Часы. От гномона до атомных часов

Михаль Станислав

Введение свободных спусковых механизмов значительно ускорило качественное развитие механических часов. Уменьшение влияния спускового механизма на осциллятор бесспорно улучшило его характеристику с точки зрения изохронности колебаний, однако это не вполне устранило влияние некоторых нестабильностей в величине импульсов. Поэтому надо было изыскивать другие способы устранения этого недостатка, нарушающего точность измерения времени. Более подходящим оказался способ, который, хотя и основывался на обычных особенностях свободного спускового механизма, но избавлял от непостоянства импульсов и обеспечивал импульсы одинаковой величины. Из этой идеи родилась идея нового вида спускового механизма — спуска с постоянной импульсной силой, развиваемой гирей или пружиной.

Первый такой спусковой механизм построил около 1740 г. Гаррисон. Часы с его спусковым механизмом

находились в течение 140 лет в непрерывной эксплуатации, и суточная погрешность их хода 3-4 с была для тогдашнего времени рекордной. Спусковые механизмы, у которых источником постоянной импульсной силы был вес гири (груза), получили в Англии название гравитационных. Однако под понятием гири в этом случае можно представить себе рычажный механизм, собственный вес которого был той импульсной силой, которая передавалась непосредственно на осциллятор. Один из первых гравитационных спусковых механизмов построил около 1760 г. английский часовщик Александр Каннинг (1730-1814), а другой — Т. Мюдж.

Намного более сложный спусковой механизм с постоянной импульсной силой построил в 1826 г. Поль Гарнье, а также Шарпентье в середине прошлого века. Для нас этот механизм интересен тем, что он относится к односторонне действующим спускам. Импульс передается через рычаг с противовесом на вертикальном плече на импульсный штифт анкера. Величина постоянной импульсной силы задается грузом на плече.

История развития спусковых механизмов с неизменной силой импульса для магнитных часов связана с возникновением одних из самых больших башенных часов высотой 26 м, установленных на башне Вестминстерского дворца в Лондоне. Первоначально эти башенные часы должен был построить королевский часовщик Бенджемен Льюис Вуллиями (1780-1854), но затем эта задача была поручена Эдуарду Джону Денту (1790-1853), известному конструктору башенных часов и морских хронометров, который привлек к этой работе Эдмунда Бекетта-Денисона, позднее ставшего бароном Гримторпом (1816-1905), известного знатока теории часовых механизмов. После пятилетней опытной работы эти часы были помещены на башню, а в мае 1859 г. введены в эксплуатацию. На два месяца позднее был включен и механизм боя с большим часовым колоколом, названным Биг Бен в честь сэра Бенджемена Холла. Схема регулятора этих часов приведена на рис. 20.

Рис. 20. Гравитационный спусковой механизм Денисона

Уже с первого взгляда бросаются в глаза два мощных импульсных плеча с защелками для захвата зубьев трехконечного звездообразного спускового колеса. Три импульсных штифта на его боковой стороне подымали перед импульсом попеременно импульсные плечи в исходные положения. В таком виде спусковой механизм не дал вначале ожидавшихся от него результатов. Поэтому Денисон запроектировал новый механизм, сначала с четырехплечим спусковым колесом, а затем — самый совершенный вариант с двойным трехплечим спусковым колесом. Для достижения большей равномерности вращения спускового колеса служила большая лопастная ветрянка. Осциллятором вестминстерских часов является двухсекундный маятник весом 317 кг и длиной почти 4 м, подвешенный на стальной плоской пружине шириной 8 см, длиной 13 см и толщиной 4 мм. Вестминстерские часы служили без существенных перебоев вплоть до 1976 г., когда дефект на их ведущем механизме вызвал падение более чем полутонного груза, который влетел в часы и сильно их повредил. Несмотря на катастрофическое состояние этих часов после указанной аварии, этот выдающийся памятник часового искусства был быстро отремонтирован и снова пущен в ход.

С преимуществами спускового механизма Денисона быстро ознакомились все европейские часовщики. Когда в начале 60-х годов прошлого века обсуждался вопрос о ремонте пражских курантов, то передовые члены комиссии провели свое предложение о генеральной реконструкции всего механизма. Ранее с трудом поддерживаемый в порядке ходовой механизм с коромыслом и шпиндельным спуском был заменен по проекту Ромуальда Божека (1814-1899) новым управляющим механизмом со спуском Денисона, изготовленным в карлинском Даньковце.

Другую группу спусковых механизмов с постоянной импульсной силой образуют те механизмы, у которых импульсная сила возникает благодаря упругой деформации пружины. Это так называемые пружинные спуски с нормальной импульсной силой. Некоторые часовщики сначала предпочитали применять гравитационные спуски,

у которых легче удавалось настраивать импульсную силу, но позднее опыт показал, что результаты, достигнутые с пружинными спусковыми механизмами, были отнюдь не хуже. Простой пружинный спуск с постоянной импульсной силой был создан английским часовщиком Джеймсом Фергюсоном Коле (1799-1880), а значительно более сложный — лондонским часовщиком В.А. Гранджером. Последний спуск работал с двусторонним импульсом, придаваемым маятнику горизонтальной плоской пружиной, заделанной в вал анкера. Его спусковое колесо и анкер не имеют площадок покоя. Состояние покоя обеспечивает трехплечее звездообразное колесо, управляемое зубчатой передачей от спускового колеса. Косые площадки на палетах являются импульсными поверхностями, с которых импульс передается через анкер на импульсную пружину, изменяющую его в импульс с постоянной величиной.

Рис. 21. Пружинные спусковые механизмы с постоянной импульсной силой: а — Штрассера; б — Рифлера

Другие два пружинных спусковых механизма, один из которых, показанный на рис. 21а, сконструирован Штрассером (род. в 1853 г.) из Гласхютте, а второй (рис. 21б) построен мюнхенским часовщиком Рифлером (род. в 1847 г.), дали исключительные результаты при точном измерении времени для астрономических нужд. Спуск Рифлера на рубеже XIX и XX вв. считался самым подходящим для лабораторных измерении времени. Как видно из изображения спускового механизма Штрассера, импульсная сила возникает при отклонении анкера в двух импульсных пружинах, закрепленных в подвесной скобе маятника. Спусковой механизм Рифлера работает, по существу, на аналогичном принципе. В отличие от спускового механизма Штрассера, у которого маятник подвешен на специальных пружинах в неподвижной подвеске, у спуска Рифлера подвесные пружины одновременно являются импульсными пружинами. И анкер имеет здесь вместо сложенных палет рубиновые штифты с плоскими шлифами и сборное двойное спусковое колесо. Зубья первого колеса 1 образуют плоскость покоя для анкера, а второе колесо 2 имеет наклонные (скошенные) импульсные зубья.

Все описанные до сих пор спусковые механизмы с постоянной импульсной силой имели независимо от рода регулятора и степени его совершенства один общий для них признак: спусковые механизмы у них постоянно соединены с часовым механизмом. При каждом скачке спускового колеса весь механизм приводится на короткий момент в движение, чтобы при захвате спускового колеса он (механизм) снова останавливался. Для небольших портативных часов с непрерывной индикацией времени этот способ обязателен, однако для больших башенных часов непрерывное движение всего часового механизма с тяжелыми стрелками предъявляет большие требования к приводу. Равномерный ход нарушают также порывы ветра, которые передаются со стрелок на весь механизм, и часто изменяющиеся атмосферные условия.

Совершенно исключительная идея пришла в голову мюнхенскому часовщику Йоганну Маннгардту (1798-1878), который построил специальный механизм, исключительно интересный во многих отношениях. Тут речь идет о спуске с периодическим импульсом, подаваемым маятнику один раз в 30 или даже в 60 с. Осциллятор в часах Маннгардта между двумя очередными импульсами качается совершенно независимо от часового механизма, который все это время остается в покое.

Башенные часы с несколько измененным спусковым механизмом Маннгардта стали строить и в Чехии во второй половине прошлого века. Их изготовляли как пражская мастерская Людвига Гайнца, так и мастерская часовщика Вацлава Кречмера, который в 90-х годах построил несколько башенных механизмов с этими спусками. Его часовые механизмы отличались массивной конструкцией; два из них сохранились в часовых коллекциях Национального технического музея в Праге.

Спусковые механизмы с постоянным импульсом для малогабаритных часов

Гравитационные спусковые механизмы с постоянной импульсной силой не подходили для портативных балансирных часов, а поэтому производители пружинных хронометров стали изучать возможность применения пружинных спусковых механизмов с постоянным импульсом. Первые такие часы построил Томас Мюдж в 1790 г., стремясь превзойти точность морских хронометров Гаррисона. Спусковые механизмы строил для своих хронометров Антуан Бреге (1850-1882) — один из потомков А.Л. Бреге.