英国海军对可靠 Lightning Rod 的几十年抵制
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英国海军对可靠 Lightning Rod 的几十年抵制
风帆时代的发明家与官僚之争
Allison Marsh 2025年2月28日 阅读时长9分钟 4 Allison Marsh，南卡罗来纳大学的教授，目前是琳达·霍尔科学、技术和工程图书馆的学者。
通过在金箔的一端施加少量电荷，读者可以观察电流的路径——在本例中，是穿过一名可怜水手的身体[右]。
琳达·霍尔科学、工程与技术图书馆
在18世纪中叶，Benjamin Franklin帮助阐明了lightning的本质，并认可了 Lightning Rod 的保护价值。然而，一百年后，公众仍然对此持怀疑态度。结果，lightning 继续击中教堂尖顶、船桅和其他高耸的建筑物，造成严重损坏。
沮丧的科学家们转向visual aids来帮助宣传 Lightning Rod。爆炸的 thunder house 就是一个例子。当少量火药被放置在玩具屋大小的结构中并施加电荷时，房子会爆炸或不爆炸，这取决于它是否接地。有关 thunder house 的更多信息，请参见“Tiny Exploding Houses Promoted 18th-Century Lightning Rods。” __IEEE Spectrum, __2023年4月1日。]
另一种用于推广 Lightning Rod 的 visual aids 是一本由英国医生和电气研究员 William Snow Harris 撰写的巧妙小册子。大约在1861年出版的Three Experimental Illustrations of a General Law of Electrical Discharge 为 Harris 的发明辩护：一种用于高桅杆木船的 Lightning Rod。该 Lightning Rod 连接到主桅杆，穿过船体，并连接到船底的铜板上，从而将 lightning 击中的任何电流消散到海中。这是一个伟大的想法，而且似乎奏效。那么，为什么英国海军拒绝采用它呢？我稍后会讲到这一点。
如何说明 Lightning 的原理
Harris 的16页小册子中的“experimental illustrations”旨在具有互动性，每个 illustration 都突出了一个特定的导电原理。这些 illustration 镀有金箔，以模仿 lightning 的导电路径。当读者在一端施加电荷时，电流会沿着页面烧焦一条黑色路径。在顶部的 illustration 中，有人显然已经在右侧这样做了。
在 Harris 书中的第一个 experimental illustration 中，金箔随意地散布在页面上。琳达·霍尔科学、工程与技术图书馆
Harris 的第一个 experimental illustration 中的金箔是随意放置的，以显示电流将如何遵循最小电阻的路径。如果足够强，电流将跳过小间隙到达最近的相邻金属片。值得注意的是，不沿路径延伸的金片不受影响。 Harris 在这里的教训是，如果有一条坚固的、不间断的金属线，并且充分与其他部件隔离——例如，木船桅杆上的 Lightning Rod——电流将沿着该通道流动，同时使其余部分免受影响。
第二个实验解决了一个在大型船舶时代很常见的问题：随着根据天气调整斜桁和索具，Lightning Rod 的升降。教堂尖顶及其 Lightning Rod 保持固定，而可移动的桅杆和不断变化的索具改变了 Lightning Rod 的配置。该实验表明，Harris 的设计不受此类变化的影响。不会仅仅因为斜桁被降低而导致电流在船中部终止并爆炸。它仍然会遵循通往最佳消散出口的导体——即船底。
第二个实验旨在以程式化的方式显示随着斜桁和索具的调整，Lightning Rod 的升降效果。琳达·霍尔科学、工程与技术图书馆
小册子中的最后一个实验（顶部所示）直接针对英国皇家海军首选的 Lightning 导体：柔性电缆或链条。电缆或链条连接到前桅杆的顶部，然后展开到海中。但是，如此部署后，它经常碍事，大多数船长选择将其卷起来存放在甲板上的某个地方。每当在地平线上发现飑时，一名倒霉的水手必须迅速将链条拉到桅杆上并将其固定。
该实验说明了如果水手在 lightning 暴风雨中意外接触到松散的导电电缆的两个点会发生什么。放电不会沿着电缆流动，而是会直接穿过他。正如 Harris 在描述中写道的那样，可怜的水手“可能会被摧毁”。对于没有受到保护的船只上的水手来说，死亡是一个明显的风险，就像对于没有受到保护的教堂里的敲钟人一样。
Thunder-and-Lightning Harris 先生
William Snow Harris 在大约70岁时出版了 Three Experimental Illustrations，六年后去世。这本小册子是他与皇家海军进行了几十年战斗的最后一击。
Harris 于1791年出生于英国港口城市普利茅斯，在爱丁堡学习医学，然后回到家乡，开设了一家诊所，并被皇家内科医学院录取。在1810年代，他对 lightning strikes 和高桅杆木船的迷恋占据了主导地位。他开始研究一种船载 Lightning Rod 系统，并在1820年完善了它。
William Snow Harris (1791–1867) 接受过医学培训，但放弃了他的实践，专注于推广他为木船设计的 Lightning Rod。普利茅斯雅典娜博物馆
在余下的职业生涯中，Harris 试图说服皇家海军采用它。他放弃了医疗实践，并深入研究了电力。他在英国皇家学会发表论文，并撰写了关于 thunderstorms 本质的书籍。一本 An 1823 book 关于 lightning 对船只的影响的书籍也收录了他的镀金箔 experimental illustrations，以及对没有受到保护的船只遭受 lightning 袭击的生动描述：“主桅杆从头到脚都被炸成了数千碎片……。” Harris 争取了包括 Michael Faraday、Charles Wheatstone 和 Humphry Davy 等领先科学家的支持。由于他的狂热，他最终赢得了“Thunder-and-Lightning Harris 先生”的绰号。
尽管他充满热情并得到英国皇家学会和其他科学家的支持，但海军还是拒绝接受 Harris 的提议。
Harris 继续强调他的理由。1827年美国邮船 New York 上的一次广为人知的 lightning 袭击事件有所帮助。在跨大西洋航行的第三天，lightning 在黎明时袭击了该船。当时的“electrical fluid”顺着主桅杆向下流动，炸开了三个铁箍，并震碎了桅杆顶部和帽。它进入了一个储藏室，摧毁了舱壁和配件，然后沿着铅管进入女士舱，并炸碎了一面大镜子。在其他地方，它掀翻了一架钢琴，将餐桌劈成碎片，并将船上的天文钟以及大多数男士的手表磁化。
在袭击期间没有安装 Lightning 导体，但船员在袭击后升起了铁链。他们这样做是件好事。下午2点，lightning 再次袭击了不幸的 New York。正如 American Journal of Science and Arts 报道的那样，链条“实际上被撕成碎片并散落在风中”，但它完成了它的工作并拯救了船只，没有乘客丧生。
随后，海军部同意对 Harris 的系统进行试点测试。从1830年开始，海军在11艘船只上安装了导体，船只大小从10门炮的 brig 到120门炮的战列舰不等。brig 恰好是 HMS Beagle，它即将启航前往南美进行勘测之旅。五年后，它的一名乘客 Charles Darwin 发表了一篇 account，使这次航行闻名遐迩。（他的1859年著作 On the Origin of Species 也基于他在 Beagle 上的研究。）
_HMS Beagle_因 Charles Darwin 而闻名，它是配备 Harris 的固定 Lightning Rod 的11艘英国海军舰艇之一。Bettmann/Getty Images
在探险期间，该船经常遇到 lightning 袭击，并且至少被袭击过两次。例如，在1832年8月，当该船停泊在乌拉圭的蒙得维的亚附近时，第一副官 Bartholomew Sulivan描述了他在甲板上目击的一次袭击：“主桅杆瞬间似乎是一团火，我确信 lightning 已经穿过该桅杆上的导体。”
Sulivan 之前曾在 Thetis 号上服役，该船的前桅杆被 lightning 摧毁，因此他特别关注风暴可能造成的破坏。然而，在 Beagle 上，他写道，“没有经历过丝毫不良后果。” 当船长 Robert FitzRoy 向海军部提交报告时，他也同样认可了 Harris 的系统：“如果允许我在安装这种桅杆和相反的情况之间做出选择，我应该选择安装 Harris 导体桅杆。”
安装了 Harris 系统的11艘船只均未受到 lightning 的损坏。然而，海军很快开始拆除演示导体并将它们放入废料堆中。
数字不会说谎
Harris 没有被打败，而是转向统计数据，编制了一份遭受 lightning 损坏的235艘英国海军船只的清单，从 Abercromby（1811年10月26日，顶部桅杆被震成碎片，向下延伸14英尺）到 Zebra（1838年3月27日，主顶桅杆和顶桅杆被震碎；掉在甲板上；主帽裂开；主桅杆上的斜桁和帆被烧焦）。此外，他编录了近100名海员的死亡和约250名其他海员的严重受伤。Harris 得知，在一个特别糟糕的五六年时间里，lightning 摧毁了40艘战列舰、20艘护卫舰和10艘单桅帆船，使大约八分之一的英国海军瘫痪。
1838年12月，lightning 袭击并损坏了一艘主要的军舰，即92门炮的 Rodney。Harris 意识到有机会公开宣传他的系统，因此绕过海军部并向下议院请愿，要求审查他的主张。为此任命的海军委员会最终坚决支持 Harris。
即便如此，海军并没有完全接受 Harris 的系统。相反，它允许指挥官安装它—— 如果 他们向海军部请愿。考虑到海军部对 Harris 的公开敌视，我猜测许多船长没有这样做。
每艘英国军舰都配备 Lightning Rod
最终，在1842年6月，海军部命令在所有皇家海军舰艇上使用 Harris 的 Lightning Rod。根据 Theodore Bernstein 和 Terry S. Reynolds 在他们1978年的文章“Protecting the Royal Navy from Lightning: William Snow Harris and His Struggle with the British Admiralty for Fixed Lightning Conductors” 在 IEEE Transactions on Education 中记录的 Harris 的战斗，海军的改变并非源于更好的数据或 Harris 及其支持者的更多呼吁。这主要归结为政治。
Bernstein 和 Reynolds 提供了三种可能的解释，说明为什么海军部花了二十多年的时间才采用 Harris 明显优越的系统。第一个原因是无知。尽管科学界早就被 Harris 说服了，但有些人仍然认为导体会吸引 lightning，并且他们担心 lightning 会点燃船上的火药。
第二个论点是财务方面的。Harris 的系统比简单的电缆或链条贵得多。在1831年的一项估计中，Harris 系统的成本从10门炮的 brig 的102英镑到120门炮的 brig 的365英镑不等，而简单的电缆则不到5英镑。当然，Harris 的系统是有效的，但它的有效性是否超过20倍？当然，如果简单的电缆从未部署过，那么它根本无法提供任何保护，正如许多船长承认的那样。
皇家海军海军部第二秘书 John Barrow (1764–1848) 在阻止 Harris 的 Lightning Rod 被采纳方面非常有效。国家肖像馆
但是，Bernstein 和 Reynolds 认为，海军抵制的最终原因是政治。1830年，当 Harris 似乎即将成功时，辉格党控制了议会。在短短几个月的时间里，Harris 的许多政府支持者发现自己无能为力或直接被解雇了。直到1841年末，托利党重新掌权时，Harris 的命运才得以扭转。
Bernstein 和 Reynolds 认为海军部第二秘书 John Barrow 是 Harris 道路上的关键人物。政治任命者来来往往，但 Barrow 从1804年到1845年担任他的职位超过40年。Barrow 管理着海军的预算，而且他显然认为 Harris 是一个试图向海军出售昂贵且无用技术的骗子。他利用自己的职位不断阻止它。Harris 系统的一位海军支持者称 Barrow 是“最顽固的人”。
正如 Bernstein 和 Reynolds 在他们的文章中指出的那样，为了为 Barrow 辩护，Harris 的系统是全新的，而且海军已经有一种廉价且在某种程度上有效的方法来应对 lightning。因此，Harris 必须证明他发明的价值，政客们必须学会信任结果。科学家和政客之间的这种紧张关系一直持续到今天。
Harris 最终获得了胜利。到1850年，皇家海军的每艘船只都配备了他的 Lightning Rod。但是这场胜利是短暂的。到下一个十年开始时，第一艘英国铁甲舰已经出现，到本世纪末，所有新的海军舰艇都是用金属制成的。金属船自然会将 lightning 传导到周围的水中。不再需要 Lightning Rod。
这是 continuing series looking at historical artifacts that embrace the boundless potential of technology的一部分。 本文的缩略版出现在2025年3月的印刷版中，标题为“阻力最大的路径”。
参考
堪萨斯城 Linda Hall Library 的珍本书助理馆长 Finch Collins 向我介绍了 books of William Snow Harris。当你看到我问他是否可以将电池连接到书中 lightning 实验之一时，你真该看看他的表情。你可以亲自参观图书馆来看到这些书。或者你可以从你的电脑上欣赏完全扫描的 Observations on the Effects of Lightning on Floating Bodies 和 Three Experimental Illustrations。 威斯康星大学麦迪逊分校的 Theodore Bernstein 和密歇根理工大学的 Terry S. Reynolds 为 IEEE Transactions on Education 的1978年2月刊撰写了“ Protecting the Royal Navy from Lightning—William Snow Harris and His Struggle with the British Admiralty for Fixed Lightning Conductors”。
非常感谢我的同事 Cary Mock，他是南卡罗来纳大学的气候学家，他对整个历史中的 extreme weather 事件感兴趣。他根据海军日志重新创建 hurricanes 的路径，完成了惊人的工作。Cary 耐心地回答了我关于 lightning 和木船的问题，并为我指出了其他资源，例如这个很棒的“ Index of 19th Century Naval Vessels。”
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