Джон Арнольд: 18 ғасыр сағатшы және өнертапқыш

Кіріспе

18 ғасырдағы ағылшын сағатшысы және өнертапқышы Джон Арнольд (1736 – 11 тамыз 1799 ж.) – ағылшын сағатшысы және өнертапқышы. Джон Арнольд тұңғыш рет практикалық және дәл сағат жасады, сонымен қатар "хронометр" терминін қазіргі мағынасында қолданысқа енгізіп, дәл уақытты өлшейтін құрылғыны білдірді. Оның техникалық жетістіктері 1782 жылдан бастап кемелерде пайдалануға арналған теңіз хронометрлерін жаппай өндіруге мүмкіндік берді. Олардың негізгі дизайны ХХ ғасырдың соңына дейін аз өзгерістермен сақталды. Оның мұрасы – Абрахам Луи Брегемен бірге қазіргі заманғы механикалық сағатты ойлап тапқандардың бірі болуы. Оның ең маңызды өнертабыстарының бірі – оверкойлді серіппе (баланс пружинасы) әлі де көптеген механикалық білезік сағаттарда қолданылады. Шамамен 1770 жылдан бастап Арнольд портативті дәл уақыт өлшегішті жасады, ол Джон Харрисонның осы саладағы жұмысын аяқтағаннан кейін дамыды. Бірақ Харрисонның күрделі және қымбат сағатымен салыстырғанда, Арнольдтың негізгі дизайны қарапайым болғанымен, үнемі дәл және механикалық тұрғыдан сенімді болды. Маңыздысы, оның қозғалысының салыстырмалы түрде қарапайым және дәстүрлі дизайны оны қолжетімді бағамен жаппай өндіруге, сондай-ақ оңай күтіп-ұстауға және реттеуге мүмкіндік берді. Бұл жетістікке үш элемент қажет болды:
Тербелмелі таразы мен серіппеге минималды кедергі келтіретін ажыратылған эскапмент;
Таразының дизайны температураның серіппеге тигізетін әсерін өтеуге мүмкіндік береді;
Серіппені реттеу әдісі, соның арқасында таразы әртүрлі доғалармен тербелгеннің өзінде бірдей уақыт аралығында тербеледі.

Ерте өмір және еңбек

Джон Арнольд Корнуоллдағы Бодмин қаласында әкесімен, ол да сағатшы болған, шәкірт болып жұмыс істеді. Ол сондай-ақ, қару жасаушы туысымен жұмыс істеген болуы мүмкін. Шамамен 1755 жылы, 19 жасында ол Англиядан кетіп, Гаагада (Голландия) сағатшы болып жұмыс істеді, 1757 жыл шамасында Англияға оралды. 1762 жылы Гертфордширдегі Сент-Олбанс қаласында ол Уильям МакГайрмен кездесті, оның қайталайтын сағатын жөндеді. Арнольд МакГайрге оның өте ықпалды болғанын көрсетті, нәтижесінде ол оған несие берді, бұл оған Лондонның Странд ауданындағы Деверёкс сотында сағатшылық ісін ашуға мүмкіндік берді. 1764 жылы Арнольд король Георг III-ке ерекше кішкентай, жартылай ширек қайталайтын сағатты, цилиндрлі тетікпен жабдықталған, сақинаға орнатылған сағатты көрсетуге рұқсат алды. Арнольд жасаған ұқсас қайталайтын сағат сақталған; қызықтысы, негізгі механизмі швейцариялық, бірақ Лондонда аяқталған. Бұл сағаттың тетігі кейіннен рубиннен жасалған алғашқы әшекейленген цилиндрлердің бірімен жабдықталды. Арнольд 1768 жыл шамасында корольге тағы бір сағат жасады, ол алтын және эмальдан жасалған жұп корпусты сағат, минуткайтару және орталық секундтың қозғалысы сияқты барлық жетілдірулермен жабдықталған. Сонымен қатар, Арнольд екі металлдан жасалған температураны өтеу құрылғысын орнатты, және барлық білік тесіктері әшекейленген ғана емес, шығыс тетігінде де рубин немесе сапфирден жасалған тас цилиндр болды. Арнольд бұл сағатты "No 1" деп атады, өйткені ол өзінің маңызды деп есептеген барлық сағаттарын осылай атады, олардың саны жиырмаға жетеді. 1768-1770 жылдар аралығында Арнольд жасаған басқа ерте туындылары түпнұсқалық пен тапқырлықты көрсетеді; олардың қатарында күніне бір рет маятникті басып орталық секундты іске қосатын сағат бар. Бұл сағаттың механизмі температураны өтеу құрылғысымен және рубин тас цилиндрлі тетікпен толықтай әшекейленген. Бұл сағаттар Арнольдтың талантын көрсету үшін жасалды және стиль және мазмұн жағынан Джеймс Кокс үшін жасалған және негізінен Шығысқа экспорттауға арналған басқа "әңгімеге арналған заттармен" ұқсас болды.

John Arnold was apprenticed to his father, also a clockmaker, in Bodmin in Cornwall. He probably also worked with his uncle, a gunsmith. Around 1755, when he was 19, he left England and worked as a watchmaker in the Hague, Holland, returning to England around 1757. In 1762, whilst at St Albans, Hertfordshire, he encountered William McGuire for whom he repaired a repeating watch. Arnold made a sufficient impression so that McGuire gave him a loan, enabling him to set up in business as a watchmaker at Devereux Court, Strand, London. In 1764, Arnold obtained permission to present to King George III an exceptionally small half quarter repeating watch cylinder escapement watch mounted in a ring. A similar repeating watch by Arnold has survived; it is of interest that the basic movement is Swiss in origin but finished in London. The escapement of this watch was later fitted with one of the first jewelled cylinders made of ruby. Arnold made another watch for the King around 1768, which was a gold and enamel pair cased watch with a movement that had every refinement, including minute repetition and centre seconds motion. In addition, Arnold fitted bi metallic temperature compensation, and not only was every pivot hole jewelled but the escapement also had a stone cylinder made of ruby or sapphire. Arnold designated this watch "Number 1", as he did with all watches he made that he regarded as significant, these numbering twenty in all. Other early productions by Arnold from 1768 to 1770 display both originality and ingenuity; this includes a centre seconds watch wound up by depressing the pendant once a day. The movement of this watch was also fully jewelled with a temperature compensation device and a ruby stone cylinder escapement. These watches were made as demonstrations of Arnold's talent and, in terms of style and substance, were similar to other "conversation pieces" being made at the same time as those being produced for James Cox and made primarily for export to the East.

Техникалық қиындықтар

Арнольдтың шеберлігі мен тапқырлығы, оның сөзсіз тартымдылығы оны астроном Невил Маскелиннің назарына іліктірді. Маскелин сол кезде Джон Харрисонның сәтті теңіздік хронометрінің көшірмесін жасауға қабілетті сағатшы іздеп жүрген еді. Бұл сағаттың толық және егжей-тегжейлі сипаттамасы 1767 жылы Лонгитуда Кеңесі тарапынан «Харрисон мырзасының хронометрінің қағидалары» деген атпен жарияланды. Мақсаты – болашақта көптеп өндіруге арналған нұсқаулық ретінде қызмет етуі еді. Шындығында, бұл өте күрделі және техникалық тұрғыдан жоғары дамыған микроинженерлік өнім болатын, оны бірнеше сағатшы ғана қайта жасай алатын еді. Алайда, бұл қиындыққа Ларкум Кендалл қол жеткізді. Ол екі жыл бойы дерлік толықтай сол сағаттың көшірмесін (қазір K1 деп белгілі) жасады, ол сол кездегі үлкен сома – 450 фунт стерлингке бағаланды. Бұл сағат дәл уақытты өлшейтін құрал ретінде сәтті болғанымен, Адмиралтейство түсінікті себептермен әрбір үлкен кемеде хронометрдің болуын қалады, ал Кендаллдың сағаты тым қымбат және жасауға көп уақыт кетті. Кендалл 1771 жылы күрделі ремтау жүйесін алып тастап, жеңілдетілген нұсқасын (K2) жасады. Бірақ нәтижесі әлі де қымбатқа түсті және, одан да маңыздысы, түпнұсқадай дәл болмады. Сондықтан, 1767 жылы Невил Маскелин Джон Арнольдқа «Харрисон мырзасының хронометрінің қағидалары» кітабын жарияланған бойда сыйға тартқан кез, оның осыған ұқсас дәл хронометр жасауға ынталандырғанын еске алу қажет. Маскелин кейіннен Арнольдты бірнеше рет жұмысқа алды, көбінесе сағаттар мен сағат жасаумен байланысты. 1769 жылы Арнольд Джон Элликотттың Маскелиннің орталық секундтық сағатын өзгертті, цилиндрлік тетіктерді болаттан сапфирге ауыстырды. Ол бұл сағатты астроном Уильям Уэльске 1769 жылы Вест-Индияға Венера транзиті экспедициясы барысында кеменің бойлық координатасын анықтау үшін Маскелиннің ай қашықтығы әдісінің тиімділігін бағалау үшін берді. Осы шамада Арнольд географиялық бойлықты анықтау үшін дәл хронометр жасау туралы ойлана бастаған сияқты.

Arnold's facility and ingenuity, coupled with his undoubted charm brought him to the attention of the Astronomer Royal Nevil Maskelyne, who at this time was seeking a watchmaker skilled enough to make a copy of John Harrison's successful marine timekeeper. A full and detailed description of this watch was published by the Board of Longitude in 1767, entitled "The Principles of Mr. Harrison's Timekeeper", the intention clearly being for it to act as a blueprint for future quantity production. In fact, it was a highly complex and technically very advanced piece of micro engineering, and capable of being reproduced by less than a handful of watchmakers. However, the challenge was taken up by Larcum Kendall, who spent two years making a near identical copy (now known as K1) that cost £450, a huge sum at the time. Although successful as a precision timekeeper, the Admiralty for obvious reasons wanted a timekeeper on every major ship, and Kendall's was too expensive and took too long to make. Kendall made a simplified version (K2) in 1771, leaving out the complicated remontoir system. But the result was still too costly and, moreover, not as accurate as the original. In retrospect therefore, it was a significant occasion when in 1767, Nevil Maskelyne presented John Arnold with a copy of the "Principles of Mr. Harrison's Timekeeper" as soon as it was published, evidently with a view to encourage him to make a precision timekeeper of the same kind. Maskelyne subsequently encouraged Arnold by employing him on several occasions, mostly in connection with watch and clock jewelling. In 1769, Arnold modified Maskelyne's centre seconds watch by John Ellicott, changing the cylinder escapement from steel to one made of sapphire. He lent this watch to the Astronomer William Wales for use in assessing the practicability of Maskelyne's Lunar distance method for finding the ship's longitude during the voyage of the Transit of Venus expedition to the West Indies in 1769. Around this time, Arnold also seems to have started to think about making an accurate timekeeper to find the longitude.

Арнольдтың алғашқы "Күзет машиналары"

Арнольдтың дәл уақыт өлшеуге деген көзқарасы Гаррисонның техникалық этикасынан мүлдем өзгеше болды, Гаррисонның техникалық этикасы XVII және XVIII ғасырдың басындағы теория мен практикаға негізделген. Арнольд білгендей, портативті сағатта теңгерім мен теңгерім серігі уақытты бақылайды, сондықтан оған тек теңгерімге дөңгелектердің минималды кедерісімен тұрақты импульс берудің жолын табу және тиімді температуралық компенсацияны қамтамасыз ету қажет еді. Бірнеше тәжірибелік үлгілер жасағаннан кейін, ол 1771 жылдың наурыз айында Ұзындық кеңесіне өндірістік үлгі ретінде қарастырылатын құрылғыны ұсынды. Бұл құрылғы Гаррисонның сағатынан мүлдем өзгеше болды. Ол шамамен 6 м² көлемдегі қарағаштан жасалған қорапша болды, ішінде салыстырмалы түрде қарапайым, бірақ Гаррисонның сағатымен шамалас өлшемдегі, ұқсас диаметрлі теңгерімі бар механизм орналасқан. Радикалды айырмашылық – жаңадан жасалған эскапмент болды, ол көлденең орналасқан, инерциялық тежегішпен жабдықталған, бұл теңгерімнің эскапменттік дөңгелектен импульс алғанда ғана еркін тербелуіне мүмкіндік берді. Теңгерім серігінде Арнольдтың сағаттарындағыдай температуралық компенсация құрылғысы болды, ол Гаррисонның қола мен болаттан жасалған екі металл жолағына негізделген. Арнольд осы уақыт өлшегіштерді әрқайсысы 60 гинейден шығаруды ұсынды. Осы уақыт өлшегіштердің үшеуі 1772–1775 жылдары Джеймс Кук пен капитан Фурноаның Оңтүстік Тынық мұхитындағы екінші сапарында бірге жүріп қайтты. Капитан Кук өзімен бірге Кендалдың алғашқы уақыт өлшегішін де, Арнольдтың уақыт өлшегішін де алып жүрді. Кендалдың уақыт өлшегіші сапар барысында өте жақсы жұмыс істеп, дәл уақытты көрсетсе, Арнольдтың уақыт өлшегіштерінің тек біреуі ғана 1775 жылы Англияға оралғанда жұмыс істеп тұрды. Бұл сағаттардың жұмысы астрономдар Уильям Уэльс пен Уильям Бейлидің журналдарында тіркелді, олар олардың географиялық енестілікті өлшеуге жарамдылығын бағалап отырды. Осы кезеңде Арнольд кем дегенде бір дәл қалта сағатын жасады, ол үлкен теңіздік уақыт өлшегіштердің кіші нұсқасы болды. Бұл сағат 1769–1770 жылдарға жатады және «Arnold No. 1 Invenit et Fecit» (латынша «ойлап таптым және жасадым») деген жазумен белгіленген. Ортадағы секундты көрсететін механизмде стальдан жасалған теңгерім және тегіс теңгерім серігіне әсер ететін екі металл температуралық компенсациялық жолақ бар. Қазір өзгертілгенімен, бастапқы эскапмент Арнольдтың үлкен уақыт өлшегіштерге орнатылған көлденең инерциялық тежегіші болды, ол толығымен сәтті болмады және жақсартуды қажет етті. 1772 жылы Арнольд бұл эскапментті өзгертіп, енді тік орналастырды және серіппемен әрекет етті. Бұл әлдеқайда сәтті шешім болды және 1772 жылы кем дегенде екі қалталық уақыт өлшегіш осы эскапментпен Жозеф Банкске 100 фунтқа (Arnold No.5) және Банкстің әріптесі, Этон капитаны Константин Джон Фиппс, 2-ші барон Малгрейвке сатылғаны белгілі. Бұл мәселе бойынша «Австралиана» журналының 2014 жылғы қарашадағы No 36 томының 4-ші нөмірінде Джон Хокинс осы екі адам арасындағы байланысты және осы құралдың бірдей болу мүмкіндігін егжей-тегжейлі қарастырады. Куктің екінші сапарына бастапқыда арналған, Банкс сатып алып, Фиппске берілген әлемдегі алғашқы қалталық хронометр Элликотт жасағанға ұқсас шағын орталық секундтық сағат болған. 1773 жылы капитан Фиппс Солтүстік полюске сапарға шықты, ол өзімен бірге Арнольдтың қалталық уақыт өлшегішін, гимбалдағы Арнольдтың қораптық уақыт өлшегішін және Кендалдың «K2» уақыт өлшегішін алып кетті. Фиппстің мәлімдемесіне сәйкес, қалта сағаты өте жақсы жұмыс істеді және географиялық енестілікті анықтау үшін ыңғайлы құрал болды. 1775 жылға дейін Арнольдтың ең алғашқы қалталық хронометрлері, мысалы, Фиппс пен Банкске жеткізілгендер, ортаңғы секундтық қозғалысы бар қарапайым сағаттар болды, олар көбінесе Маскейннің Элликотттың цилиндрлі сағатына ұқсайды. Әрине, сақталған бірнеше мысалдар осы калибрлі, мысалы, No. 3. 1772 жылға қарай Арнольд өзінің қалталық уақыт өлшегіштерінің дизайнын аяқтады және диаметрі шамамен 50 мм, сол кезеңдегі әдеттегі сағаттан үлкен және инерциялық тежегіш эскапментімен және спиральді компенсациялық серіппесімен стандартталған қозғалыс калибрімен сериялық өндірісті бастады. Алайда, соңғысы тиімді емес болып шықты, бұл өндіріс қарқынын едәуір бәсеңдетті. Ол бірнеше қалталық уақыт өлшегіштерді шығарса да, шамамен 1772–1778 жылдар аралығында Арнольд әр түрлі компенсациялық теңгерімдер мен теңгерім серігін реттеу әдістерін тәжірибеден өткізді. Ең қиын мәселе – тиімді және үздіксіз реттелетін температуралық компенсация құрылғысын жасау мәселесі болды. Техникалық себептерге байланысты теңгерім серігінің температуралық компенсациясы қандай да бір түрде теңгерімге енгізілуі керек еді және бұрын Арнольд пен басқалар жасағандай, теңгерім серігіне тікелей әсер етуі керек емес.

Arnold's approach to precision timekeeping was completely different from that of Harrison, whose technical ethos was rooted in seventeenth and early eighteenth century theory and practice. Arnold knew that as the balance and balance spring control the timekeeping in a portable watch, he only needed to find a way of giving the balance a consistent impulse with minimal interference from the wheel work, together with an effective temperature compensation. After making some experimental machines, he produced what could be regarded as a production model to the Board of Longitude in March 1771. This machine was completely different from Harrison's watch. It was a mahogany box of approximately that housed a movement that, though relatively simple, was close to the same size as Harrison's, with a balance of a similar diameter. The radical difference, however, was a newly designed escapement that featured a horizontally placed pivoted detent that allowed the balance to vibrate freely, except when impulsed by the escape wheel. The spiral balance spring also had a temperature compensation device similar to those in Arnold's watches, and based on Harrison's bimetallic strip of brass and steel. Arnold proposed manufacture of these timekeepers at 60 guineas each. Three of these timekeepers travelled with the explorers James Cook and Captain Furneaux during their second voyage to the southern Pacific Ocean in 1772–1775. Captain Cook also had Kendall's first timekeeper on board as well as one of Arnold's. Whereas Kendall's performed very well and kept excellent time during the voyage, only one of Arnold's was still running on their return to England in 1775. The performance of these clocks was recorded in the logbooks of astronomers William Wales and William Bayly who were assessing their suitability for measuring longitude. During this period, Arnold also made at least one precision pocket watch, a miniature version of the larger marine timekeepers. This surviving watch dates from around 1769–1770, and is signed Arnold No. 1 Invenit et Fecit (Latin for 'invented and made'). The movement, which indicates centre seconds, has a steel balance with a bimetallic temperature compensation strip that acts on the flat balance spring. Though now altered, the original escapement was Arnold's horizontal pivoted detent as fitted to the larger timekeepers, which was, it seems, not entirely successful and needed improvements. Around 1772, Arnold modified this escapement so that it now was pivoted vertically and acted on by a spring. This was a much more successful arrangement, and it is known that in 1772 at least two pocket timekeepers with this escapement were supplied to Joseph Banks at a cost of £100 (Arnold No.5), and also Banks' fellow Etonian Captain Constantine John Phipps, 2nd Baron Mulgrave. In a long and detailed article on this matter published in Australiana November 2014 Vol 36 No. 4, John Hawkins details the association between these two men and the imagined possibility that this instrument is one and the same. The world's first pocket chronometer originally destined for Cook's second voyage, purchased by Banks and lent to Phipps is known to have been a small centre seconds watch of a similar kind to those made by Ellicott. In 1773, Captain Phipps made a voyage to the North Pole, taking with him not only his Arnold pocket timekeeper and an Arnold box timekeeper in gimbals, but also Kendall's "K2" timekeeper. From Phipps's account, it appears that the pocket watch performed very well indeed and was a convenient instrument for ascertaining the longitude. It seems likely that before 1775, Arnold's earliest pocket chronometers, such as those supplied to Phipps and Banks, were plain watches with centre seconds motion, largely resembling Maskelyne's cylinder watch by Ellicott. Certainly, those few surviving examples are of this caliper such as No. 3. By 1772, Arnold had finalized the design of his pocket timekeepers and started series production with a standardized movement caliper, this being around 50 mm in diameter, larger than a conventional watch of the period, and showing seconds with a pivoted detent escapement and spiral compensation curb. However, the latter appears to have proved ineffective, which seems to have substantially slowed the rate of production. Even though he produced a number of pocket timekeepers, from around 1772–1778, Arnold was still experimenting with different types of compensation balance and methods of balance spring adjustment. The most difficult problem to surmount was the problem of making an effective and continuously adjustable temperature compensation device. For technical reasons, the temperature compensation for the balance spring had to somehow be incorporated into the balance itself and not act on the balance spring directly as had been done previously by Arnold and others.

Арнольдтың 1775 жылғы алғашқы патенті

1775 жылы Арнольд ортасында биметалл спиралі бар жаңа компенсациялық тепе-теңдікке патент алды. Бұл спираль екі салмақты қолды қозғалтып, оларды ортадан ішке және сыртқа жылжытатын, айналу радиусын өзгертіп, соның салдарынан тербеліс периодын өзгертетін. Сол патентте ол жаңа спиральді тепе-теңдік пружинасын да енгізді. Бұл пішін тепе-теңдік осінің айналу кезіндегі бүйірлік қысымын азайтып, жазық пружиналы тепе-теңдіктерге тән "бекітілу нүктесі" әсерінен туындайтын кездейсоқ қателерді де азайтады. Арнольд 1782 жылы Ұзындық кеңесіне жолдаған хатында «пружинаның барлық бөліктеріндегі күш біркелкі» деді. Арнольдтың осы формадағы тепе-теңдік пружинасының техникалық артықшылықтарын танығандығы оның жоғары көрегендігін көрсетеді. Патент нысаны болған тепе-теңдік сәтті жоба болмаған секілді. Әрине, кейбір теңіз хронометрлерінде осы тепе-теңдік қолданылған, бірақ ешқайсысы сақталған жоқ. Пирсон өзінің қолында 2,4 дюйм диаметріндегі осындай тепе-теңдік болғанын жазды. 1772-1775 жылдары Арнольд шамамен 35 қалталық уақыт өлшегіш жасады. Олардың онға жуығы ғана сақталды, бірақ ешқайсысы бастапқы түрінде емес, себебі Арнольд олардың сипаттамаларын үнемі жаңартып отырды. Олар бастапқыда бұрышталған тұтқыр шығырмен, болаттан жасалған тепе-теңдікпен және спиральді тепе-теңдік пружинасымен жабдықталған. Бұл пружинаға әсер ететін спиральді биметалл тіреуіш температуралық өтемақы беруге арналған, бірақ бұл жүйе тиімді болмады, сондықтан Арнольд әр сағатты кейіннен өзгертіп, жақсартты. Бұл сериядан сақталған хронометрлердің нөмірлері – 3, 29 және 28. Арнольдтың одан әрі тәжірибелері мен өнертабыстары 1770-ші жылдардың соңында маңызды жаңалыққа әкелді. Ол компенсациялық тепе-теңдікті қайта жобалап, екі перспективалы жобаны жасады. «T» және «S» тепе-теңдіктері деп аталған және Арнольдтың 1782 жылғы патентында осылай белгіленген (вероятно, олардың сыртқы түріне байланысты), екеуі де температура өзгергенде айналу радиусын өзгертетін салмақтары бар мыс және болаттан жасалған биметалл жолақтарын қолданды. Бұл жобаларға көп түзетулер қажет болса да, олар оның бұрынғы әрекеттерімен салыстырғанда жақсы жұмыс істеген сияқты.

In 1775, Arnold took out a patent for a new form of compensation balance with a bimetallic spiral at the centre. This spiral actuated two weighted arms, making them move in and out from the centre, changing the radius of gyration, and thus the period of oscillation. In the same patent, he included a new helical balance spring. This shape reduced lateral thrust on the balance pivots as they rotated, and reduced random errors from the "point of attachment" effect, which any balance with a flat spring suffers from. As Arnold stated rather succinctly in a 1782 letter to the Board of Longitude, " the power in all parts of the spring is uniform." The fact that Arnold had recognized the technical advantages of a balance spring of this form clearly demonstrates a high degree of insight. The balance that was the subject of the patent appears to have been an unsuccessful design. Certainly, some marine chronometers used this balance, but none have survived. Pearson records a balance of this kind in his possession that was 2.4 inches in diameter. From 1772 to 1775, Arnold also made about 35 pocket timekeepers. Not many, about ten of these, survive and none in their original form, as Arnold was constantly upgrading their specification. They appear to have originally had a pivoted detent escapement, with a steel balance and a helical balance spring. A spiral bimetallic curb acting on this spring was intended to provide the temperature compensation, but this system evidently did not work, as every watch was subsequently altered and improved by Arnold shortly afterwards. Surviving chronometers from this series include Numbers 3, 29 and 28. Further experimentation and invention by Arnold led to a breakthrough in the late 1770s. He redesigned the compensation balance and developed two designs that showed promise. Known as the "T" and "S" balances, and marked as such in Arnold's 1782 patent (probably because of their appearance), both employed bimetallic strips of brass and steel with weights attached, which changed the radius of gyration with change in temperature. Although these probably needed a lot of adjustment, they appear to have worked well compared to his previous attempts at a compensation balance.

Нақты уақыт өлшеудегі революция

1777 жылға таман Арнольд хронометрін қайта жобалап, жаңа "Т" тепе-теңдігін орналастыруға арналған етіп үлкейтті. Осы үлгідегі алғашқы хронометрге "Invenit et Fecit" деген белгі салынды және ол жаңа дизайнның біріншісі болғандықтан, 1/36 бөлшектік нөмірі берілді. Бұл хронометр Арнольд 36 деп белгілі болды және Арнольдтың хронометр деп атаған алғашқы сағаты еді, бұл термин кейіннен кеңінен қолданысқа еніп, қазірге дейін кез келген жоғары дәлдікті сағатты білдіреді. Гринвичтегі Корольдік обсерваториясы Арнольд 36-ны 1779 жылдың 1 ақпанынан 1780 жылдың 6 шілдесіне дейін он үш ай бойы сынақтан өткізді. Сынақ жүргізушілер оны әртүрлі жағдайларда орналастырды, тіпті киіп, алып жүрді. Сағаттың көрсеткен дәлдігі барлық күтілгеннен асып түсті. Уақытты есептеу қатесі 2 минут 32,2 секунд болды, бірақ соңғы тоғыз айдағы қателік бір минутты құрады. Кез келген 24 сағат ішіндегі ең үлкен қателік тек 4 секундты көрсетті, яғни экватордағы бір теңіз шақырымын білдірді. Кейіннен Арнольд сынақ пен нәтижелерін егжей-тегжейлі баяндаған брошюра жариялады, онда сынақтарға қатысқандардың барлығының шындыққа сәйкестігі туралы куәліктері келтірілді. Маскелиннің ассистенті, пастор Джон Хеллинс, брошюраны дайындаумен айналысты. Бұл сағаттың таңғажайып көрсеткіштері дау тудырды, өйткені көптеген адамдар нәтижені жай ғана сәйкес келу немесе қандай да бір "алдау" деп ойлады, әсіресе Маскелин Арнольдтың меценаттарының бірі болғандықтан. Алайда, техникалық тұрғыдан алғанда, дизайн толыққанды дұрыс және ұзақ мерзімде жоғары дәлдікті қамтамасыз етті. Арнольд, әрине, Харрисонның бұрын үйренген сабақтарын еске алды – үлкен, жылдам тербелісетін тепе-теңдікті (сағатына 18 000 соққы) кішкентай оспен қолдану. Арнольдтың тұтқырдан шығу тетігі тепе-теңдікті басқаратын спиральді серпімдіге минималды кедергі келтірді, себебі температураны өтеу тепе-теңдіктің өзінде жүзеге асырылды. Харрисон бұл талапты алдын ала қойған болатын, бірақ оны дамыта алмады. Арнольдтың тұтқырдан шығу тетігіне жұмыс жасайтын беттерге майлау қажет болмады, бұл оның жылдамдығының нашарлауын болдырмады және ұзақ уақыт бойы тұрақты қалды. Ол кезде қазіргі майлау материалдарымен салыстырғанда тез тозатын өсімдік майы ғана қолданылды. Диаметрі 60 мм болатын бұл хронометр алтын корпусқа орналасқан және керемет түрде түпнұсқа күйінде сақталған. Ол 1993 жылы ел үшін сақталды және қазір Лондондағы Гринвичтегі Ұлттық теңіз мұражайының коллекциясында көрсетілуде. Ұлыбританияда Харрисонның теңіз сағатынан бұрын кішкентай немесе өте кішкентай сағаттар (мысалы, Арнольдтың жүзік сағаты) сағат жасау шеберлігінің ең жоғары сынағы ретінде қарастырылды, әсіресе күрделі және дәл сағаттар үшін. Алайда Харрисон мен Арнольд екеуі де дәл сағаттың үлкен диаметрлі болуы керектігін көрсетті, сондықтан 18-шы ғасырдың соңына қарай үлкен сағат жақсы жасалған және жоғары сапалы сағаттың басты белгісі саналды.

Around 1777, Arnold redesigned his chronometer, making it larger in order to accommodate the new "T" balance that worked with his pivoted detent escapement and patented helical spring. The first chronometer of this pattern was signed "Invenit et Fecit" and given the fractional number 1 over 36, as it was the first of this new design. It is generally known as Arnold 36 and was, in fact, the first watch that Arnold called a chronometer, a term that subsequently came into general use and still means any highly accurate watch. The Royal Observatory, Greenwich tested Arnold 36 for thirteen months, from 1 February 1779 to 6 July 1780. The testers placed it in several positions during the trial, and even wore it and carried it around. The watch exceeded all expectations, as it demonstrated great accuracy. The timekeeping error was 2 minutes 32.2 seconds, but the error in the last nine months amounted to just one minute. The greatest error in any 24 hours was only four seconds, or one nautical mile of longitude at the equator. Subsequently, Arnold produced a pamphlet that detailed the trial and results, with attestations of veracity from all those concerned with the tests. Maskelyne's assistant, the Rev. John Hellins, was in charge of the pamphlet. The astonishing performance of this watch caused controversy, because many thought the result was either a fluke or a "fix" of some kind, particularly as Maskelyne was, effectively, one of Arnold's patrons. From a technical point of view, however, the design was entirely sound and highly accurate over long periods. Arnold evidently learned the lessons that Harrison had learned before him—using a large, quickly oscillating balance (18,000 beats per hour) with small pivots. Arnold's detent escapement provided minimal interference with the controlling helical balance spring, since the temperature compensation was in the balance itself. Harrison had suggested this as a prerequisite, though he never developed the idea. Arnold's pivoted detent escapement did not need oil on acting surfaces, with the advantage that the rate of action did not deteriorate, and remained stable for long periods. At the time, only vegetable oil was available, which degraded quickly compared to modern lubricants. This chronometer, 60mm in diameter, is housed in a gold case, and miraculously has survived in perfect and original condition. It can be seen in the collections of the National Maritime Museum, Greenwich, London, having been saved for the nation in 1993. In Britain, prior to Harrison's marine watch, a small, or very small watch (such as Arnold's ring watch) was generally regarded as the ultimate test of watchmaking skill, especially with regard to complex and accurate watches. Both Harrison and Arnold however, demonstrated that an accurate watch had to be of large diameter, so by the end of the 18th century, a watch of large size was considered the primary characteristic of a well made and superior watch.

Арнольдтың 1782 жылғы екінші патенті

1782 жылы Арнольд өзінің соңғы және ең маңызды өнертабыстарын қорғау үшін тағы бір патент алды, олар үлкен табыс әкелуі мүмкін еді. Бірнеше басқа сағатшылар, әсіресе Томас Эрншоу, Арнольдтың жұмысын көшіре бастады. 1780 жылдар шамасында Эрншоу өзінің тұтқырлық механизмін өзгертіп, тұтқырды серіппеге орнату арқылы серіппелі тұтқырлық механизмін жасады. Осы кезеңде, 1779 мен 1782 жылдар аралығында, Арнольд хронометрлік сағаттарының түрін аяқтады. Ұдайы тәжірибелер жүргізу арқылы ол тиімді, бірақ қарапайым өтемақы тепе-теңдігін жасаудың жолын тапты. Сонымен қатар, ол спиральді серіппесіне қарапайым өзгеріс енгізіп, оның концентрлі түрде дамуына және тербелісті тепе-теңдікке изохронизм қасиетін беруіне мүмкіндік берді. Бұл ғана емес, өтемақы тепе-теңдігі мен серіппеге қарапайым, есептелген түрде түзетулер енгізуге болады. Осы мәселелер 1782 жылы алынған патенттің негізгі тақырыптары болды. Тепе-теңдік дөңгелегінде диаметрі бойымен екі биметалл жолағы бекітілген дөңгелек болды. Әрбір биметалл жолақ салмақ немесе тепе-теңдік гайкасы орнатылған бұрандалы ұямен аяқталады. Гайка жолақ бойымен бұраған сайын, өтемақы әсері артады. Патенттің тағы бір бөлігі тепе-теңдік серіппесінің түріне қосымшаға қатысты – спиральді серіппенің әр шетіндегі кішкентай радиусы бар орам, ол тербелістің соңына қарай айналатын тепе-теңдікке қарсылықты арттырады. Бұл маңызды өнертабыс болды, себебі ол тепе-теңдігімен басқарылатын сағаттардың орналасуын реттеу мәселесін көп бөлігімен шешті. Бұл құрылғы, «Үстіне оралған» тепе-теңдік серіппесі деп белгілі, бүгінгі күнге дейін көптеген дәл механикалық сағаттарда қолданылады. Патенттің тағы бір бөлігі Арнольдтың иінтіректі тұтқырлық механизміне енгізілген өзгеріске қатысты, ол тұтқырды серіппеге орнатты. Сипаттамада осы механизмнің импульстік роликке әсер ету әдісі ғана көрсетілген.

In 1782, Arnold took out another patent to protect the latest and most important inventions, which were potentially lucrative. Several other watchmakers, most notably Thomas Earnshaw, had started to copy Arnold's work. Around 1780, Earnshaw modified his detent escapement by mounting the detent on a spring to create the spring detent escapement. During the same period, between 1779 and 1782, Arnold finalized the form of his chronometer watches. Through continuous experimentation, he worked out a way to make an effective but simple form of compensation balance. At the same time, he discovered a simple modification to his helical balance spring that let develop concentrically and, also, confer the property of isochronism on the oscillating balance. Not only this, but adjustments to the compensation balance and the balance spring could be carried out in a simple, calculated way. These were the main subjects of the patent, which he took out in 1782. The balance consisted of a circular steel balance wheel with two bimetallic strips attached diametrically. Each bimetallic strip terminated with a screw thread mounted with a weight or balance nut. The further along the strip this nut was screwed, the greater the compensating effect. Another part of the patent concerned an addition to the form of the balance spring—a coil of smaller radius at each end of the helical spring, which offered increasing resistance to the rotating balance as it turned towards the end of each vibration. This was an important invention, as it largely eliminated the problem of the positional adjustment of balance controlled watches. This device, known as the Overcoil balance spring, is still used today in most precision mechanical watches. Another part of the patent concerned the escapement—a modification of Arnold's pivoted detent escapement that essentially mounted the detent on a spring. The specification only shows the part of this escapement that is the method of impulse on the impulse roller.

Патенттер мен плагиат

Арнольд уақытты өлшеу технологиясын қарапайым, бірақ тиімді механикалық тәсілдермен өзгертіп, үлкен жетістікке жеткендіктен, басқа сағат шеберлері осы әдістерді көшіріп, рұқсатсыз пайдалана алды. Сондықтан Арнольд патенттерін рәсімдеді. Тағы екі өндіруші де жоғары дәлдікті сағаттар жасады: Джозия Эмери және Джон Брокбанк. Екеуі де Арнольдтың достары болды және екеуі де өте білікті жұмысшы, сондай-ақ эскапемент шебері Томас Эрншоуды жұмысқа алды. Джозия Эмери Арнольдтың рұқсатымен оның өтемақы теңгерімінің және спиральді серіппесінің бұрынғы нұсқасын Томас Мадждың ажыратылған рычагты эскапементімен бірге қолданды. Джон Брокбанк Эрншоуды хронометрдің үлгісін жасауға шақырды, бірақ Брокбанктің өтемақы теңгерімінің дизайнымен. 1780 жылы Брокбанк үшін осы хронометрлерді жасап жатқанда, Эрншоу бұрылысты бөлікті серіппеге орнату арқылы өзгертіп, бұрылыстардан бас тартты. Арнольд бұл жаңа идеяны байқады және 1782 жылы өзінің серіппелі тұтқасының дизайнына патент алды, бірақ бұл Эрншоудың ойлап табуынан бұрын болды ма, жоқ па белгісіз. Сондықтан, серіппелі тұтқаны кім ойлап тапқаны туралы көп пікірталас туды, Арнольд пе Эрншоу. Бұл пікірталасты алғаш Эрншоу бастады, ал кейінгі сағат тарихшылары (мысалы, Руперт Гулд) оны бүгінгі күнге дейін жалғастыруда. Дегенмен, бұл пікірталас мәнсіз. Соңғы жылдарығы зерттеулер Арнольдтың табысы эскапементтің түріне емес, оның тепе-теңдік серіппесін позициялық қателерге қарай реттеудің жаңа әдістеріне байланысты екенін көрсетті. Арнольд осы әдістерін құпия ұстауға тырысты, ол Эрншоуға плагиат жайлы алаңдаушылығын білдіріп, оған өзінің спиральді серіппесін пайдаланбауға ескертті. Бірақ бір жыл өткен соң, 1783 жылы, Эрншоу басқа сағатшы Томас Райт арқылы патент алды, онда Эрншоудың интегралды өтемақы теңгерімі мен серіппелі эскапементінің үлгісі бірнеше ерекшеліктерде көрсетілді. Алайда, екеуі де жетілмеген және Арнольдтің үлгілерімен салыстырғанда тиімсіз болды, әсіресе теңгерімді қайта жасау қажет болды. Соңында, көп пікірталасқаннан кейін, Ұзақтық кеңесі Эрншоу мен Арнольдқа хронометрлерді жетілдіргені үшін сыйлықтар берді. Эрншоу 2500 фунт стерлинг, ал Джон Арнольдтың ұлы Джон Роджер Арнольд 1672 фунт стерлинг алды. Эрншоу жасаған екі металлдан жасалған өтемақы теңгерімі және серіппелі эскапементі содан бері теңіз хронометрлерінде кеңінен қолданылып келеді. Осы себепті Эрншоу да хронометрлерді дамытудың алғашқы пионерлерінің бірі саналады. Алайда, Арнольдтың тепе-теңдік серіппесінің патенттері күшінде болғандықтан (әрқайсысы 14 жылға), Эрншоу 1775 жылғы патент 1789 жылы, ал 1782 жылғы патент 1796 жылы тоқталғанға дейін спиральді серіппені пайдалана алмады. 1796 жылға дейін Эрншоу тек жазық серіппелі сағаттар жасады, бірақ 1800 жылдан кейін, Эрншоудың өзіндік сағаттарының ішінде, барлық теңіз хронометрлерінде терминалдық оверкоилдері бар спиральді серіппелер болды. Арнольд 1783 жылдан бастап Эльтемдегі Велл Холлдағы зауытында теңіз және қалта хронометрлерін көптеп өндірді. Келесі 14-15 жыл ішінде ол ешқандай бәсекелестік болмастан жүздеген дана өндірді. Бұл Гульд пен Собель сияқты авторлардың Арнольд аға мен Эрншоу арасында коммерциялық бәсекелестік болды деген пікірлері дұрыс емес екенін көрсетеді.

The fact that Arnold had gained great success by modifying the technology of the timekeeper by means of simple yet effective mechanical techniques also meant that other watchmakers could copy these methods and use them without permission. This is why Arnold took out his patents. Two other makers also made precision watches with the detached escapement: Josiah Emery and John Brockbank. Both were friends of Arnold, and both employed the highly skilled workman and escapement maker Thomas Earnshaw. Josiah Emery used, with Arnold's permission, an earlier form of his compensation balance and helical balance spring, in conjunction with the detached lever escapement of Thomas Mudge. John Brockbank employed Earnshaw to make his pattern of chronometer, but with Brockbank's design of compensation balance. In 1780, while making these chronometers for Brockbank, Earnshaw modified the pivoted detent by mounting the locking piece on a spring, thus dispensing with the pivots. Arnold managed to see this new idea and promptly took out the 1782 patent for his own design of spring detent, but it is not known whether this preceded Earnshaw's own idea. Therefore, there has been a great deal of debate over who invented the spring detent escapement, Arnold or Earnshaw. This argument, first initiated by Earnshaw, has been continued by horological historians (such as Rupert Gould) to the present day. However, the argument is irrelevant. In recent years, research has established that Arnold's success was not due to the form of detent escapement, but to his original methods of adjusting the balance spring for positional errors by manipulating the overcoil terminal curve. For obvious reasons, Arnold tried to keep these methods secret; certainly it is recorded that he clearly expressed his concerns about possible plagiarism to Earnshaw, warning him in no uncertain terms not to use his Helical balance spring. Nevertheless, a year later, in 1783, Earnshaw—through another watchmaker, Thomas Wright—took out a patent that included Earnshaw's pattern of integral compensation balance and spring detent escapement in the multiple specification. However, both of these were undeveloped and compared to Arnold's were of little use, the balance especially having to be redesigned. Eventually, after much argument, the Board of Longitude granted Earnshaw and Arnold awards for their improvements to chronometers. Earnshaw received £2500 and John Arnold's son, John Roger Arnold, received £1672. The bimetallic compensation balance and the spring detent escapement in the forms designed by Earnshaw have been used essentially universally in marine chronometers since then. For this reason, Earnshaw is also generally regarded as one of the pioneers of chronometer development. However, because Arnold's balance spring patents were in force (each for 14 years), Earnshaw could not use the helical balance spring until the 1775 patent lapsed in 1789, and, in the case of the 1782 patent, 1796. Until around 1796, Earnshaw made watches with flat balance springs only, but post 1800, practically every marine chronometer, including those by Earnshaw, had a helical spring with terminal overcoils. Arnold was the first to produce marine and pocket chronometers in significant quantities at his factory at Well Hall, Eltham from around 1783. During the next 14 or 15 years, he produced hundreds before he had any kind of commercial competition. These indicate that authors such as Gould and Sobel are incorrect in their assertion that there was commercial rivalry between Arnold Sr. and Earnshaw.

Арнольд пен Бреге

Францияның көрнекті сағатшысы Абрахам Луи Бреге Арнольдтың жақын досы болды. 1792 жылы Орлеан герцогы Лондонда Арнольдпен кездесіп, оған Брегенің сағаттарының бірін көрсетті. Арнольд одан қатты әсер алып, дереу Парижге сапар шегіп, Брегеден ұлын шәкірттікке алуға рұқсат сұрады. Арнольд Брегеге өзінің кез келген өнертабыстарын және техникаларын өз сағаттарына енгізуге немесе дамытуға толық еркіндік берген сияқты. Бұларға оның тепе-теңдік дизайны, болаттан немесе алтыннан жасалған спиральді серіппелер, серіппелі тұтқалы механизм, оверкойл тепе-теңдік серіппесі және тіпті Бреге өз дизайнына енгізген Арнольдтың сағат дискісінің дизайны кірді. Бұл дискілер алтын немесе күмістен жасалған өрнектің көмегімен өңделді – бұл классикалық және ерекше Бреге сағат дискісіне айналды. Арнольдтың бұл үлгісі алғаш рет 1783 жылы оның кішкентай хронометрлері үшін жасалған эмальды сағат дискілерінде пайда болды. Олардың пропорциялары мен орналасуы шамамен 1800 жылы пайда болған классикалық "Бреге" типті металл дискілермен бірдей болды, және ол кезде Францияда немесе Швейцарияда жасалған басқа ешқандай сағатқа ұқсамайтын.

Арнольд пен "Турбильон"

Арнольд, сондай-ақ, турбильон тұжырымдамасын алғаш рет ойлаған адам болған сияқты; бұл оның позициялық қателерді анықтау және жою жөніндегі белгілі жұмысынан туындаған болуы керек. Турбильон құрылғысында тепе-теңдік және эскапмент үздіксіз айналады, бұл тепе-теңдік дөңгелегі тік күйде дұрыс теңдестірілмегеннен туындайтын қателерді жояды. Арнольд осы идеямен тәжірибе жасаған көрінеді, бірақ 1799 жылы, оны одан әрі дамытуға үлкермей қайтыс болды. Бреге 1795 жылы сәтті және қолдануға ыңғайлы турбильон механизмін жасады, бірақ дегенмен, ол 1808 жылы өзінің алғашқы турбильонын Арнольдтың ұлы Джон Роджерге сыйлап, Арнольдты ойлап табушы ретінде мойындады. Досы Арнольд ағасына құрмет көрсету үшін ол өзінің алғашқы турбильондық механизмін Арнольдтың алғашқы қалталық хронометрлерінің біріне, Арнольд No.11-ге орналастырды. Бұл сағатқа жазылған естелік жазу:

"Бреге жасаған алғашқы турбильондық уақыт өлшегіш, Арнольдтың алғашқы жұмыстарының біріне енгізілген. Арнольдтың құрметті есіміне арналған Бреге құрметі, оның ұлына 1808 жылы сыйланған." Бұл маңызды және елеулі сағат қазір Ұлыбритания мұражайының сағаттар мен сағаттар коллекциясында сақталуда. Арнольд 1799 жылы қайтыс болған кезде ол әлемдегі ең танымал сағатшы болды, дәлдікті хронометрді ойлап тапқан ретінде ерекше көзге түсті.

Джон Роджер Арнольд

Арнольдтың ұлы Джон Роджер Арнольд 1769 жылы дүниеге келді және әкесімен де, танымал француз сағатшысы Абрахам Луи Брегемен де шәкірттікке түсті. 1817 жылы ол Сағатшылардың құрметті компаниясының шебері атанды. 1787 жылдан бастап ол әкесімен бірлесіп Arnold & Son компаниясын құрды. 1799 жылы әкесі қайтыс болғаннан кейін Джон Роджер бизнесті жалғастырып, 1830 мен 1840 жылдар аралығында Джон Дентті серіктес етіп алды. 1843 жылы қайтыс болғаннан соң компанияны сағаттанушы Чарльз Фродшем сатып алды.