Текст книги "Гринвичское время и открытие долготы"

Автор книги: Дерек Хауз

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 15 страниц)

Однако использование истинного Солнца для определения точного времени затруднительно, так как провести непосредственное наблюдение Солнца нелегко и, кроме того, именно в нужный момент оно может быть закрыто облаками. Поэтому астрономы редко используют Солнце для определения времени, предпочитая вместо него наблюдать яркие звезды, положения которых известны с высокой точностью. Из наблюдений любой звезды получают звездное время, от которого всегда можно перейти к среднему солнечному времени. Положение звезды, видимой наблюдателем как точечный источник света, может быть определено очень точно. Благодаря существованию множества звезд облачная погода в гораздо меньшей степени влияет на их наблюдения, а общая точность определения времени увеличивается, поскольку за одну ночь можно наблюдать десяток и более звезд (наиболее яркие звезды с успехом можно наблюдать и в дневное время), тогда как за один день обычно невозможно провести более одного наблюдения Солнца для определения времени.

Инструменты

В те годы, когда была основана Гринвичская обсерватория, для определения времени обычно использовался метод двойных или равных высот. Этот метод не следует путать с появившимся позднее методом, предложенным Гауссом, который иногда называют его именем. В методе двойных высот астроном, применяя подвижный квадрант, установленный на вертикальной оси, определяет высоту Солнца приблизительно за час до полудня, когда она увеличивается, и замечает время по выверенным часам. Затем через такой же интервал после полудня, когда Солнце уже пересечет меридиан и его высота уменьшается, астроном отмечает точное время момента, когда Солнце достигает той же высоты, что и в первом, предполуденном наблюдении. Применяя небольшую коррекцию, учитывающую разницу в солнечных склонениях между двумя наблюдениями, и взяв среднее из двух отмеченных моментов, наблюдатель получает момент истинного полудня. Чтобы затем получить момент среднего полудня, надо воспользоваться уравнением времени на этот день. Этим методом пользовались в Гринвиче в период 1675-1725 гг., применяя для наблюдений разнообразные квадранты, установленные в Главном зале обсерватории.

Честь изобретения пассажного инструмента, разновидности которого использовались в Гринвичской обсерватории с 1721 по 1957 г., принадлежит Оле Рёмеру, датскому астроному, который впервые применил этот инструмент в Копенгагене в 1689 г. В Англии пассажный инструмент впервые применил Эдмунд Галлей в 1721 г. Этот инструмент и до сих пор можно увидеть в Гринвиче. Простой пассажный инструмент состоит из телескопа, укрепленного под прямым углом к горизонтальной оси, которая может свободно вращаться на опорах, расположенных на двух столбах (Сейчас во всем мире применяют фотоэлектрические пассажные инструменты. Впервые фотоэлектрический метод регистрации звездных прохождений на пассажном инструменте был разработан в Пулкове проф. Н. Н. Павловым. – Прим. перев). Телескоп можно передвигать вниз и вверх, но не из стороны в сторону, так как его горизонтальная ось вращения направлена точно с востока на запад. Коллимационная линия, или оптическая ось, телескопа всегда лежит в плоскости меридиана. Таким образом, в принципе момент пересечения меридиана любым небесным телом можно установить из одного наблюдения. На самом деле телескоп пассажного инструмента имеет несколько горизонтальных и вертикальных «проволочек» – обычно это паутинные нити, натянутые в фокальной плоскости телескопа, которые видны в поле зрения. Существенно то, что оптическая ось телескопа всегда должна быть направлена по меридиану. Чтобы это обеспечить, наблюдателю необходимо перед каждым сеансом наблюдений по возможности учесть возможные ошибки и либо уменьшить их с помощью апертурных приспособлений, либо определить их величины для учета при дальнейшей математической обработке результатов наблюдений. Эти ошибки бывают трех типов:

а) ошибка азимута, обусловленная тем, что опоры, на которых лежит ось, расположены не точно по прямой линии, проходящей с востока на запад; направление проверяется с помощью наблюдения азимутальной метки, установленной точно в плоскости меридиана на расстоянии порядка километра от инструмента (или с помощью наблюдений близкополюсных звезд); ошибка может быть исправлена небольшим смещением одной из опор;

б) ошибка уровня, связанная с тем, что опоры не точно располагаются в горизонтальной плоскости; проверка производится с помощью пузырькового уровня или наблюдением (глядя вертикально вниз в чашу со ртутью) надира, а коррекция осуществляется приподниманием или опусканием одной из опор;

в) коллимационная ошибка, возникающая вследствие того, что ось телескопа закреплена не точно под прямым углом к горизонтальной оси вращения; ошибка устраняется перекладкой телескопа во время наблюдения, т.е. поворотом инструмента вокруг вертикальной оси на 180° и последующим усреднением результатов наблюдений до и после перекладки.

Простой пассажный инструмент применялся для определения времени в Гринвиче с 1721 г. по 1850 г. [1]. Следует помнить, что пассажный инструмент (и его усовершенствованная разновидность – меридианный круг) очень интенсивно использовался и для решения обратной задачи – определения прямых восхождений звезд.

Меридианный круг Эри (оптическая ось которого задавала всемирный нулевой меридиан), позволявший измерять с равным успехом как склонения, так и прямые восхождения, применялся для определения времени в период 1851-1927 гг. Время прохождения звезды с 1854 г. автоматически регистрировалось хронографом, а в последующие годы были осуществлены и многие другие усовершенствования этого инструмента. Однако увеличение точности хранения времени с изобретением часов со свободным маятником предъявило соответствующие требования к увеличению точности определения времени. Меридианный круг Эри весил почти две тысячи фунтов, что не позволяло перекладывать его достаточно быстро. Поэтому с 1927 г. определение времени (но не измерение положений) в Гринвиче (а также в Абинжере, Эдинбурге и Хёрстмонсо – во время и после второй мировой войны) успешно производилось с помощью небольшого перекладывающегося пассажного инструмента (труба телескопа была длиной около трех футов), имеющего специальные подставки, которые позволяли перекладывать телескоп во время наблюдений для исключений коллимационной ошибки.

Но, как мы уже видели, увеличение точности хранения времени в 1940-х гг. с изобретением кварцевых, а в 1950-х гг. – атомных весов требовало еще более точного его определения. В 1957 г. в обсерватории, перебазировавшейся в Хёрстмонсо, определение времени стало производиться с помощью фотографической зенитной трубы (ФЗТ), сконструированной Д. С. Перфектом [2]. ФЗТ – это усовершенствованная отражательная зенитная труба, созданная Эри примерно в 1850 г., конструкция которой была значительно улучшена и приспособлена для определения времени в обсерватории ВМС США. Как говорит само название, труба ФЗТ установлена и направлена к зениту (точка, через которую проходит меридиан). Возможности этого инструмента ограничены, так как он позволяет регистрировать прохождения звезд только в пятнадцатиминутной зенитной зоне, но этот недостаток возмещается высокой точностью наблюдений. Световой поток от звезды отражается вниз от ртутной поверхности, задающей вертикаль, и изображение звезды четыре раза автоматически регистрируется на движущейся фотографической пластинке, установленной в плоскости второй главной точки объектива. Момент времени каждой экспозиции точно (и автоматически) регистрируется хронографом, а время пересечения звездой меридиана определяется после обработки изображений на фотопластинке и учета моментов времени, в которые они были получены. Для определения среднего гринвичского времени местное время исправляется для долгот Хёрстмонсо, расположенного к востоку от Гринвича на 1 мин 21,0785 с.

Кроме ФЗТ в Гринвичской, как и во многих других обсерваториях, для определения времени интенсивно используется другой инструмент – безличная призменная астролябия конструкции Андре Данжона, впервые примененная в Безансоне в 1951 г. [3]. Этот инструмент позволяет очень точно определять момент времени, когда звезда достигает фиксированного зенитного расстояния 30°. Инструмент может вращаться вокруг вертикальной оси, поэтому он способен регистрировать звезды в любом азимуте. Как и ФЗТ, вертикаль в этом инструменте задается отражением светового потока от чаши со ртутью. Пассажный инструмент и ФЗТ отмечают видимые прохождения звезд через меридиан, а призменная астролябия фиксирует движения звезд через альмукантарат (линия равных зенитных расстояний) 30°; время определяется по методу равных высот, предложенному Гауссом в 1808 г. [4].

Три столетия назад определение времени Флемстидом на основе наблюдений методом двойных высот, вероятно, происходило с точностью 5 с. В начале нашего века точность определения времени с помощью традиционного пассажного инструмента повысилась до 0,1 с. В 1970-х гг. ФЗТ позволяла измерять прохождение одной звезды с точностью 0,02 с, а при измерении, скажем, 30 звезд эта точность в результате обработки материалов всех ночных наблюдений повышалась до 0,004 с.

III. Механические и электрические часы гринвича

(Приложение написано Роджером Стивенсом, старшим хранителем Национального морского музея)

Многие важные достижения в деле точного хранения времени стимулировались теми же высокими требованиями, которые астрономы предъявляли к часам. В этом приложении описываются технические особенности часов, применяемых в Гринвичской обсерватории.

Принцип действия часов

Часы – это в своей основе механизм, который способен поддерживать колебания и производить их счет. Осциллятор может быть выполнен в виде маятника или балансного колеса-в механических часах или в виде кристалла кварца – в электронных часах. В любом случае энергия, поддерживающая колебания, передается осциллятору небольшими, но регулярными порциями. И в пружинных, и в гиревых часах передача энергии обеспечивается так называемым спусковым механизмом, который, как это следует из его названия, приводит в действие колесики механизма часов и отсчитывает время, но сам ход часов задает осциллятор. Точность часов определяется видом осциллятора и типом воздействия, при помощи которого механизм поддерживает колебания осциллятора; их взаимосвязь необходимо по возможности свести к минимуму. Увеличение точности хранения времени достигалось путем постепенного повышения контроля осциллятора над часами и уменьшения воздействия на механизм внешних условий, прежде всего изменения температуры и давления.

Шпиндельный спусковой механизм

Гиревые часы появились в XIII в. Работа этого древнего механизма регулировалась горизонтальным балансным коромыслом. На рисунке показано, каким образом коромысло приводилось в движение при помощи шпиндельного спускового механизма. Такое устройство использовалось в течение сотен лет в башенных часах, а позднее было приспособлено для контроля и в небольших переносных часах. Несовершенство конструкции часов со шпинделем и фолио (балансным коромыслом (На Руси коромысло с грузами называлось билянцем. – Прим. перев)) проявлялось в том, что, хотя баланс и являлся контролером хода часов, он не имел собственного периода колебаний. Поэтому баланс реагировал на изменения движущей силы, которая действовала через колесную передачу (последовательность колес, каждое из которых приводит в действие соседнее в передаче колесо), и не мог колебаться с равными периодами времени.

Маятниковые часы

Значительные успехи в хранении времени были достигнуты, когда в простых часах со шпиндельным спусковым регулятором стали применять маятник. Маятник обладает собственным периодом колебаний, так как его движение происходит под действием силы тяготения, являющейся с довольно большой точностью постоянной величиной.

Рисунок показывает, каким образом шпиндельный спуск связан с маятником. Спусковое колесо теперь поддерживается вертикальной осью, а шпиндель расположен горизонтально. Шпиндель заканчивается вилкой, которая и служит связующим звеном между спусковым механизмом и маятником. Маятник подвешивается на двух нитях, или подвесных пружинах. Ход часов регулируется поднятием или опусканием груза маятника.

Шпиндельный спусковой механизм используется для раскачивания маятника, в результате чего величина отклонения от вертикали, т. е. положения равновесия, достигает 20-30°; любое изменение этой дуги вызывает изменение хода часов, известное под названием циркулярной погрешности. С увеличением размаха колебаний маятника ошибка растет, если же размах колебания уменьшить приблизительно до 3°, то ошибка станет пренебрежимо малой. Изобретение возвратного спускового механизма позволило заставить маятник совершать колебания с такой малой амплитудой.

Возвратный спусковой механизм

Возвратный спуск, обеспечивающий надежную работу механизма, чрезвычайно интенсивно использовался в домашних часах. На рисунке показано устройство спускового колеса и паллет, или анкера. Зуб колеса поднимает импульсные плоскости паллет, приводя таким образом посредством вилки в движение стержень маятника. Этот спусковой механизм назван возвратным, потому что спусковое колесо отходит назад против часовой стрелки в тот момент, когда маятник приближается к положению максимального отклонения. Это достигается благодаря тому, что рабочие плоскости паллет не концентричны с паллетной осью. В устройстве, изображенном на рисунке, правая паллета (выходная) только что получила толчок и маятник качнулся вправо, но, прежде чем он отклонится до конца, левая паллета (входная) зацепит спусковое колесо и сила инерции маятника продвинет паллету к центру колеса и повернет его (это происходит ежеминутно) назад. Возвратный спусковой механизм поддерживает колебания маятника с малым размахом, но по существу возврат является и недостатком, так как он препятствует свободному колебанию маятника и приводит к износу плоскостей паллет.

Амплитуда колебаний маятника, связанного со шпиндельным спусковым механизмом, на практике налагает ограничение на длину маятника: она должна быть не более 15-20 см; с изобретением возвратного спускового механизма появилась возможность использовать длинный маятник с относительно тяжелым грузом. В результате часы такой конструкции стали менее подвержены нерегулярности хода и менее зависимы от влияния внешних условий, таких, как сквозняки и вибрации.

Главные часы Флемстида

Применение в часах маятника и усовершенствованного спускового механизма позволило астрономам повысить точность регистрации наблюдений. Подобные маятниковые часы применялись в Гринвичской обсерватории со времен Флемстида до 40-х годов нашего столетия. Пара «Главных часов», изготовленных Томасом Томпионом, была установлена в обсерватории в 1676 г.; они имели весьма необычный вид, так как их маятники с эффективной длиной 13 фут (~3,9 м) и двухсекундными периодами колебаний были подвешены выше часовых механизмов. Поэтому вилка каждого спускового механизма была направлена вертикально вверх и сцеплялась с маятником ниже его линзы.

Несмотря на эти интересные новшества, качественно новые часы не отличались сколько-нибудь значительно от длинно-футлярных часов времен Флемстида. Механизмы часов и маятники в обсерватории не были защищены надлежащим образом от пыли, механических сотрясений и т.д. и не были термоком – пенсированы [1]. Поскольку преимущества часов с такими длинными маятниками так и. не были выявлены, впоследствии для всех эталонных часов гринвичской обсерватории стали применять маятники длиной 39,14 дюйм (99,2 см). Это привело к уменьшению периода колебаний до одной секунды, вследствие чего секундная стрелка стала передвигаться односе-кундными скачками, и, кроме того, дало возможность астрономам при проведении наблюдений воспринимать каждую секунду на слух.

Покоящийся спусковой механизм и ртутный маятник

Второй королевский астроном Эдмунд Галлей заказал три экземпляра часов известному инструментальному и часовому мастеру Джорджу Грэхему, работавшему вместе с Томпионом и внесшему большой вклад в дело изготовления астрономических часов. Первые часы, сконструированные примерно в 1720 г., имели спусковой механизм, подобный возвратному, но в отличие от последнего маятник здесь не воздействовал на спусковое колесо, способствуя его возврату. Это устройство получило название покоящегося спускового механизма. Последовавшее вскоре второе изобретение относилось к разработке способа компенсации влияний температурных изменений на длину маятника и достигалось применением в качестве груза маятника сосуда, наполненного ртутью. Часы со спусковым механизмом Грэхема и ртутным маятником, получившие название регуляторов, использовались в обсерваториях всего мира на протяжении свыше 150 лет.

Импульсы передавались паллетам концами зубьев спускового колеса. Стороны паллет, концентричные паллетной оси, имели плоскости покоя, против которых зубья колеса останавливались в промежутках между импульсами, в то время когда маятник совершал дополнительное отклонение. Дополнительное отклонение – это добавочное колебание маятника после того, как он уже отклонился на угол, больший, чем требовалось для того, чтобы паллеты получили импульс и колесо повернулось.

С уменьшением влияния спускового механизма на маятник уменьшилась и ошибка. Грэхем приступил к выяснению влияния изменений температуры на ход часов. Часы, имеющие маятник с обычным железным или стальным стержнем, будут отставать с увеличением температуры (так как стержень при этом удлиняется) и спешить при понижении температуры (когда стержень укорачивается). Величина ошибки, обусловленной таким изменением длины стального стержня, при отклонении температуры на ГС составляет около 0,5 с в сутки, поэтому разность хода часов в зимнее и летнее время может достигать 4 с в сутки. Для разрешения этой проблемы Грэхему необходимо было добиться, чтобы расстояние от точки подвеса маятника до его центра колебания (точка, в которой добавление или уменьшение массы не влияет на период колебаний маятника), находящегося около центра груза, сохранялось постоянным при изменении температуры. Экспериментируя с различными металлическими стержнями и пытаясь использовать свойство различных металлов расширяться по-разному, Грэхем в конце концов изготовил ртутный маятник, где удлинение и укорочение стержня компенсировалось подъемом или опусканием ртути, налитой в стеклянный сосуд, который и служил грузом маятника.

Решетчатый маятник Джона Гаррисона

Весьма удивительно, что ни один из четырех регуляторов, изготовленных Грэхемом для Гринвичской обсерватории, не имел ртутного маятника. Первые три экземпляра часов, поступившие в обсерваторию в период 1721-1725 гг., как было написано, имели «простые маятники» (с деревянными или стальными стержнями). Гаррисон произвел компенсацию маятника примерно в 1728 г., Грэхем в то же время заменил в двух ранних регуляторах простые маятники на решетчатые. Уже в 1750 г. четверо часов, доставленных в обсерваторию, имели решетчатые маятники.

Опытным путем Гаррисон обнаружил, что латунь расширяется под действием температуры в полтора раза больше, чем сталь, поэтому для получения хорошей компенсации секундного маятника, длины латунных стержней должны равняться приблизительно 9 фут (~2,7 м), а стальных – 6 фут (~1,8 м). Гаррисон сумел разрешить проблему, связанную с чрезвычайно большой длиной стержней, закрепляя их так, как показано на рис. 72 (здесь стрелки указывают направление расширения стержней при повышении температуры). Закрепление стержней поперечными полосками было произведено таким образом, что все стальные стержни расширялись книзу, а латунные – кверху, вследствие чего результирующий эффект выразился в том, что линза маятника поддерживалась на неизменном расстоянии от точки подвеса.

Дальнейшие усовершенствования

В 1773 г. пятый королевский астроном Маскелайн приобрел два регулятора с покоящимися спусковыми механизмами у изготовителя хронометров Джона Арнольда. Эти часы имели решетчатые маятники, причем маятник одних часов традиционно состоял из девяти стержней, а вторых – только из пяти, что достигалось заменой двух латунных стержней на цинковые, расширяющихся книзу, остальные же три стержня были изготовлены из стали. Чтобы уменьшить общую длину стержней, Арнольд воспользовался тем, что цинк имеет больший коэффициент расширения, чем сталь.

Арнольд участвовал и в усовершенствовании более ранних регуляторов Грэхема, где для уменьшения трения и износа он применил паллеты с драгоценными камнями. Рубиновые камни, заключенные в стальную паллетную оправу, служили плоскостями импульса и покоя. Таким образом, регулятор Арнольда в прямом смысле этого слова стал драгоценным. Это начинание в дальнейшем нашло большое применение в практике изготовления высокоточных регуляторов с драгоценными камнями в качестве опор спускового колеса и паллет.

Электрические хранители времени

Значительных успехов в деле хранения времени в годы, когда на посту директора Гринвичской обсерватории был Джон Понд, достигнуто не было; но именно тогда был введен первый общественный сигнал времени в виде сигнального шара, смонтированного в 1833 г. на верхушке восточной башни обсерватории. Поначалу шар приводился в действие вручную оператором, имеющим достаточно точные часы, но с 1852 г. шар стал падать автоматически под действием сигнала от электрических часов Чарльза Шеперда. Эри, ставший преемником Понда на посту директора Гринвичской обсерватории, увидел потенциальные возможности часов Шеперда в свете возрастающей роли телеграфной связи и сделал эти электрические часы сердцем своей системы распространения времени (см. гл. 3). В регуляторе Шеперда (он до сих пор находится в рабочем состоянии) применялся соответствующий секундный маятник с ртутной компенсацией, движение которого поддерживалось при помощи рычага с небольшим весом, называемого рычагом тяжести. На рис. 73 приведена схема электромагнитного устройства. В тот момент, когда маятник отклоняется влево, он приподнимает защелку (а), которая, вращаясь, освобождает рычаг тяжести (Ь), при падении толкающий маятник вправо. Таким образом маятник получает толчок только в одном направлении, а импульс, определяемый силой тяжести рычага, всегда одинаков. В максимуме своего отклонения вправо маятник замыкает контакт (С) и приводит в действие электромагнит (D), который притягивает якорь (с), при этом конец якоря поднимается и подталкивает рычаг (b) вверх до его захвата защелкой (а). Так завершается один рабочий цикл.

Маятник поочередно соприкасается с контактами А и В, благодаря чему через катушки Е и F проходит ток. Часы Шеперда работают по принципу, обратному по сравнению с гиревыми механизмами. В этих часах паллеты поворачивают спусковое колесо, приводящее в действие часы, тогда как в гиревых устройствах спуск приводится в действие часовым механизмом. В первоначальной конструкции регулятора Шеперда полярность катушек Е и F изменялась при каждом отклонении маятника, поэтому стержневой магнит, связанный с осью паллет, притягивался к одной катушке и отталкивался от другой.

Электрические часы в те времена, когда Шеперд предоставил свой регулятор Гринвичской обсерватории, еще только зарождались; способ замыкания контактов, предложенный Шепердом, препятствовал свободному качанию маятника, но секундные импульсы, выдаваемые такими часами, можно было использовать для приведения в действие вспомогательных, или вторичных, часов (см. далее рис. 75), расположенных на значительном расстоянии от обсерватории.

Регулятор Дента

В 1871 г. Гринвичская обсерватория лонные часы, идущие по звездному Дентом, в тесном сотрудничестве с Этот замечательный регулятор «Дент устройство, сконструированное самим щимся хронометром и содержащее устройств [2].

Регулятор был изготовлен очень тщательно, что обеспечивало высокую точность, достаточную для обнаружения влияний на его ход изменений атмосферного давления. Этот эффект был очень мал и приводил к изменению хода приблизительно на 0,1 с в сутки при среднем изменении давления. Помощник Эри Уильям Эллис предложил способ устранения этих ошибок с помощью закрепления на ртутном барометре магнита, величина перемещения которого определялась давлением в часовом футляре. Этот магнит притягивал два стержневых магнита, связанные с маятником, и изменял период его колебаний в соответствии с изменением давления. В поздних конструкциях часов было достигнуто более эффективное решение этой проблемы путем помещения часового механизма и маятника в парциальный вакуум, где низкое давление поддерживалось на постоянном уровне.

Более компактное устройство решетчатого маятника Джона Арнольда было разработано примерно в 1800г.; в нем цинковые стержни были заменены цинковыми трубками, позволяющими передвигаться в них стальным маятниковым стержням. Это устройство температурной компенсации приспособили к «Денту № 1906». Различные старые регуляторы, имеющиеся в обсерватории, также модернизировали, заменив их первоначальные решетчатые или ртутные маятники устройствами цинково-стальной компенсации.

Спусковое устройство Рифлера

В то время, когда пост директора Гринвичской обсерватории занимал Фрэнк Дайсон, были приобретены новые маятниковые часы. Стало очевидным, что дальнейшего прогресса в области хранения времени можно достигнуть, защитив маятник от всяких внешних воздействий. В 1891 г. Зигмунд Рифлер из Мюнхена сделал шаг в этом направлении, применив специальное спусковое устройство, воздействующее на маятник посредством пружины, на которой он был подвешен. Колебания маятника поддерживались при помощи электрического тока, поэтому не было необходимости заводить механизм. Механизм и маятник помещались в вакуумном цилиндре и таким образом были изолированы от внешних воздействий. В этих условиях часы Рифлера имели точность хода порядка 0,01 с в сутки. Несмотря на это, подобные часы стали использоваться в Гринвиче только с 1922 г., заменив «Дент № 1906». Но и этот регулятор, изготовленный англичанином Коттингэмом, в 1925 г. заменили часы со свободным маятником Шорта.

Часы со свободным маятником

Часы со свободным маятником Шорта широко применялись во многих обсерваториях. Это были первые хранители времени, способные выявить незначительные изменения в скорости вращения Земли (см. гл. 5).

На самом деле часы Шорта состоят из двух часов: главных – со свободным маятником и вторичных, поддерживающих движение свободного маятника и считающих его колебания. И в тех и в других часах применяются рычаги, подталкивающие маятники один раз в полминуты.

Поворотный крючок (а) (рис. 74), двигаясь вместе с маятником, поворачивает на один зуб счетное колесо раз в две секунды. При вращении колеса связанный с ним выступ (Ь) поднимает раз в 30 с защелку (с) и освобождает рычаг (d).

Маленький поворотный ролик, укрепленный на рычаге, скользит по импульсной плоскости маятника и тем самым сообщает ему импульс, после чего вертикальное плечо рычага касается контактного винта на якоре (е) и замыкает ток в контуре. Катушка притягивает якорь и подбрасывает рычаг (d) на защелку (с).

В главных часах колебания поддерживаются подобным образом, но их рычаг значительно легче, поскольку эти часы работают при более низком давлении и их маятник не воздействует на счетное колесо. Передача импульса и замыкание контакта производится двумя различными рычагами, более легким-для передачи импульса, более тяжелым – для замыкания контакта.

Синхронизация импульса, передаваемого свободному маятнику, контролируется вторичными часами, но ход, а следовательно, и счет времени вторичных часов контролируются корректирующим импульсом, вырабатываемым свободным маятником. Работа происходит следующим образом:

1. Рычаг вторичных часов освобождается выступом счетного колеса.

2. Маятник вторичных часов получает импульс, а рычаг возвращается в исходное положение; при замыкании контакта возникает импульс электрического тока, передвигающий на полминуты стрелки на циферблате вторичных часов и возбуждающий катушку (А).

3. Рычаг часов со свободным маятником освобождается от захвата.

4. Свободный маятник получает импульс, и его рычаг возвращается в исходное положение; через замкнутый контакт проходит импульс тока, передвигая на полминуты стрелку часов и возбуждая синхронизирующую катушку (В).

Вторичные часы отрегулированы на небольшое отставание, что позволяет синхронизировать их маятник при помощи корректирующего импульса главных часов. Синхронизация производится в тот момент, когда тонкая пластинка (а), связанная со стержнем вторичного маятника, отклоняется выступом якоря (b). В этот момент период колебаний уменьшается.

Стержень маятника в часах Шорта изготавливается из сплава никеля и стали и практически не реагирует на изменение температуры. Этот сплав, называемый инваром, впервые был получен в 1899 г. швейцарским физиком Шарлем Гийомом, работавшим во Франции. Коэффициент расширения инвара имеет величину порядка 10-6дюйм на градус. Некоторые образцы имеют отрицательный коэффициент расширения, вследствие чего они слегка сжимаются при увеличении температуры. Естественно, что этот материал был выбран для изготовления точных маятниковых часов; он же, обеспечивая температурную компенсацию, используется в подвесной пружине.

IV. Современные точные часы(Это приложение написано Джоном Пилкингтоном, руководителем отдела времени Гринвичской обсерватории в Хёрстмонсо)

Усовершенствования маятниковых часов, которые постепенно позволили обеспечить однородные шкалы времени, касались ослабления факторов, воздействующих на колебание главного маятника, и уменьшения влияния изменений внешних условий и трения в механизме часов. Однородность шкалы в дальнейшем была повышена объединением показаний разных часов, изолированных, насколько это было возможно, друг от друга. Наивысший эффект был достигнут с появлением радиосигналов, что позволило использовать показания часов, разнесенных на большие расстояния друг от друга. Прогресс электроники привел в конечном счете к совершенствованию самих часов: отныне единицы промежутков времени в них устанавливались на основе явлений, ни коим образом не связанных с движением маятника или какого-нибудь другого физического тела под действием гравитационного поля Земли.

Действие первых электронных часов, качественно превосходящих часы Шорта со свободным маятником, было основано на работе кварцевого генератора колебаний. Эти часы до сих пор входят как составная часть в большинство «атомных часов», используемых сегодня в службах времени, но при этом выполняют только роль махового колеса, сглаживающего короткопериодические вариации хода, а долгопериодическии контроль осуществляется на основе более фундаментальных принципов. Кварцевый генератор используется в телевизионных устройствах свыше 50 лет, а в последнее время начинает применяться в кварцевых наручных часах, обеспечивая их ход со стабильностью порядка несколько секунд в месяц. В настоящее время достигнута стабильность в несколько тысяч раз выше, что позволяет применять кварц в дорогостоящих прецизионных приборах.