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決定經度問題的回顧

Longitude lines on the globe

經度是描述在地球東西側相對於本初子午線的位置。以角度為計量，由本初子午線為零度，往東至180度，往西至-180度。當船隻航行接近陸地時，確定此時的航行的方向位置是必要的。當船隻在海上長時間航行後，判斷船隻位置的誤差會變大，進而導致觸礁船沉及水手喪命。在那個航海貿易逐漸蓬勃發展的時代，避免船難便是哈里森那時重要的課題。

很多如何決定船隻所在的經度的想法在那時代被提出。根據當時對地球自轉的知識知道，地球自轉每小時旋轉15度，當船隻由一地的正午時出發，當它向東航行一小時後，相對原處15度的經線上太陽又位於其正午時分的位置。早先的想法是根據Gemma Frisius提出的一個簡單的理論，即是比較船隻所在位置與已知時間的另一處(如格林威治或巴黎)的時間差便可推斷其經度位置。判斷當地時間通常依賴於天文觀測，即觀測此時不同天體運行的位置，而問題的困難處是在於當時很難準確的量測兩地的時間差。

哈里森直覺解決這問題的方法是製作一架可以準確計時的時鐘。他必須製作一個在長時間航行下其準時性不受溫度，壓力，濕度等因素變化而影響的鐘，它必須不受海水繡蝕也要能承受船隻的劇烈搖晃。許多科學家，像是牛頓跟海更斯，懷疑製作出這種計時器的可能性而較頃向用其他方法來量定經度，例如利用月亮與相對星星距離的方式(Method of Lunar Distance)。海更斯曾試過用擺錘鐘擺與彈簧式鐘擺來量定經度，但兩種方法的結果都不可靠。

航海鐘

Harrison's first sea clock (H1)

西元1720年後，英國時鐘製造者 Henery Sully 研發的一隻可以來決定經度的航海鐘:這鐘是由一大平衡飛輪垂直連結到一由 Debaufre式擒縱輪驅動的摩擦轉輪上，因為他的平衡飛輪的設計在搖晃的環境下並不穩定，他的鐘只能在平靜的海上行駛時使用。儘管如此，這鐘是第一座嘗試來量定經度的計時器。

西元1730年，哈里森設計了一座航海鐘來挑戰量定經度競賽，他前往倫敦尋求經濟贊助。他將它的想法呈獻給皇家天文院是哈雷，哈雷進而介紹當時傑出的鐘錶製造商格林漢George Graham與他認識。格林漢對哈里森的想法印象深刻而資助他製作它的航海鐘模型。為了讓他的鐘像他製作過的擺鐘一樣準確，他使用了木齒輪，小滾輪，蚱蜢擒縱輪與一對鐘形彈簧擺輪 (因為單擺擺輪不適用於搖晃的環境)。

哈里森花了五年的時間完成第一個航海鐘 H1。他向代表經度委員會的皇家協會展示H1。這是第一個委員會認為值得一試的航海鐘。1736年，哈里森跟隨着HMS Centurion 號航行到里斯本，隨後搭乘HMS Orford返航。出航時航海鐘沒能準確計時，但返航時卻表現極佳，船上的船長與導航員對它的設計讚賞有佳。依據導航員的計算，船隻的位置與哈里森H1所預測的只偏東差60英哩。

這誤差不符合經度委員會對行跨大西洋設定的標準，但委員會印象深刻還是頒給哈里森500英鎊以資助他繼續研發。1741年，經過三年的研發與測試，更精巧堅固的H2誕生了。當時英國正與西班牙作戰而延宕了H2，期間哈里森發現了設計中的幾個錯誤使他決定放棄H2而研發使用環型擺輪。等待戰爭結束的同時，委員會又頒給它５００英鎊，他繼續研發Ｈ３。

哈里森花了１７年製作第三個航海鐘Ｈ３，儘管盡了全力，Ｈ３還是表現不如預期。問題出在於他不瞭解控制飛輪的彈簧其後的物理，以至於飛輪的等時性不佳，進而影響計時的精確度。約１７５０年，哈里森決定放棄用大型彈簧輪擺作的航海鐘，他領悟到小型的表或許較容易設計掌控。

＝＝經度錶＝＝

Harrison's "Sea Watch" No.1 (H4), with winding crank

經過三十年不斷的實驗研發，哈里森於１７５８年搬往倫敦。他驚訝的發現好友格林漢的繼承者 Thomas Mudge製作的懷錶的準時性與他的大航海鐘不相上下。Mudge的錶之所以準確要歸功於１７４０年代　Benjamin Huntsman所製作的新鋼鐵材料，史的可以製作更堅固的小滾輪與拋光良好的擒縱軸。哈里森領悟到精確的錶是航海計時器的最佳答案。

航海鐘與經度手錶

西元1720年後，英國時鐘製造者 Henery Sully 研發的一隻可以來決定經度的航海鐘:

Harrison's first sea clock (H1)