Чтение онлайн

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.

(Приложение написано Роджером Стивенсом, старшим хранителем Национального морского музея)

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 (На Руси коромысло с грузами называлось билянцем.
– Прим. перев)) проявлялось в том, что, хотя баланс и являлся контролером хода часов, он не имел собственного периода колебаний. Поэтому баланс реагировал на изменения движущей силы, которая действовала через колесную передачу (последовательность колес, каждое из которых приводит в действие соседнее в передаче колесо), и не мог колебаться с равными периодами времени.

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.