три одновременных или почти одновременных наблюдения: углового расстояния между Луной и звездой или Солнцем, высоты Луны и высоты звезды или Солнца; время при этом должно было отсчитываться по самым совершенным из имевшихся в то время часам. Этот метод успешно мог применяться при полностью видимом горизонте (в дневное время или в сумерки), но это условие было не столь существенно, так как при наблюдениях высот не требовалась слишком высокая точность - достаточно было просто хоть как-то видеть горизонт. Наблюдения и обработка результатов производились следующим образом.
А. Определение местного времени в наблюдательном пункте путем измерения высоты Солнца или звезды, лучше всего в тот же самый момент, когда измерялось лунное расстояние. Если же горизонт был закрыт, можно было воспользоваться значением высоты, определенной накануне вечером или на следующее утро, учитывая при этом сдвиг во времени. Местное время относительно просто определялось путем расчетов с применением сферической тригонометрии.
Б. Определение лунного расстояния с учетом эффектов параллакса и рефракции. Для этого существовали таблицы, но вычисления были довольно трудоемкими. В результате получали исправленное расстояние между центром Луны и центром Солнца или звезды, такое, каким его можно было бы видеть из центра Земли. Для получения этих данных и были составлены таблицы «Морского альманаха».
В. Определение гринвичского времени из наблюдений. С помощью таблиц альманаха производилась интерполяция исправленного лунного расстояния, полученного на этапе Б. Так, примерно в 04.30 астрономического времени (16.30 гражданского) 4 октября 1772 г. Уильям Уэйлс, астроном, принимавший участие в экспедиции капитана Кука по Южной Атлантике на корабле «Резолюшн», произвел по пути от Плимута к мысу Доброй Надежды четыре последовательных измерения лунных расстояний. Он наблюдал лимбы (края) Солнца и Луны и после усреднения отсчетов получил лунное расстояние 102° 26'55". Исправленное лунное расстояние (этап Б) равнялось 102°36'08". Затем после интерполирования по «Морскому альманаху», где были приведены данные для 6 и 9 ч (для Солнца на 4 октября, см. рис. 17) было определено гринвичское время наблюде-ния-6 ч 23 мин 39 с (См. статьи Комитета долготы (RGO MSS), vol. 53, f. 46, где приведены эти и другие наблюдения лунных расстояний Уэйлса за 1772 г. Описание дано в книге в виде рукописи, отпечатанной шрифтом, предложенным Маскелайном).
Г. Определение долготы по разности местного времени, найденного на этапе А, и гринвичского времени, найденного на этапе В. Таким образом, для нашего случая получаем:
 |
что соответствует 29° 11' з. д.
(Чтобы определить, получилась ли при этом восточная или западная долгота, можно воспользоваться следующим указанием: «восточная долгота-если гринвичское время меньше; западная долгота - если гринвичское время больше». Пример воспроизведен с полной числовой точностью, но ошибка измерения лунного расстояния в 10" соответствует ошибке около 5' в долготе.)
Изобретение телескопа в самом начале XVII в. позволило обнаружить четыре ярких спутника Юпитера. Подобно нашей Луне они при вхождении в тень планеты периодически затмевались. Галилей заметил, что если бы эти затмения можно было заранее предсказывать и точно отмечать их время, то они могли бы использоваться для определения долготы таким же образом, как это делается по затмениям Луны. Этот метод имеет дополнительное преимущество, поскольку затмения спутников Юпитера происходят гораздо чаще, а время наблюдения их много короче. Указанный метод стал интенсивно применяться для наблюдений на суше, но не нашел применения в море из-за трудностей наблюдения. В «Морском альманахе» приводились таблицы с предвычисленными моментами затмений спутников Юпитера.
Этот метод, как уже отмечалось в гл. 3, стал практически возможен во второй половине XVIII в. По своему основному принципу он аналогичен методу лунных расстояний, за исключением того, что при хронометрическом методе для определения местного времени в наблюдательном пункте необходимо измерять только одну высоту небесного тела, что значительно упрощает процесс вычислений и одновременно увеличивает точность.
Для астрономических целей основным является определение точного момента среднего полудня, т.е. того момента, когда среднее солнце находится в самой высокой точке небесной сферы, или кульминирует. В этот момент оно, будучи над горизонтом, пересекает меридиан наблюдателя. Интервал между двумя последовательными прохождениями средним солнцем одного и того же меридиана-это и есть средние солнечные сутки, которые можно поделить на часы, минуты и секунды с помощью какого-либо хранителя времени, например солнечных или механических часов. Среднее солнце - это фиктивное тело, принятое астрономами еще в эллинские времена, когда стало ясно, что Солнце не является совершенным хранителем времени, так как иногда оно движется немного быстрее, иногда - медленнее. Конечно, до того как были изготовлены точные часы - а это произошло всего несколько сотен лет назад, - понятие среднего солнечного времени интересовало только астрономов. В повседневной жизни пользовались истинным Солнцем - его восходом, кульминацией, заходом, - которое определяло время суток, и применяли солнечные часы, показывающие истинное солнечное время.
В этом приложении мы рассматриваем астрономические методы и поэтому будем пользоваться понятием не истинного, а среднего времени. Будучи фиктивной точкой, среднее солнце движется по небесному экватору с постоянной скоростью (тогда как истинное солнце на протяжении года движется по эклиптике неравномерно); момент среднего полудня не может быть определен непосредственно, а только путем наблюдений некоторого реального тела, в качестве которого с древних времен использовалось истинное Солнце. Момент среднего полудня можно получить с помощью уравнения времени (см. рис. 10), выражающего разность между средним и истинным солнечным временем на любой момент. Величина уравнения времени меняется в течение года в зависимости от уклонения Солнца на север или юг от небесного экватора и от расстояния между Солнцем и Землей в определенный день года. Каждый год 4 ноября, например, истинное Солнце пересекает меридиан приблизительно на 16 мин раньше наступления полудня, тогда как 2 сентября уравнение времени равняется нулю, т.е. среднее и истинное времена совпадают.
Однако использование истинного Солнца для определения точного времени затруднительно, так как провести непосредственное наблюдение Солнца нелегко и, кроме того, именно в нужный момент оно может быть закрыто облаками. Поэтому астрономы редко используют Солнце для определения времени, предпочитая вместо него наблюдать яркие звезды, положения которых известны с высокой точностью. Из наблюдений любой звезды получают звездное время, от которого всегда можно перейти к среднему солнечному времени. Положение звезды, видимой наблюдателем как точечный источник света, может быть определено очень точно. Благодаря существованию множества звезд облачная погода в гораздо меньшей степени влияет на их наблюдения, а общая точность определения времени увеличивается, поскольку за одну ночь можно наблюдать десяток и более звезд (наиболее яркие звезды с успехом можно наблюдать и в дневное время), тогда как за один день обычно невозможно провести более одного наблюдения Солнца для определения времени.
В те годы, когда была основана Гринвичская обсерватория, для определения времени обычно использовался метод двойных или равных высот. Этот метод не следует путать с появившимся позднее методом, предложенным Гауссом, который иногда называют его именем. В методе двойных высот астроном, применяя подвижный квадрант, установленный на вертикальной оси, определяет высоту Солнца приблизительно за час до полудня, когда она увеличивается, и замечает время по выверенным часам. Затем через такой же интервал после полудня, когда Солнце уже пересечет меридиан и его высота уменьшается, астроном отмечает точное время момента, когда Солнце достигает той же высоты, что и в первом, предполуденном наблюдении. Применяя небольшую коррекцию, учитывающую разницу в солнечных склонениях между двумя наблюдениями, и взяв среднее из двух отмеченных моментов, наблюдатель получает момент истинного полудня. Чтобы затем получить момент среднего полудня, надо воспользоваться уравнением времени на этот день. Этим методом пользовались в Гринвиче в период 1675-1725 гг., применяя для наблюдений разнообразные квадранты, установленные в Главном зале обсерватории.
Честь изобретения пассажного инструмента, разновидности которого использовались в Гринвичской обсерватории с 1721 по 1957 г., принадлежит Оле Рёмеру, датскому астроному, который впервые применил этот инструмент в Копенгагене в 1689 г. В Англии пассажный инструмент впервые применил Эдмунд Галлей в 1721 г. Этот инструмент и до сих пор можно увидеть в Гринвиче. Простой пассажный инструмент состоит из телескопа, укрепленного под прямым углом к горизонтальной оси, которая может свободно вращаться на опорах, расположенных на двух столбах
а) ошибка азимута, обусловленная тем, что опоры, на которых лежит ось, расположены не точно по прямой линии, проходящей с востока на запад; направление проверяется с помощью наблюдения азимутальной метки, установленной точно в плоскости меридиана на расстоянии порядка километра от инструмента (или с помощью наблюдений близкополюсных звезд); ошибка может быть исправлена небольшим смещением одной из опор;
б) ошибка уровня, связанная с тем, что опоры не точно располагаются в горизонтальной плоскости; проверка производится с помощью пузырькового уровня или наблюдением (глядя вертикально вниз в чашу со ртутью) надира, а коррекция осуществляется приподниманием или опусканием одной из опор;
в) коллимационная ошибка, возникающая вследствие того, что ось телескопа закреплена не точно под прямым углом к горизонтальной оси вращения; ошибка устраняется перекладкой телескопа во время наблюдения, т.е. поворотом инструмента вокруг вертикальной оси на 180° и последующим усреднением результатов наблюдений до и после перекладки.
Простой пассажный инструмент применялся для определения времени в Гринвиче с 1721 г. по 1850 г. [1]. Следует помнить, что пассажный инструмент (и его усовершенствованная разновидность - меридианный круг) очень интенсивно использовался и для решения обратной задачи - определения прямых восхождений звезд.
Меридианный круг Эри (оптическая ось которого задавала всемирный нулевой меридиан), позволявший измерять с равным успехом как склонения, так и прямые восхождения, применялся для определения времени в период 1851-1927 гг. Время прохождения звезды с 1854 г. автоматически регистрировалось хронографом, а в последующие годы были осуществлены и многие другие усовершенствования этого инструмента. Однако увеличение точности хранения времени с изобретением часов со свободным маятником предъявило соответствующие требования к увеличению точности определения времени. Меридианный круг Эри весил почти две тысячи фунтов, что не позволяло перекладывать его достаточно быстро. Поэтому с 1927 г. определение времени (но не измерение положений) в Гринвиче (а также в Абинжере, Эдинбурге и Хёрстмонсо - во время и после второй мировой войны) успешно производилось с помощью небольшого перекладывающегося пассажного инструмента (труба телескопа была длиной около трех футов), имеющего специальные подставки, которые позволяли перекладывать телескоп во время наблюдений для исключений коллимационной ошибки.
Но, как мы уже видели, увеличение точности хранения времени в 1940-х гг. с изобретением кварцевых, а в 1950-х гг. - атомных весов требовало еще более точного его определения. В 1957 г. в обсерватории, перебазировавшейся в Хёрстмонсо, определение времени стало производиться с помощью фотографической зенитной трубы (ФЗТ), сконструированной Д. С. Перфектом [2]. ФЗТ - это усовершенствованная отражательная зенитная труба, созданная Эри примерно в 1850 г., конструкция которой была значительно улучшена и приспособлена для определения времени в обсерватории ВМС США. Как говорит само название, труба ФЗТ установлена и направлена к зениту (точка, через которую проходит меридиан). Возможности этого инструмента ограничены, так как он позволяет регистрировать прохождения звезд только в пятнадцатиминутной зенитной зоне, но этот недостаток возмещается высокой точностью наблюдений. Световой поток от звезды отражается вниз от ртутной поверхности, задающей вертикаль, и изображение звезды четыре раза автоматически регистрируется на движущейся фотографической пластинке, установленной в плоскости второй главной точки объектива. Момент времени каждой экспозиции точно (и автоматически) регистрируется хронографом, а время пересечения звездой меридиана определяется после обработки изображений на фотопластинке и учета моментов времени, в которые они были получены. Для определения среднего гринвичского времени местное время исправляется для долгот Хёрстмонсо, расположенного к востоку от Гринвича на 1 мин 21,0785 с.
Кроме ФЗТ в Гринвичской, как и во многих других обсерваториях, для определения времени интенсивно используется другой инструмент - безличная призменная астролябия конструкции Андре Данжона, впервые примененная в Безансоне в 1951 г. [3]. Этот инструмент позволяет очень точно определять момент времени, когда звезда достигает фиксированного зенитного расстояния 30°. Инструмент может вращаться вокруг вертикальной оси, поэтому он способен регистрировать звезды в любом азимуте. Как и ФЗТ, вертикаль в этом инструменте задается отражением светового потока от чаши со ртутью. Пассажный инструмент и ФЗТ отмечают видимые прохождения звезд через меридиан, а призменная астролябия фиксирует движения звезд через альмукантарат (линия равных зенитных расстояний) 30°; время определяется по методу равных высот, предложенному Гауссом в 1808 г. [4].
Три столетия назад определение времени Флемстидом на основе наблюдений методом двойных высот, вероятно, происходило с точностью 5 с. В начале нашего века точность определения времени с помощью традиционного пассажного инструмента повысилась до 0,1 с. В 1970-х гг. ФЗТ позволяла измерять прохождение одной звезды с точностью 0,02 с, а при измерении, скажем, 30 звезд эта точность в результате обработки материалов всех ночных наблюдений повышалась до 0,004 с.
Многие важные достижения в деле точного хранения времени стимулировались теми же высокими требованиями, которые астрономы предъявляли к часам. В этом приложении описываются технические особенности часов, применяемых в Гринвичской обсерватории.
Часы - это в своей основе механизм, который способен поддерживать колебания и производить их счет. Осциллятор может быть выполнен в виде маятника или балансного колеса-в механических часах или в виде кристалла кварца - в электронных часах. В любом случае энергия, поддерживающая колебания, передается осциллятору небольшими, но регулярными порциями. И в пружинных, и в гиревых часах передача энергии обеспечивается так называемым спусковым механизмом, который, как это следует из его названия, приводит в действие колесики механизма часов и отсчитывает время, но сам ход часов задает осциллятор. Точность часов определяется видом осциллятора и типом воздействия, при помощи которого механизм поддерживает колебания осциллятора; их взаимосвязь необходимо по возможности свести к минимуму. Увеличение точности хранения времени достигалось путем постепенного повышения контроля осциллятора над часами и уменьшения воздействия на механизм внешних условий, прежде всего изменения температуры и давления.
Гиревые часы появились в XIII в. Работа этого древнего механизма регулировалась горизонтальным балансным коромыслом. На рисунке показано, каким образом коромысло приводилось в движение при помощи шпиндельного спускового механизма. Такое устройство использовалось в течение сотен лет в башенных часах, а позднее было приспособлено для контроля и в небольших переносных часах. Несовершенство конструкции часов со шпинделем и фолио (балансным коромыслом
Значительные успехи в хранении времени были достигнуты, когда в простых часах со шпиндельным спусковым регулятором стали применять маятник. Маятник обладает собственным периодом колебаний, так как его движение происходит под действием силы тяготения, являющейся с довольно большой точностью постоянной величиной.
Рисунок показывает, каким образом шпиндельный спуск связан с маятником. Спусковое колесо теперь поддерживается вертикальной осью, а шпиндель расположен горизонтально. Шпиндель заканчивается вилкой, которая и служит связующим звеном между спусковым механизмом и маятником. Маятник подвешивается на двух нитях, или подвесных пружинах. Ход часов регулируется поднятием или опусканием груза маятника.
Шпиндельный спусковой механизм используется для раскачивания маятника, в результате чего величина отклонения от вертикали, т. е. положения равновесия, достигает 20-30°; любое изменение этой дуги вызывает изменение хода часов, известное под названием циркулярной погрешности. С увеличением размаха колебаний маятника ошибка растет, если же размах колебания уменьшить приблизительно до 3°, то ошибка станет пренебрежимо малой. Изобретение возвратного спускового механизма позволило заставить маятник совершать колебания с такой малой амплитудой.
Возвратный спуск, обеспечивающий надежную работу механизма, чрезвычайно интенсивно использовался в домашних часах. На рисунке показано устройство спускового колеса и паллет, или анкера. Зуб колеса поднимает импульсные плоскости паллет, приводя таким образом посредством вилки в движение стержень маятника. Этот спусковой механизм назван возвратным, потому что спусковое колесо отходит назад против часовой стрелки в тот момент, когда маятник приближается к положению максимального отклонения. Это достигается благодаря тому, что рабочие плоскости паллет не концентричны с паллетной осью. В устройстве, изображенном на рисунке, правая паллета (выходная) только что получила толчок и маятник качнулся вправо, но, прежде чем он отклонится до конца, левая паллета (входная) зацепит спусковое колесо и сила инерции маятника продвинет паллету к центру колеса и повернет его (это происходит ежеминутно) назад. Возвратный спусковой механизм поддерживает колебания маятника с малым размахом, но по существу возврат является и недостатком, так как он препятствует свободному колебанию маятника и приводит к износу плоскостей паллет.
Амплитуда колебаний маятника, связанного со шпиндельным спусковым механизмом, на практике налагает ограничение на длину маятника: она должна быть не более 15-20 см; с изобретением возвратного спускового механизма появилась возможность использовать длинный маятник с относительно тяжелым грузом. В результате часы такой конструкции стали менее подвержены нерегулярности хода и менее зависимы от влияния внешних условий, таких, как сквозняки и вибрации.
Применение в часах маятника и усовершенствованного спускового механизма позволило астрономам повысить точность регистрации наблюдений. Подобные маятниковые часы применялись в Гринвичской обсерватории со времен Флемстида до 40-х годов нашего столетия. Пара «Главных часов», изготовленных Томасом Томпионом, была установлена в обсерватории в 1676 г.; они имели весьма необычный вид, так как их маятники с эффективной длиной 13 фут (~3,9 м) и двухсекундными периодами колебаний были подвешены выше часовых механизмов. Поэтому вилка каждого спускового механизма была направлена вертикально вверх и сцеплялась с маятником ниже его линзы.
Несмотря на эти интересные новшества, качественно новые часы не отличались сколько-нибудь значительно от длинно-футлярных часов времен Флемстида. Механизмы часов и маятники в обсерватории не были защищены надлежащим образом от пыли, механических сотрясений и т.д. и не были термоком - пенсированы [1]. Поскольку преимущества часов с такими длинными маятниками так и. не были выявлены, впоследствии для всех эталонных часов гринвичской обсерватории стали применять маятники длиной 39,14 дюйм (99,2 см). Это привело к уменьшению периода колебаний до одной секунды, вследствие чего секундная стрелка стала передвигаться односе-кундными скачками, и, кроме того, дало возможность астрономам при проведении наблюдений воспринимать каждую секунду на слух.
Второй королевский астроном Эдмунд Галлей заказал три экземпляра часов известному инструментальному и часовому мастеру Джорджу Грэхему, работавшему вместе с Томпионом и внесшему большой вклад в дело изготовления астрономических часов. Первые часы, сконструированные примерно в 1720 г., имели спусковой механизм, подобный возвратному, но в отличие от последнего маятник здесь не воздействовал на спусковое колесо, способствуя его возврату. Это устройство получило название покоящегося спускового механизма. Последовавшее вскоре второе изобретение относилось к разработке способа компенсации влияний температурных изменений на длину маятника и достигалось применением в качестве груза маятника сосуда, наполненного ртутью. Часы со спусковым механизмом Грэхема и ртутным маятником, получившие название регуляторов, использовались в обсерваториях всего мира на протяжении свыше 150 лет.
Импульсы передавались паллетам концами зубьев спускового колеса. Стороны паллет, концентричные паллетной оси, имели плоскости покоя, против которых зубья колеса останавливались в промежутках между импульсами, в то время когда маятник совершал дополнительное отклонение. Дополнительное отклонение - это добавочное колебание маятника после того, как он уже отклонился на угол, больший, чем требовалось для того, чтобы паллеты получили импульс и колесо повернулось.
С уменьшением влияния спускового механизма на маятник уменьшилась и ошибка. Грэхем приступил к выяснению влияния изменений температуры на ход часов. Часы, имеющие маятник с обычным железным или стальным стержнем, будут отставать с увеличением температуры (так как стержень при этом удлиняется) и спешить при понижении температуры (когда стержень укорачивается). Величина ошибки, обусловленной таким изменением длины стального стержня, при отклонении температуры на ГС составляет около 0,5 с в сутки, поэтому разность хода часов в зимнее и летнее время может достигать 4 с в сутки. Для разрешения этой проблемы Грэхему необходимо было добиться, чтобы расстояние от точки подвеса маятника до его центра колебания (точка, в которой добавление или уменьшение массы не влияет на период колебаний маятника), находящегося около центра груза, сохранялось постоянным при изменении температуры. Экспериментируя с различными металлическими стержнями и пытаясь использовать свойство различных металлов расширяться по-разному, Грэхем в конце концов изготовил ртутный маятник, где удлинение и укорочение стержня компенсировалось подъемом или опусканием ртути, налитой в стеклянный сосуд, который и служил грузом маятника.
Весьма удивительно, что ни один из четырех регуляторов, изготовленных Грэхемом для Гринвичской обсерватории, не имел ртутного маятника. Первые три экземпляра часов, поступившие в обсерваторию в период 1721-1725 гг., как было написано, имели «простые маятники» (с деревянными или стальными стержнями). Гаррисон произвел компенсацию маятника примерно в 1728 г., Грэхем в то же время заменил в двух ранних регуляторах простые маятники на решетчатые. Уже в 1750 г. четверо часов, доставленных в обсерваторию, имели решетчатые маятники.
Опытным путем Гаррисон обнаружил, что латунь расширяется под действием температуры в полтора раза больше, чем сталь, поэтому для получения хорошей компенсации секундного маятника, длины латунных стержней должны равняться приблизительно 9 фут (~2,7 м), а стальных - 6 фут (~1,8 м). Гаррисон сумел разрешить проблему, связанную с чрезвычайно большой длиной стержней, закрепляя их так, как показано на рис. 72 (здесь стрелки указывают направление расширения стержней при повышении температуры). Закрепление стержней поперечными полосками было произведено таким образом, что все стальные стержни расширялись книзу, а латунные - кверху, вследствие чего результирующий эффект выразился в том, что линза маятника поддерживалась на неизменном расстоянии от точки подвеса.
В 1773 г. пятый королевский астроном Маскелайн приобрел два регулятора с покоящимися спусковыми механизмами у изготовителя хронометров Джона Арнольда. Эти часы имели решетчатые маятники, причем маятник одних часов традиционно состоял из девяти стержней, а вторых - только из пяти, что достигалось заменой двух латунных стержней на цинковые, расширяющихся книзу, остальные же три стержня были изготовлены из стали. Чтобы уменьшить общую длину стержней, Арнольд воспользовался тем, что цинк имеет больший коэффициент расширения, чем сталь.
Арнольд участвовал и в усовершенствовании более ранних регуляторов Грэхема, где для уменьшения трения и износа он применил паллеты с драгоценными камнями. Рубиновые камни, заключенные в стальную паллетную оправу, служили плоскостями импульса и покоя. Таким образом, регулятор Арнольда в прямом смысле этого слова стал драгоценным. Это начинание в дальнейшем нашло большое применение в практике изготовления высокоточных регуляторов с драгоценными камнями в качестве опор спускового колеса и паллет.
Значительных успехов в деле хранения времени в годы, когда на посту директора Гринвичской обсерватории был Джон Понд, достигнуто не было; но именно тогда был введен первый общественный сигнал времени в виде сигнального шара, смонтированного в 1833 г. на верхушке восточной башни обсерватории. Поначалу шар приводился в действие вручную оператором, имеющим достаточно точные часы, но с 1852 г. шар стал падать автоматически под действием сигнала от электрических часов Чарльза Шеперда. Эри, ставший преемником Понда на посту директора Гринвичской обсерватории, увидел потенциальные возможности часов Шеперда в свете возрастающей роли телеграфной связи и сделал эти электрические часы сердцем своей системы распространения времени (см. гл. 3). В регуляторе Шеперда (он до сих пор находится в рабочем состоянии) применялся соответствующий секундный маятник с ртутной компенсацией, движение которого поддерживалось при помощи рычага с небольшим весом, называемого рычагом тяжести. На рис. 73 приведена схема электромагнитного устройства. В тот момент, когда маятник отклоняется влево, он приподнимает защелку (а), которая, вращаясь, освобождает рычаг тяжести (Ь), при падении толкающий маятник вправо. Таким образом маятник получает толчок только в одном направлении, а импульс, определяемый силой тяжести рычага, всегда одинаков. В максимуме своего отклонения вправо маятник замыкает контакт (С) и приводит в действие электромагнит (D), который притягивает якорь (с), при этом конец якоря поднимается и подталкивает рычаг (b) вверх до его захвата защелкой (а). Так завершается один рабочий цикл.
Маятник поочередно соприкасается с контактами А и В, благодаря чему через катушки Е и F проходит ток. Часы Шеперда работают по принципу, обратному по сравнению с гиревыми механизмами. В этих часах паллеты поворачивают спусковое колесо, приводящее в действие часы, тогда как в гиревых устройствах спуск приводится в действие часовым механизмом. В первоначальной конструкции регулятора Шеперда полярность катушек Е и F изменялась при каждом отклонении маятника, поэтому стержневой магнит, связанный с осью паллет, притягивался к одной катушке и отталкивался от другой.
Электрические часы в те времена, когда Шеперд предоставил свой регулятор Гринвичской обсерватории, еще только зарождались; способ замыкания контактов, предложенный Шепердом, препятствовал свободному качанию маятника, но секундные импульсы, выдаваемые такими часами, можно было использовать для приведения в действие вспомогательных, или вторичных, часов (см. далее рис. 75), расположенных на значительном расстоянии от обсерватории.
В 1871 г. Гринвичская обсерватория лонные часы, идущие по звездному Дентом, в тесном сотрудничестве с Этот замечательный регулятор «Дент устройство, сконструированное самим щимся хронометром и содержащее устройств [2].
Регулятор был изготовлен очень тщательно, что обеспечивало высокую точность, достаточную для обнаружения влияний на его ход изменений атмосферного давления. Этот эффект был очень мал и приводил к изменению хода приблизительно на 0,1 с в сутки при среднем изменении давления. Помощник Эри Уильям Эллис предложил способ устранения этих ошибок с помощью закрепления на ртутном барометре магнита, величина перемещения которого определялась давлением в часовом футляре. Этот магнит притягивал два стержневых магнита, связанные с маятником, и изменял период его колебаний в соответствии с изменением давления. В поздних конструкциях часов было достигнуто более эффективное решение этой проблемы путем помещения часового механизма и маятника в парциальный вакуум, где низкое давление поддерживалось на постоянном уровне.
Более компактное устройство решетчатого маятника Джона Арнольда было разработано примерно в 1800г.; в нем цинковые стержни были заменены цинковыми трубками, позволяющими передвигаться в них стальным маятниковым стержням. Это устройство температурной компенсации приспособили к «Денту № 1906». Различные старые регуляторы, имеющиеся в обсерватории, также модернизировали, заменив их первоначальные решетчатые или ртутные маятники устройствами цинково-стальной компенсации.
В то время, когда пост директора Гринвичской обсерватории занимал Фрэнк Дайсон, были приобретены новые маятниковые часы. Стало очевидным, что дальнейшего прогресса в области хранения времени можно достигнуть, защитив маятник от всяких внешних воздействий. В 1891 г. Зигмунд Рифлер из Мюнхена сделал шаг в этом направлении, применив специальное спусковое устройство, воздействующее на маятник посредством пружины, на которой он был подвешен. Колебания маятника поддерживались при помощи электрического тока, поэтому не было необходимости заводить механизм. Механизм и маятник помещались в вакуумном цилиндре и таким образом были изолированы от внешних воздействий. В этих условиях часы Рифлера имели точность хода порядка 0,01 с в сутки. Несмотря на это, подобные часы стали использоваться в Гринвиче только с 1922 г., заменив «Дент № 1906». Но и этот регулятор, изготовленный англичанином Коттингэмом, в 1925 г. заменили часы со свободным маятником Шорта.
Часы со свободным маятником Шорта широко применялись во многих обсерваториях. Это были первые хранители времени, способные выявить незначительные изменения в скорости вращения Земли (см. гл. 5).
На самом деле часы Шорта состоят из двух часов: главных - со свободным маятником и вторичных, поддерживающих движение свободного маятника и считающих его колебания. И в тех и в других часах применяются рычаги, подталкивающие маятники один раз в полминуты.
Поворотный крючок (а) (рис. 74), двигаясь вместе с маятником, поворачивает на один зуб счетное колесо раз в две секунды. При вращении колеса связанный с ним выступ (Ь) поднимает раз в 30 с защелку (с) и освобождает рычаг (d).
Маленький поворотный ролик, укрепленный на рычаге, скользит по импульсной плоскости маятника и тем самым сообщает ему импульс, после чего вертикальное плечо рычага касается контактного винта на якоре (е) и замыкает ток в контуре. Катушка притягивает якорь и подбрасывает рычаг (d) на защелку (с).
В главных часах колебания поддерживаются подобным образом, но их рычаг значительно легче, поскольку эти часы работают при более низком давлении и их маятник не воздействует на счетное колесо. Передача импульса и замыкание контакта производится двумя различными рычагами, более легким-для передачи импульса, более тяжелым - для замыкания контакта.
Синхронизация импульса, передаваемого свободному маятнику, контролируется вторичными часами, но ход, а следовательно, и счет времени вторичных часов контролируются корректирующим импульсом, вырабатываемым свободным маятником. Работа происходит следующим образом:
1. Рычаг вторичных часов освобождается выступом счетного колеса.
2. Маятник вторичных часов получает импульс, а рычаг возвращается в исходное положение; при замыкании контакта возникает импульс электрического тока, передвигающий на полминуты стрелки на циферблате вторичных часов и возбуждающий катушку (А).
3. Рычаг часов со свободным маятником освобождается от захвата.
4. Свободный маятник получает импульс, и его рычаг возвращается в исходное положение; через замкнутый контакт проходит импульс тока, передвигая на полминуты стрелку часов и возбуждая синхронизирующую катушку (В).
Вторичные часы отрегулированы на небольшое отставание, что позволяет синхронизировать их маятник при помощи корректирующего импульса главных часов. Синхронизация производится в тот момент, когда тонкая пластинка (а), связанная со стержнем вторичного маятника, отклоняется выступом якоря (b). В этот момент период колебаний уменьшается.
Стержень маятника в часах Шорта изготавливается из сплава никеля и стали и практически не реагирует на изменение температуры. Этот сплав, называемый инваром, впервые был получен в 1899 г. швейцарским физиком Шарлем Гийомом, работавшим во Франции. Коэффициент расширения инвара имеет величину порядка 10-6дюйм на градус. Некоторые образцы имеют отрицательный коэффициент расширения, вследствие чего они слегка сжимаются при увеличении температуры. Естественно, что этот материал был выбран для изготовления точных маятниковых часов; он же, обеспечивая температурную компенсацию, используется в подвесной пружине.
IV. Современные точные часы
Усовершенствования маятниковых часов, которые постепенно позволили обеспечить однородные шкалы времени, касались ослабления факторов, воздействующих на колебание главного маятника, и уменьшения влияния изменений внешних условий и трения в механизме часов. Однородность шкалы в дальнейшем была повышена объединением показаний разных часов, изолированных, насколько это было возможно, друг от друга. Наивысший эффект был достигнут с появлением радиосигналов, что позволило использовать показания часов, разнесенных на большие расстояния друг от друга. Прогресс электроники привел в конечном счете к совершенствованию самих часов: отныне единицы промежутков времени в них устанавливались на основе явлений, ни коим образом не связанных с движением маятника или какого-нибудь другого физического тела под действием гравитационного поля Земли.
Действие первых электронных часов, качественно превосходящих часы Шорта со свободным маятником, было основано на работе кварцевого генератора колебаний. Эти часы до сих пор входят как составная часть в большинство «атомных часов», используемых сегодня в службах времени, но при этом выполняют только роль махового колеса, сглаживающего короткопериодические вариации хода, а долгопериодическии контроль осуществляется на основе более фундаментальных принципов. Кварцевый генератор используется в телевизионных устройствах свыше 50 лет, а в последнее время начинает применяться в кварцевых наручных часах, обеспечивая их ход со стабильностью порядка несколько секунд в месяц. В настоящее время достигнута стабильность в несколько тысяч раз выше, что позволяет применять кварц в дорогостоящих прецизионных приборах.
Кварц - это природный минерал, но его можно производить и в искусственных условиях. Обладая постоянными механическими свойствами, не зависящими от температуры, и пьезоэлектрическим эффектом, он с успехом используется в приборах хранения времени. Пьезоэффект заключается в следующем: при наложении вдоль некоторого направления в кристалле электрического поля форма кристалла несколько изменяется, и наоборот, изменение формы кристалла приводит к появлению электрических зарядов на его поверхности. Механические колебания вызывают колебания напряжения между металлическими электродами, прикрепленными к поверхности кристалла. Если же эти электроды подсоединить соответствующим образом к входу и выходу электрического усилителя, то он будет поставлять энергию, необходимую для поддержания колебаний кварца на одной из его собственных резонансных частот.
Частота, на которой кристалл кварца будет резонировать, определяется его размерами и формой, а также упругими и механическими свойствами кварца, поэтому кристалл вырезается, шлифуется и полируется таким образом, чтобы резонанс происходил на нужной частоте. Конструкция электродов и подвески кристалла рассчитывается так, чтобы они в возможно меньшей степени приводили к изменению выбранной моды колебания. Возникновение нежелательных мод подавляется уменьшением коэффициента усилителя на соответствующих частотах.
Таким образом, в кварцевых часах роль маятника играют упругие колебания кристалла кварца, а механическое спусковое устройство и передаточный механизм, поддерживающий колебания маятника и считающий их, заменены электронным усилителем и делителем частоты, производящим электрические метки времени и управляющим табло времени. Все кварцевые часы, приобретенные гринвичской службой времени в период 1939-1964 гг., имели резонаторы, настроенные на частоты около 100 кГц, и были сконструированы или в Национальной физической лаборатории или в научно-исследовательских лабораториях почтового управления. Современные точные кварцевые генераторы работают на более высокой частоте - около 5 или 10 МГц.
Зависимость частоты колебаний от температуры можно сделать очень малой, подбирая соответствующий угол между срезами кварцевого резонатора и естественными гранями кристалла, а также уменьшая размеры кристалла, что позволяет достаточно просто поддерживать его температуру постоянной и предохранять его от изменения атмосферного давления. Полностью смонтированный кварцевый генератор вместе с термостатом занимает объем менее 1 л и весит менее 1 кг, так что работа с ним не представляет особого труда. Гораздо сложнее было в свое время изолировать маятниковые часы от воздействия внешних условий.
Но и современные кварцевые часы постепенно изменяют ход в пределах нескольких микросекунд в сутки. Этот эффект, называемый старением, часто вызывается остаточным поверхностным загрязнением, дефектами в молекулярной структуре кристалла, изменением давления поддерживающих кристалл опор и воздействием излучения радиоактивных материалов или космических лучей. Более того, кристалл не обеспечивает независимый эталон частоты или временного промежутка, так как частота, первоначально заданная размерами кварца, с легкостью может измениться вследствие изменения его размеров, которые слишком малы, чтобы их можно было измерить. Из-за отсутствия других средств измерения частоты вплоть до середины 50-х гг. определенным образом увязывались с астрономическими определениями времени. Когда было установлено, что вращение Земли не обладает постоянством, возникла необходимость в астрономических наблюдениях, связанных с движением Луны и планет относительно звезд. Точность таких определений была низка (около 0,1 с), так как подобные наблюдения занимали несколько лет и только после этого анализировались совместно. К счастью, теперь имеются более точные и доступные эталоны промежутков времени, основанные на идентичных резонаторах, которые можно получить в большом количестве, причем эти резонаторы не зависят от заводских допусков - это неразличимые атомы одного и того же сорта (т.е. одного какого-либо элемента).
В середине прошлого века стало известно, что газы в разогретом состоянии или под действием электрического разряда излучают свет, состоящий из спектральных линий, длины волн которых характерны для химических элементов, присутствующих в газе. Возможно, самый известный пример такого рода - желтое свечение лампы, наполненной парами натрия. Современная астрономия в значительной мере основана на изучении спектров небесных объектов. Эти же факты лежат в основе квантовой теории строения атома. Отдельный атом может испускать или поглощать электромагнитное излучение (т.е. свет, радиоволны) только при переходе между двумя более или менее четко определенными энергетическими состояниями, причем частота излучения атома прямо пропорциональна разности энергий этих двух состояний. Частоты видимого света слишком высоки, чтобы их можно было непосредственно измерить (при современном развитии науки и техники), но их точные значения можно очень точно рассчитать, зная измеренные длины волн и скорость света.
Почти во всех атомных часах, применяемых в службах времени для установления соотношения временных шкал, используется частота, связанная с особым сверхтонким переходом атома цезия - 133; определение секунды в международной системе единиц СИ основано на этом же переходе. Цезий - это мягкий, светлый, активный металл, в химическом отношении похожий на натрий. Обозначение «сверхтонкий переход» произошло от сверхтонкой структуры, наблюдаемой в линиях видимого спектра элемента и обусловленной тем, что основные энергетические уровни атома расщеплены на несколько подуровней, имеющих почти одинаковые энергии. В часах как раз и используется переход между двумя такими подуровнями.
При таком специфическом переходе спин самого удаленного от ядра электрона атома цезия, заставляющий атом цезия вести себя как слабый магнит, поворачивается относительно спина атомного ядра, но ориентация обоих спинов определяется воздействием слабого внешнего магнитного поля. Такие часы управляют работой кварцевого генератора путем создания определенной связи между его частотой и микроволновым излучением, которое испускает атом при указанном переходе.
Впервые идею создания атомного эталона частоты предложил в 1945 г. Раби из Колумбийского университета, а первое атомно-лучевое устройство для систематической калибровки частоты было применено в 1955 г. Эссеном и Парри из Национальной физической лаборатории.
Металлический цезий помещают в специальную печь, где происходит его испарение; пары цезия попадают в трубку, в которой поддерживается вакуум, и проходят через серию диафрагм, формирующих пучок атомов; в этом пучке содержится одинаковое количество атомов, находящихся в двух различных энергетических состояниях. Сильно локализованное неоднородное магнитное поле по-разному отклоняет атомы в разных энергетических состояниях, формируя таким образом два расходящихся пучка. Далее пучки проходят через резонансную полость, или резонатор, в которой концентрируется микроволновая энергия, поступающая от усилителя. На выходе кварцевого генератора синтезируется частота порядка 9129 МГц. Резонатор помещен в слабое неоднородное магнитное поле, ось которого перпендикулярна направлению атомного пучка. После прохождения через резонатор атомы попадают во вторую область с неоднородным полем и снова отклоняются в соответствии с их магнитными состояниями; на электрод попадают только те атомы, энергетические состояния которых изменялись во время пролета через резонатор; на электроде атомы ионизируются, что позволяет их обнаружить электрическим детектором. Частота кварцевого генератора регулируется выходным сигналом детектора. Метки времени здесь, как и в кварцевых часах, вырабатываются делителями частоты и счетчиками, связанными с кварцевым генератором.
За период с 1955 г. в различных странах были созданы лаборатории эталонов времени, в которых широко используются цезиево-лучевые часы, позволяющие воспроизводить интервал времени в системе единиц СИ с максимально возможной точностью. Инструменты, имеющиеся в продаже, воспроизводят интервалы в системе СИ, подверженные неопределенным, но небольшим уклонениям порядка 1 мкс в сутки. Обычно уклонение остается почти неизменным в том случае, когда определенный прибор работает под контролем и может быть откалиброван по уже оцененному эталону. Такие приборы применяются в большинстве служб времени, включая и Гринвичскую обсерваторию, для воспроизведения шкал времени и обеспечивают их согласование между собой в пределах нескольких микросекунд в год. Международная шкала атомного времени TAI основана на данных, получаемых от инструментов разных типов.
За последние годы были сконструированы эталоны частоты, основанные на квантовых п%эеходах в атомах других химических элементов, из которых чаще всего используются рубидий и водород. В этих приборах для связи частоты, получаемой на выходе, с частотой атомного резонанса применяется разнообразная усовершенствованная техника; каждая новая система имеет свои достоинства. Так, атомные часы на парах рубидия дешевле цезиевых часов; водородный мазер способен обеспечить более высокую кратковременную стабильность, чем цезиевые часы, однако последние до сих пор не превзойдены в отношении воспроизводимости частоты и долговременной стабильности, и, по-видимому, именно цезиевые часы будут и дальше использоваться в качестве основы для эталонных шкал времени, по крайней мере в ближайшие годы.
| © 2024 Библиотека RealLib.org (support [a t] reallib.org) |