Часы. От гномона до атомных часов
Шрифт:
В 1775 г. Берту открыл так называемую вторичную ошибку, оставшуюся у компенсационных балансов и проявляющуюся в суточном изменении хода часов в пределах от 2 до 5 с. Причиной этого был нелинейный характер расширения материалов баланса с изменением температуры. Берту установил, что биметаллический компенсационный баланс может точно устранить влияние температурного расширения лишь при двух определенных температурах, тогда как в диапазоне между ними возникает именно эта вторичная погрешность.
Закаленные стальные волоски, впервые изготовленные Жаном Целанисом Лутцом в 1847 г., которые раньше использовались для биметаллических балансов, страдали рядом недостатков. Они корродировали, и на них влиял земной магнетизм. Достоинствами же их были сравнительно малое внутреннее трение и малый расход энергии на упругую деформацию.
Шарль Огюст Пейлар (1840-1895) изобрел в 1877 г. в качестве побочного продукта при производстве платины
Несмотря на это, все же такая передача функций температурной компенсации с баланса на волосок привилась, так что в нынешнем часовом производстве применение компенсационных волосков — обычное дело. Исключением являются хронометры, где до сих пор сохранился биметаллический баланс с цилиндрическим стальным волоском. Нынешние наручные часы имеют компенсационные волоски из специальных ферроникелевых сплавов, известных под торговыми названиями «ниварокс», «изовал» и т.п., и гладкий монометаллический баланс, которые не участвуют в компенсации температурных влияний.
В историческом обзоре развития многих сплавов следует упомянуть эксперименты М.Р. Штрауманна из Вальденбурга, который использовал для баланса температурную анизотропию (различную степень растяжимости материала в разных направлениях) цинковых сплавов, достигаемую их надлежащей обработкой. Этими новыми материалами удалось еще более понизить температурную погрешность часов.
Балансовый осциллятор является весьма сложным устройством. Наряду с температурой и барометрическим давлением на стабильность его полуколебаний воздействует еще ряд других факторов, среди которых есть и неизохронная погрешность, возникающая при непостоянстве амплитуды баланса. Укажем для полноты изложения хотя бы на главные источники неизохронной погрешности, вызываемой нестабильностью амплитуды. Наряду с переменным импульсом спускового механизма это бывают колебания упругости волоска, влияние формы его крепления на концах, изменение зазора в замке регулировочной стрелки, градусника, изменение положения центра тяжести волоска и др.
Исследуя детальнее форму плоских волосков, мы должны обратить внимание в некоторых случаях на особую форму их концевой кривой. Волосок с особой формой закругления носит наименование волоска с кривой Бреге по имени самого создателя. Это, по существу, обычный плоский волосок, последний внешний виток которого несколько приподнят над остальными витками и сформирован в особую кривую, компенсирующую вредное переменное влияние крепления волоска в колодке и на мостике баланса.
Точная регулировка хода переносных часов и при хороших регуляторах с компенсационными элементами является весьма трудным делом, поскольку при изменении положения баланс, осциллятор и часовой механизм непрерывно подвергаются изменяющимся влияниям, например влиянию силы тяжести баланса и волоска или различного трения цапф в опорах при горизонтальном и вертикальном положениях механизма. Чтобы устранить неправильности хода, вызываемые положениями механизма, Бреге создал специальное устройство «турбиллион». Принцип его работы состоял в размещении спуска с осциллятором в особой клетке, которая постоянно вращалась вокруг вала секундного колеса со скоростью одного оборота в минуту. Этим способом Бреге исключил влияние силы тяжести баланса и волоска при изменении положения часов. Производство турбиллионов достигло высокого уровня в Швейцарии. Известны турбиллионы Фредерика-Луи Фавре-Булле (1770-1849), Эрнеста Гвинарда (1879) и, наконец, одного из главных позднейших производителей этих приборов Альберта Пеллатона-Фавре (1832-1914) и его сына Джеймса.
В 1894 г. Бэйн Бонниксен из Ковентри изобрел другой вариант турбиллиона — карусель, которая отличалась от турбиллиона Бреге главным образом скоростью вращения клети.
Идея соединить сигнальное устройство с часами по меньшей мере так же стара, как идея механических часов. Механизм боя самого старого типа запускали в ход поворотным часовым циферблатом с отверстиями, предусмотренными для часовых делений. Штифт, вложенный в одно из отверстий, приподымал в заданный момент спусковой рычаг, который приводил в действие механизм боя. Механизм боя со шпинделем, налетами и корончатым колесом настолько сильно напоминает спусковой механизм первых механических часов, что можно полагать, что спусковой механизм возник, например, из прежнего сигнального устройства водяных или других средневековых часов.
Новейшая компоновка будильников — это уже небольшой часовой циферблат, расположенный посередине главного часового циферблата. Во время работы часов он, правда, вращался вместе с часовой стрелкой, но независимо от этого можно было устанавливать час сигнала путем поворота циферблата в направлении часовых стрелок так, чтобы удлиненный задний конец часовой стрелки был направлен на соответствующий час, указанный на циферблате. Наряду с обычным металлическим колокольчиком часовщики придумывали различные типы будильников с музыкальными механизмами и инструментами или даже такими устройствами, которые вместо звонка производили выстрел и т.д.
С самой старой формой механизма боя мы уже встречались при описании механических часов. Это было простое устройство, которое объявляло каждый час ударом молоточка по звонку. Механизм боя приводился в ход штифтом на часовом колесе, который приподымал спусковой рычаг.
Более совершенный механизм боя, отбивающий часы соответствующим количеством ударов, был сконструирован позже и в течение нескольких столетий имел два различных вида. Более старый вариант — со стопорным колесом. На окружности этого колеса имеется 11 зазоров, расположенных на пропорционально нарастающих расстояниях, определяемых количеством ударов бьющего молотка. Пуск механизма осуществлял первоначально опять-таки штифт на часовом колесе. Согласование работы механизма боя и механизма хода было весьма кропотливым делом. Если часы спешили, то не оставалось ничего иного, как останавливать их на необходимое время, а если они опаздывали, требовалось, наоборот, задерживать механизм боя и дать пройти требуемому интервалу задержки.
Наконец, в середине XVI в. появилась у часов фрикционная муфта, которая позволяла перемещать стрелку независимо от хода часового механизма. Дальнейшим усовершенствованием было создание 12-зубой звездочки на валу часовой стрелки. Каждый час один из зубьев этой звездочки приподымал выпускной рычаг механизма боя и приводил его в действие, а затем штифты на ведущем колесе раскачивали молоточек боя. Чтобы при этом механизм боя не ускорялся, его движение тормозилось маленькой двухкрыльчатой или четырехкрыльчатой ветрянкой. Когда в XVII в. завели минутную стрелку, то спусковой штифт переместили с часового колеса на минутное. Вскоре после изобретения механизма для отбивания часов и получасов появились на башнях часы, отбивающие четвертьчасовые периоды. Если для отбивания получасов достаточно было иметь один механизм боя, то для отбивания, каждой четверти часа требовалось уже иметь два соединенных друг с другом механизма. Спусковое устройство ходового механизма приводил в действие механизм, отбивающий четверти часа, который после отбивания четверти часа запускал механизм часового боя. Самыми старыми башенными часами, которые стали отбивать четверти часа, считали башенные часы, установленные в 1389 г. в Руане. Механизм боя некоторых больших часов на башнях XV и XVI вв. был оснащен движущимися фигурами, например двумя фигурами, вооруженными молотками. В иностранной литературе эти фигуры называют jacka и jacquecmarts. С подобными элементами мы иногда встречаемся и у настенных часов с боем.
Механизм боя со стопорным колесом страдал рядом недостатков, в том числе и тем, что стопорное колесо не позволяло повторять один и тот же сигнал времени. Несмотря на это, механизм сохранился вплоть до XVIII в. главным образом в дешевых часах, а в исключительных случаях и позднее, когда в часовом производстве стали уже применять другой, более современный и более универсальный тип механизма боя, применяемый еще и в настоящее время.
Такой механизм боя с так называемым зубчатым сегментом изобрел в 1676 г. Эдвард Барлоу (1636-1716). Бесспорным достоинством этого изобретения была возможность почти неограниченно повторять отбиваемый сигнал, не нарушая при этом очередность отбивания других часов. Новый механизм боя быстро распространился прежде всего в английском часовом производстве.