Джон Арнольд: Английский часовщик и изобретатель морского хронометра

Введение

Английский часовщик и изобретатель XVIII века Джон Арнольд (1736 – 11 августа 1799) был английским часовщиком и изобретателем. Джон Арнольд первым создал часы, которые были одновременно практичными и точными, а также ввёл термин "хронометр" в его современном значении – как высокоточный прибор для измерения времени. Его технические усовершенствования позволили начать серийное производство морских хронометров для использования на судах примерно с 1782 года. Базовая конструкция этих хронометров, с незначительными изменениями, оставалась неизменной до конца XX века. Вместе с Авраамом-Луи Бреге, он является одним из изобретателей современных механических часов. Одно из его важнейших изобретений – спираль баланса с кривой Цейннера – до сих пор используется в большинстве механических наручных часов. Примерно с 1770 года Арнольд начал разрабатывать портативные высокоточные хронометры, практически сразу после завершения работы в этой области Джоном Харрисоном. Однако, в отличие от сложных и дорогих часов Харрисона, базовая конструкция Арнольда была простой, но при этом неизменно точной и механически надёжной. Важно отметить, что относительно простая и традиционная конструкция его механизма обеспечивала возможность серийного производства по разумной цене, а также облегчала обслуживание и регулировку. Для достижения этого потребовалось три ключевых элемента:
Свободный анкерный спуск, минимизирующий влияние на колебания баланса и спирали;
Конструкция баланса, компенсирующая влияние температуры на спираль;
Метод регулировки спирали баланса, обеспечивающий равную продолжительность колебаний баланса при различных углах его отклонения.

Ранняя жизнь и работа

Джон Арнольд был учеником у своего отца, также часовщика, в Бодмине, Корнуолл. Вероятно, он также работал со своим дядей, оружейником. Около 1755 года, в возрасте 19 лет, он покинул Англию и работал часовщиком в Гааге, Голландия, вернувшись в Англию около 1757 года. В 1762 году, находясь в Сент-Олбансе, графство Хартфордшир, он встретил Уильяма МакГайра, для которого отремонтировал часы с повтором. Арнольд произвел такое впечатление, что МакГайр предоставил ему заем, позволивший открыть собственное дело в качестве часовщика в Деверё-Корт, Стрэнд, Лондон. Сохранились подобные часы работы Арнольда; интересно, что базовый механизм швейцарского происхождения, но был доработан в Лондоне. В эти часы позже был установлен один из первых драгоценных цилиндров из рубина. Около 1768 года Арнольд изготовил для короля еще одни часы – золотые часы с эмалью и механизмом, отличавшимся всеми возможными усовершенствованиями, включая минутный повтор и центральную секундную стрелку. Кроме того, Арнольд установил биметаллическую температурную компенсацию, и не только все отверстия под оси были украшены драгоценными камнями, но и в спусковом механизме использовался цилиндр из рубина или сапфира. Арнольд присвоил этим часам название "Номер 1", как и всем значимым часам, которые он изготавливал, всего их было двадцать. Другие ранние работы Арнольда, созданные в период с 1768 по 1770 год, демонстрируют оригинальность и изобретательность; к ним относятся часы с центральной секундной стрелкой, завод которых осуществлялся однократным нажатием на заводную головку. Механизм этих часов также был полностью украшен драгоценными камнями и оснащен температурной компенсацией и рубиновым цилиндровым спуском. Эти часы были созданы как демонстрация таланта Арнольда и, по стилю и содержанию, были схожи с другими «часами для бесед», изготавливаемыми в то же время для Джеймса Кокса и предназначенными главным образом для экспорта на Восток.

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.

Технические проблемы

Способности и изобретательность Арнольда, в сочетании с его несомненным обаянием, привлекли внимание королевского астронома Невиля Маскелина, который в то время искал часовщика, достаточно умелого, чтобы изготовить копию успешного морского хронометра Джона Харрисона. Полное и подробное описание этих часов было опубликовано Советом по долготе в 1767 году под названием «Принципы часового механизма г-на Харрисона», и предполагалось, что оно послужит образцом для будущего серийного производства. Фактически, это был чрезвычайно сложный и технически передовой образец микромеханики, воспроизвести который могли менее чем несколько часовщиков. Однако эту задачу принял Ларкум Кендалл, который два года работал над почти идентичной копией (ныне известной как K1), стоившей 450 фунтов стерлингов – огромной суммы по тем временам. Несмотря на то, что часы оказались точным хронометром, Адмиралтейство, по понятным причинам, хотело иметь хронометр на каждом крупном корабле, а часы Кендалла были слишком дорогими и требовали слишком много времени для изготовления. Кендалл создал упрощенную версию (K2) в 1771 году, исключив сложную систему ремантуара. Но результат все равно был слишком дорогим и, к тому же, менее точным, чем оригинал. Поэтому, оглядываясь назад, значительным событием стало то, что в 1767 году Невил Маскелин вручил Джону Арнольду копию «Принципов часового механизма г-на Харрисона» сразу после ее публикации, очевидно, чтобы побудить его изготовить точный хронометр того же типа. Маскелин впоследствии поддерживал Арнольда, несколько раз нанимая его для работы, в основном связанной с изготовлением и отделкой часов и часовых механизмов. В 1769 году Арнольд модифицировал часы с центральной секундной стрелкой, изготовленные Джоном Элликоттом для Маскелина, заменив стальной цилиндровый спуск на сапфировый. Он одолжил эти часы астроному Уильяму Уэльсу для оценки практичности метода лунных расстояний Маскелина для определения долготы корабля во время экспедиции по наблюдению за прохождением Венеры по диску Солнца в Вест-Индию в 1769 году. Примерно в это же время Арнольд, по-видимому, начал задумываться о создании точного хронометра для определения долготы.

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.

Первые "Часовые машины" Арнольда

Подход Арнольда к точному хронометрированию был совершенно иным, чем у Харрисона, чей технический дух был укоренен в теории и практике XVII и начала XVIII веков. Арнольд понимал, что поскольку баланс и спираль баланса контролируют ход времени в переносных часах, ему нужно было лишь найти способ обеспечить балансу постоянный импульс с минимальным вмешательством от колесного механизма, а также эффективную температурную компенсацию. После создания нескольких экспериментальных моделей он представил Совету по долготе в марте 1771 года то, что можно считать производственной моделью. Этот механизм кардинально отличался от часов Харрисона. Это была коробка из красного дерева, внутри которой располагался механизм, относительно простой, но по размеру близкий к механизму Харрисона, с балансом аналогичного диаметра. Радикальным отличием, однако, был вновь разработанный спусковой механизм, оснащенный горизонтально расположенным поворотным стопором, позволявшим балансу свободно колебаться, за исключением моментов получения импульса от спускового колеса. Спираль баланса также имела устройство температурной компенсации, аналогичное тем, что использовались в часах Арнольда, и основанное на биметаллической полосе Харрисона из латуни и стали. Арнольд предложил изготавливать эти хронометры по 60 гиней за штуку. Три таких хронометра сопровождали исследователей Джеймса Кука и капитана Фурно во время их второго путешествия в южную часть Тихого океана в 1772–1775 годах. Капитан Кук также имел на борту первый хронометр Кендалла, а также один из хронометров Арнольда. В то время как хронометр Кендалла работал очень хорошо и показывал отличное время в пути, лишь один из хронометров Арнольда продолжал работать по возвращении в Англию в 1775 году. Результаты работы этих часов были зафиксированы в судовых журналах астрономов Уильяма Уэльса и Уильяма Бейли, оценивавших их пригодность для измерения долготы. В этот период Арнольд также изготовил по крайней мере одни точные карманные часы – миниатюрную версию более крупных морских хронометров. Эти сохранившиеся часы датируются примерно 1769–1770 годами и имеют гравировку Arnold No. 1 Invenit et Fecit (лат. «изобрел и сделал»). Механизм, показывающий центральные секунды, имеет стальной баланс с биметаллической полосой температурной компенсации, действующей на плоскую спираль баланса. Хотя спусковой механизм был впоследствии изменен, первоначальный механизм представлял собой горизонтальный поворотный стопор Арнольда, установленный на более крупных хронометрах, который, по-видимому, не был полностью успешен и требовал доработки. Около 1772 года Арнольд модифицировал этот спусковой механизм, повернув его вертикально и добавив пружину. Это было гораздо более удачное решение, и известно, что в 1772 году по крайней мере два карманных хронометра с этим спусковым механизмом были поставлены Джозефу Бэнксу за 100 фунтов стерлингов (Arnold No.5), а также его сокурснику по Итону, капитану Константину Джону Фиппсу, 2-му барону Малгрейву. В длинной и подробной статье на эту тему, опубликованной в журнале Australiana, ноябрь 2014 г., том 36, № 4, Джон Хокинс подробно описывает связь между этими двумя людьми и предполагаемую возможность того, что этот инструмент является одним и тем же. Первый в мире карманный хронометр, первоначально предназначенный для второго путешествия Кука, приобретенный Бэнксом и одолженный Фиппсу, как известно, был небольшими часами с центральными секундами, аналогичными тем, что изготавливал Элликот. В 1773 году капитан Фиппс совершил путешествие к Северному полюсу, взяв с собой не только карманный хронометр Арнольда и хронометр Арнольда в кардановом подвесе, но и хронометр "K2" Кендалла. Из рассказа Фиппса следует, что карманные часы работали очень хорошо и были удобным инструментом для определения долготы. Вероятно, что до 1775 года самые ранние карманные хронометры Арнольда, такие как те, что были поставлены Фиппсу и Бэнксу, представляли собой обычные часы с центральными секундами, во многом напоминающие цилиндрические часы Элликота, изготовленные для Маскелина. Безусловно, сохранившиеся экземпляры соответствуют этому калибру, например, No. 3. К 1772 году Арнольд завершил разработку своих карманных хронометров и начал серийное производство с использованием стандартизированного калибра механизма, диаметром около 50 мм, что больше, чем у обычных часов того времени, и показывал секунды с помощью поворотного стопора и спиральной компенсационной дуги. Однако последнее, по-видимому, оказалось неэффективным, что, по-видимому, существенно замедлило темпы производства. Несмотря на то, что он изготовил ряд карманных хронометров, примерно с 1772 по 1778 год, Арнольд продолжал экспериментировать с различными типами компенсационных балансов и методами регулировки спирали баланса. Самой сложной проблемой, которую предстояло решить, была проблема создания эффективного и непрерывно регулируемого устройства температурной компенсации. По техническим причинам температурную компенсацию для спирали баланса необходимо было каким-то образом интегрировать в сам баланс, а не воздействовать непосредственно на спираль баланса, как это делали ранее Арнольд и другие.

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.

Первый патент Арнольда 1775 года

В 1775 году Арнольд запатентовал новую конструкцию компенсационного баланса с биметаллической спиралью в центре. Эта спираль приводила в действие два балансировочных плеча, заставляя их перемещаться от центра и к центру, изменяя радиус инерции и, следовательно, период колебаний. В том же патенте он представил новую спиральную балансировочную пружину. Эта форма уменьшала боковое усилие на осях баланса при вращении и снижала случайные ошибки, вызванные эффектом "точки крепления", от которого страдают балансы с плоскими пружинами. Как довольно кратко отметил Арнольд в письме к Совету по долготе в 1782 году: "во всех частях пружины сила остается равномерной". Тот факт, что Арнольд осознал технические преимущества балансировочной пружины такой конструкции, свидетельствует о его глубоком понимании. Баланс, являвшийся предметом патента, по-видимому, оказался неудачной конструкцией. Некоторые морские хронометры использовали этот баланс, но ни один из них не сохранился. Пирсон зафиксировал баланс такого типа, находившийся в его собственности, диаметром 2,4 дюйма. С 1772 по 1775 год Арнольд также изготовил около 35 карманных хронометров. Сохранилось лишь около десяти из них, и ни один не в первоначальном виде, поскольку Арнольд постоянно совершенствовал их характеристики. Изначально они, по-видимому, были оснащены спусковым механизмом с поворотным предохранителем, стальным балансом и спиральной балансировочной пружиной. Биметаллическая спираль, воздействующая на эту пружину, предназначалась для температурной компенсации, но эта система, очевидно, не работала, поскольку вскоре после этого Арнольд изменил и улучшил каждый хронометр. К сохранившимся хронометрам из этой серии относятся экземпляры № 3, 29 и 28. Дальнейшие эксперименты и изобретения Арнольда привели к прорыву в конце 1770-х годов. Он переработал компенсационный баланс и разработал два перспективных варианта. Известные как балансы "T" и "S", обозначенные таким образом в патенте Арнольда 1782 года (вероятно, из-за их внешнего вида), оба использовали биметаллические полосы из латуни и стали с прикрепленными грузами, которые изменяли радиус инерции в зависимости от температуры. Хотя эти конструкции, вероятно, требовали значительной настройки, они, по-видимому, работали лучше, чем его предыдущие попытки создания компенсационного баланса.

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.

Революция в точном отсчете времени

Около 1777 года Арнольд переработал свой хронометр, увеличив его размеры, чтобы разместить новый баланс типа "T", работавший с его вращающимся спусковым механизмом и запатентованной спиральной пружиной. Первый хронометр этой конструкции был подписан "Invenit et Fecit" и получил дробный номер 1/36, поскольку являлся первым образцом новой конструкции. Он известен как Arnold 36 и фактически был первыми часами, которые Арнольд назвал хронометром – термин, впоследствии вошедший в широкое употребление и до сих пор обозначающий любые высокоточные часы. Королевская обсерватория в Гринвиче испытывала Arnold 36 в течение тринадцати месяцев, с 1 февраля 1779 года по 6 июля 1780 года. Испытатели помещали его в различные положения во время испытаний, даже носили и носили с собой. Часы превзошли все ожидания, продемонстрировав высокую точность. Погрешность хода составила 2 минуты 32,2 секунды, но за последние девять месяцев она составила всего одну минуту. Максимальная погрешность за 24 часа была всего 4 секунды, что соответствует одной морской миле долготы на экваторе. Впоследствии Арнольд опубликовал брошюру с подробным описанием испытаний и результатов, содержащую заверения в достоверности от всех, кто был вовлечен в испытания. Помощник Маскелина, преподобный Джон Хеллинс, отвечал за подготовку брошюры. Поразительные результаты работы этих часов вызвали споры, поскольку многие считали результат случайностью или некой "подтасовкой", особенно учитывая, что Маскелин фактически являлся одним из покровителей Арнольда. Однако с технической точки зрения конструкция была полностью обоснованной и обеспечивала высокую точность в течение длительного времени. Арнольд, очевидно, извлек уроки, которые ранее усвоил Гаррисон, – используя большой, быстро колеблющийся баланс (18 000 полуколебаний в час) с небольшими осями. Спусковой механизм Арнольда оказывал минимальное воздействие на управляющую спиральную пружину, поскольку температурная компенсация осуществлялась непосредственно в балансе. Гаррисон предлагал это как необходимое условие, хотя и не развил эту идею. Спусковой механизм Арнольда не требовал смазки рабочих поверхностей, что обеспечивало стабильность скорости хода в течение длительного времени. В то время в качестве смазочного материала было доступно только растительное масло, которое быстро деградировало по сравнению с современными смазками. Этот хронометр диаметром 60 мм заключен в золотой корпус и чудом сохранился в идеальном и оригинальном состоянии. Он экспонируется в коллекциях Национального морского музея в Гринвиче, Лондон, и был сохранен для нации в 1993 году. В Британии, до появления морских часов Гаррисона, небольшие или очень маленькие часы (например, кольцевые часы Арнольда) обычно считались высшим испытанием мастерства часового дела, особенно в отношении сложных и точных механизмов. Однако и Гаррисон, и Арнольд продемонстрировали, что точные часы должны быть большого диаметра, поэтому к концу XVIII века часы большого размера стали считаться основной характеристикой хорошо сделанных и превосходных часов.

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.

Второй патент Арнольда 1782 года

В 1782 году Арнольд получил еще один патент для защиты последних и наиболее важных изобретений, которые могли принести значительную прибыль. Несколько других часовщиков, в особенности Томас Эрншоу, начали копировать работы Арнольда. Около 1780 года Эрншоу модифицировал свой спусковой механизм, закрепив спусковой камень на пружине, чтобы создать спусковой механизм с пружиной. В тот же период, между 1779 и 1782 годами, Арнольд окончательно определил конструкцию своих хронометров. Благодаря непрерывным экспериментам, он разработал способ создания эффективной, но простой формы компенсационного баланса. Одновременно с этим он обнаружил простое изменение своей спиральной пружины баланса, которое позволяло ей развиваться концентрически и, кроме того, придавало свойство изохронизма колеблющемуся балансу. Более того, регулировки компенсационного баланса и спиральной пружины баланса могли выполняться простым и вычисленным способом. Эти вопросы и составляли основу патента, полученного им в 1782 году. Баланс состоял из круглого стального балансового колеса с двумя биметаллическими полосками, прикрепленными по диаметру. Каждая биметаллическая полоска заканчивалась резьбой, на которую навинчивался грузик или балансовая гайка. Чем дальше по полоске завинчивалась эта гайка, тем сильнее был компенсационный эффект. Другая часть патента касалась дополнения к форме спиральной пружины баланса – катушки меньшего радиуса на каждом конце спиральной пружины, которая оказывала возрастающее сопротивление вращающемуся балансу по мере его поворота к концу каждой вибрации. Это было важное изобретение, поскольку оно в значительной степени устранило проблему позиционной регулировки часов с регулируемым балансом. Это устройство, известное как спираль баланса «Overcoil», до сих пор используется в большинстве прецизионных механических часов. Еще одна часть патента касалась спускового механизма – модификации спускового механизма Арнольда, в которой спусковой камень крепился на пружине. В спецификации описана только часть этого механизма, а именно способ передачи импульса на импульсный ролик.

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.

Патенты и плагиат

Тот факт, что Арнольду удалось добиться значительных успехов, модифицировав технологию часов с помощью простых, но эффективных механических приемов, также означал, что другие часовые мастера могли копировать эти методы и использовать их без разрешения. Именно поэтому Арнольд оформил свои патенты. Еще два мастера также изготавливали точные часы с анкерным спуском: Джозиа Эмери и Джон Брокбанк. Оба были друзьями Арнольда и оба нанимали высококвалифицированного мастера и изготовителя спусков Томаса Эрншоу. Джозиа Эмери, с разрешения Арнольда, использовал более раннюю форму его компенсационного баланса и спиральной балансовой пружины в сочетании с анкерным спуском Томаса Маджа. Джон Брокбанк привлек Эрншоу к изготовлению его модели хронометра, но с конструкцией компенсационного баланса Брокбанка. В 1780 году, изготавливая эти хронометры для Брокбанка, Эрншоу модифицировал штыревой отключатель, закрепив блокирующий элемент на пружине, тем самым отказавшись от использования штырей. Арнольду удалось увидеть эту новую идею и незамедлительно оформил патент 1782 года на свою конструкцию пружинного отключателя, однако неизвестно, предшествовала ли эта идея собственной разработке Эрншоу. Поэтому возникло множество споров о том, кто изобрел пружинный отключатель, Арнольд или Эрншоу. Этот спор, впервые начатый Эрншоу, продолжается историками часового дела (такими как Руперт Гулд) и по сей день. Однако сам спор не имеет значения. В последние годы исследования показали, что успех Арнольда был обусловлен не конструкцией отключателя, а его оригинальными методами регулировки балансовой пружины для компенсации позиционных ошибок путем манипулирования формой концевой кривой спирали. По понятным причинам Арнольд старался держать эти методы в секрете; известно, что он выразил Эрншоу свою обеспокоенность возможным плагиатом, предостерегая его от использования его спиральной балансовой пружины. Тем не менее, год спустя, в 1783 году, Эрншоу – через другого часового мастера, Томаса Райта – оформил патент, который включал в себя конструкцию Эрншоу интегрального компенсационного баланса и пружинного отключателя в расширенной спецификации. Однако обе эти конструкции были недоработаны и, по сравнению с разработками Арнольда, имели небольшую практическую ценность, особенно баланс, который пришлось перепроектировать. В конечном итоге, после долгих споров, Совет по определению долготы присудил Эрншоу и Арнольду награды за их усовершенствования хронометров. Эрншоу получил 2500 фунтов стерлингов, а сыну Джона Арнольда, Джону Роджеру Арнольду, – 1672 фунта стерлингов. Биметаллическая компенсационная балансировка и пружинный отключатель в конструкциях, разработанных Эрншоу, с тех пор практически повсеместно используются в морских хронометрах. По этой причине Эрншоу также обычно считается одним из пионеров разработки хронометров. Однако, поскольку патенты Арнольда на балансовую пружину действовали (каждый в течение 14 лет), Эрншоу не мог использовать спиральную балансовую пружину до истечения срока действия патента 1775 года в 1789 году, а в случае патента 1782 года – до 1796 года. До 1796 года Эрншоу изготавливал часы только с плоскими балансовыми пружинами, но после 1800 года практически каждый морской хронометр, включая хронометры Эрншоу, оснащался спиральной пружиной с концевыми намотками. Арнольд был первым, кто начал производить морские и карманные хронометры в значительных количествах на своей фабрике в Уэлл-Холле, Эльтем, примерно с 1783 года. В течение следующих 14–15 лет он изготовил сотни экземпляров, прежде чем столкнулся с какой-либо коммерческой конкуренцией. Это свидетельствует о том, что авторы, такие как Гулд и Собель, неправомерны в своем утверждении о существовании коммерческого соперничества между Арнольдом-старшим и Эрншоу.

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 и Бреге

Известный французский часовщик Абрахам Луи Бреге стал близким другом Арнольда. В 1792 году герцог Орлеанский познакомил Арнольда с одним из часов Бреге в Лондоне. Арнольд был настолько впечатлен, что немедленно отправился в Париж и попросил у Бреге разрешения взять его сына в ученики. По-видимому, Арнольд предоставил Бреге полную свободу действий для использования или доработки любых изобретений и техник Арнольда в своих часах. К ним относились его конструкции баланса, спиральные пружины из стали или золота, спусковой механизм с пружинным храповым колесом, спираль баланса с повышенным выводом и даже макет циферблата Арнольда, который Бреге адаптировал для своих часов. Эти циферблаты изготавливались из золота или серебра с гильошированным узором – орнаментом, ставшим классическим и узнаваемым стилем циферблатов Бреге. Узор Арнольда впервые появился в 1783 году на эмалевых циферблатах, разработанных им для небольших хронометров, и пропорции и расположение его элементов полностью соответствуют классическим гильошированным металлическим циферблатам типа "Бреге", появившимся около 1800 года, которые существенно отличались от всего, что производилось во Франции или Швейцарии в то время.

Арнольд и "Турбильон"

Арнольд, по-видимому, первым задумался о концепции турбильона; это, вероятно, связано с его известными работами по выявлению и устранению позиционных ошибок. В устройстве турбильон баланс и спусковой механизм постоянно вращаются, практически устраняя ошибки, возникающие из-за неидеальной балансировки балансового колеса в вертикальном положении. Арнольд, судя по всему, экспериментировал с этой идеей, но умер в 1799 году, не успев ее довести до совершенства. Известно, что Бреге создал успешный и практичный механизм турбильона примерно в 1795 году, однако он признал Арнольда изобретателем, представив свой первый турбильон в 1808 году сыну Арнольда, Джону Роджеру. В знак уважения к своему другу Арнольду-старшему, он встроил свой первый механизм турбильона в один из ранних карманных хронометров Арнольда, Arnold No.11. На этих часах выгравирована памятная надпись:

«Первый турбийонный часовой механизм от Бреге, встроенный в одну из первых работ Арнольда. Почтение Бреге почитаемой памяти Арнольда, преподнесенное его сыну в 1808 году». Эти важные и значимые часы сейчас находятся в коллекции часов и хронометров Британского музея. К моменту смерти Арнольда в 1799 году он был самым известным часовым мастером в мире, признанным первопроходцем в создании точных хронометров.

Джон Роджер Арнольд

Сын Арнольда, Джон Роджер Арнольд, родился в 1769 году и прошел обучение у своего отца и выдающегося французского часовщика Абрахама Луи Бреге. В 1817 году он стал мастером Почтенной компании часовщиков. Начиная с 1787 года, он и его отец основали компанию Arnold & Son. После смерти отца в 1799 году Джон Роджер продолжил дело, приняв Джона Дента в качестве партнера в период с 1830 по 1840 год. После его смерти в 1843 году компания была приобретена часовщиком Чарльзом Фродшемом.