Ранние конструкции часов. Маятник и ходовые устройства

Первые механические часы с подвижными деталями были выполнены около 700 лет назад, но первые инструменты для измерения дневного времени существовали гораздо раньше-свыше 3000 лет назад. Египетский гномон датируется серединой 15 в. до н. э. Как и любые солнечные часы, он измерял дневное время по движению тени по особому циферблату.

Ранние конструкции часов. Вскоре вслед за солнечными часами появились водяные [1] и песочные часы; время измерялось по изменению уровня воды или песка.

Эти водяные часы, или клепсидра, сделаны по образцу египетских часов 3 в. до н. э. Из воронки [1] вода попадает в цилиндр с поплавком [2], который связан с кремальерной передачей, вращающей часовую стрелку. Скорость потока воды регулируется градуированным стопором [3]; постоянный уровень воды поддерживается сливной трубкой

Они оставались единственными счетчиками времени до тех пор, пока англосаксы не придумали размечать свечи на равные части [2].

Масляные часы XVI в., как и градуированные свечи, известные уже англосаксам, имеют шкалы, разделенные на часы и соответствующие расходу масла или воска в час

Единицей измерения времени в средние века были часы, и циферблаты любых часов-и солнечных, и звездных «ноктюрналов» [3]-размечались в часах.

Для измерения времени ночью служил ноктюрнал. Центральное отверстие циферблата глядело на Полярную звезду, а стрелку устанавливали в направлении двух звезд Большой Медведицы

Все колесные часы работают, регулярно повторяя какие-то механические движения. Механические часы XIII-XIV вв. [5] приводились в движение гирями, поворачивавшими шестерни механизма. Чтобы часы шли дольше нескольких секунд (свободного падения гирь), их усилие должно передаваться порциями. Для этого одна из шестерен (ходовое колесо) периодически «задерживается» и освобождается. Механизм, регулирующий движение ходового колеса, называют ходовым.

В 1370 г. Анри де Вик изготовил часы для дворца Карла V в Париже. Это образец ранних механических часов с боем, приводившихся в движение гирями. Опускаясь, гири приводили в движение зубчатые передачи [1], а храповое колесо [2] поочередно поворачивало собачки шпиндельного спуска (3) и заставляло колебаться баланс (4) . Грузы [5] на коромысле баланса предназначены для контроля скорости колебаний баланса. Одна зубчатая передача приводила в движение единственную стрелку на циферблате, а вторая - механизм боя с помощью рычага [6], получающего сигнал от шпильки на колесе часовой стрелки

Одни из первых часов имели шпиндельный спуск. Две собачки, укрепленные на оси балансира, останавливали или освобождали зубья храпового ходового колеса, заставляя шпиндель балансира колебаться. Движение ходового колеса передавалось единственной стрелке циферблата.

Но громоздкие гири не могли служить приводом переносных часов. К середине XIV в. появились небольшие карманные часы, приводимые в движение пружиной.

Точность пружинных часов оставалась незначительной. На циферблатах некоторых таких часов появилась минутная стрелка, секундная же оставалась почти неизвестной вплоть до появления маятника. В 1657 г. голландский ученый Христиан Гюйгенс (1629-1695) под влиянием идей Галилея нашел условия, определяющие стабильность периода колебания маятника, и применил их в конструкции часов. С этого времени маятниковые часы оказались наиболее точными.

Маятник и ходовые устройства. Однако точность не была идеальной. С изменением температуры маятники то удлинялись, то сокращались. Около 1715 г. Джордж Грагам (Грэм) нашел первый из многих компенсаторов теплового расширения маятника. Наибольшим тормозом часового производства триста лет назад оставался шпиндельный спуск, который плохо сочетался с маятником. Новый тип спуска-анкерный-был изобретен в 1673 г. [4]. Он позволил тяжелому маятнику, качаясь с малым углом качания, обеспечить столь высокую точность часов, что до сих пор используется в некоторых моделях.

Точность механических часов определяется качеством и типом ходового механизма, передающего энергию пружины или гири стрелкам равными и малыми порциями. Якорь анкерного хода маятниковых часов [А] колеблется около своего центра и связан с маятником. Ходовое колесо получает движение от главной пружины (на рисунке не видна) и вращается по часовой стрелке. Когда зуб ходового колеса толкает одну из собачек якоря [Б], то вторая собачка зацепит другой зуб [В], а ходовое колесо слегка повернется, назад из-за особой кривизны собачки. При обратном ходе ходовое колесо толкнет собачку якоря, тот коснется зуба ходового колеса и процесс повторится сначала

Другим решением явился баланс со спиралью, его «волоском» [6]. Один конец спирального волоска пружины неподвижен, а другой прикреплен к оси баланса. Пока баланс колеблется, волосок либо закручивается, либо раскручивается.

Эти ручные часы XVII в. [Б] уже снабжены пружинным балансом. Волосок [1] связан непосредственно с балансом [2], который поворачивается в стороны под действием усилия пружины [А]. Регулятор [3] укорачивает или удлиняет пружину, изменяя ее натяжение, а следовательно, скорость колебания и точность хода часов

Балансная пружина также изобретена Гюйгенсом (1675). Позднее он поставил ее в морской хронометр для определения долготы. Но волосок, подобно маятнику, оказался чувствительным к температурным колебаниям. Удачная компенсация воздействия температурных колебаний на волосок была предложена в 1753 г. Джоном Гаррисоном (1693-1776), чей хронометр, изготовленный в 1759 г. для участия в правительственном конкурсе, отстал всего на пять секунд после шестинедельного плавания. Точность часов возросла еще больше и в результате использования ювелирных твердых камней в качестве подшипников. Трение в таких подшипниках очень мало, а износоустойчивость очень велика. Сапфиры и рубины были и остаются самыми популярными часовыми камнями.

Разработка конструкции карманных часов и ходовых механизмов продолжалась вплоть до середины XIX в., пока почти повсеместно не был принят анкерновилочный ход. В этом механизме, изобретенном Томасом Мёджем около 1755 г., но остававшемся непризнанным более полувека, собачки анкера укреплены на вилке, которая почти не качается. Это обстоятельство, а также массивность вилки обусловили повышение точности хода часов.

Современные и электрические часы. Сейчас с механическими часами конкурирует ряд часов новых конструкций. Часть их имеет электропривод только для завода пружины или ее подъема, другие- истинно электрические часы-имеют либо электромагнитный регулятор хода маятника, либо работают от синхронного двигателя. Скорость вращения последнего постоянна и зависит только от частоты приложенного переменного тока.

Балансом-осциллятором могут служить и пьезоэлектрические кристаллы (кварц). Такие кристаллы приходят в состояние колебания и продолжают колебаться, когда на них накладывается подходящая переменная разность потенциалов. В микроэлектронных схемах высокочастотные колебания можно понизить до нескольких колебаний в секунду и использовать в ходовом механизме для управления спусками. Точность таких часов достигает десятой доли секунды в год. Еще более высокую точность имеют атомные часы, где источником колебаний служат процессы, происходящие внутри атома. Подобные часы представляют международный эталон времени [9].

Атомные часы - это кварцевые часы, в которых для регулировки хода используют частоту энергетического перехода атомов цезия (около К)10 Гц).

Атомы цезия немагнитны [А], но после облучения намагничиваются [Б]. В атомных часах [В] атомы цезия, получаемые в испарителе [1], ориентируют в магнитном поле и направляют в камеру [2], где они попа дают в переменное пульсирующее поле и теряют магнитную ориентировку. Во втором магнитном поле атомы цезия направляются к детектору [3], сигналы которого управляют кварцевыми часами.

Современные механические часы работают за счет энергии главной пружины [1]. Пружина опускается и ее энергия высвобождается небольшими порциями в ходовом механизме, состоящем из волоска [2] и баланса [3] вместе со спусковым колесом (4) . Главная пружина приводит в движение барабанное колесо (5) , вращающее центральную ось [6] и минутную стрелку [7] через центральный триб [8] и фрикционную пружину [9]. Часовая стрелка [10] поворачивается в 12 раз медленнее минутной стрелки; движение ей передается от рабочих зубчатых колес [11], ведущих полый триб часовой стрелки.