Текст книги "Вчера, сегодня, завтра"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 15 страниц)

Глава седьмая. «Часы – хранители секунды»

Борьба за точность хода

Как и в старину, часовые фирмы продолжают иногда выпускать диковинные часы необычайного вида, формы и устройства. Существуют, например, часы, у которых с виду совсем нет механизма. У них прозрачный циферблат и такая же прозрачная задняя крышка. Часы походят на маленькую стеклянную коробочку с металлическим ободком. Сквозь коробочку можно смотреть, как через очковое стекло. Только стрелки чуть-чуть мешают. Стрелки укреплены в центре прозрачного циферблата и двигаются, показывая время так же хорошо, как и обычные карманные часы.

Такие часы не более как забавная диковинка. Их механизм искусно спрятан в ободке, а движение стрелкам передается посредством прозрачных пластмассовых шестерен.

Существуют также часы без заводной головки. Их не надо заводить, так как они заводятся сами собой. Внутри «вечных» часов скрыта плоская металлическая и наглухо запаянная коробочка, такая же, как у барометра – анероида.

Когда атмосферное давление повышается, то донышко коробочки, сделанное из волнистого металла, прогибается внутрь и тянет за собой рычажок. Рычажок соединен с маленьким храповым колесом, которое в свою очередь поворачивает барабан и закручивает пружину.

То же самое происходит, когда атмосферное давление падает. Каждое, даже очень незначительное изменение атмосферного давления приводит в действие заводной механизм – и часы идут без участия человека до тех пор, пока не сломаются.

Подобного же типа часы без заводной головки бывают и другого устройства. Внутри их механизма укреплен небольшой, но увесистый грузик.

От каждого движения рукой, от каждого шага хозяина часов грузик начинает раскачиваться вверх и вниз. Его движения при помощи рычажка передаются на храповик, который закручивает пружину.

Так как человек почти целый день бывает в движении, то часы непрерывно заводятся, и их пружина всегда находится в сжатом состоянии.

Ложась спать, часы можно положить на столик, они будут идти, так как завода хватает почти на сутки. Утром, как только часы попадут в карман или на руку, они сразу же начинают заводиться и запасать энергию на ночь.

Часов-диковинок разного типа существует очень много; некоторые усовершенствования в них сделаны ради удобств, некоторые – ради рекламы или забавы. Они не представляют собой серьезно измененного или улучшенного часового механизма.

Инженеры точной механики стремятся усовершенствовать часовой механизм так, чтобы добиться от него долговечности, идеальной точности и равномерности хода.

Оси шестеренок изготавливают теперь из особо прочной стали, а концы осей опирают на подшипники, выточенные из драгоценных камней, главным образом рубинов.

Рубины, природные и искусственные, отличаются стойкостью и очень медленно снашиваются от трения.

В зависимости от качества часов, камней бывает либо девять, либо пятнадцать. Большее количество рубинов ставят только в самые лучшие хронометры.

Главным врагом всяких часов, если не считать небрежности владельцев, является изменение температуры.

От нагревания тела расширяются. Летом, когда тепло, маятники удлиняются – и часы идут медленнее. Зимой, наоборот, маятники становятся короче – и часы спешат.

Ход комнатных часов зависит от того, вытоплена лечь или нет. Это, конечно, неудобно.

Чтобы ослабить вредное влияние температурных колебаний, маятники стали делать составными или укреплять в них обыкновенный термометр. В некоторых домах сохранились еще старинные часы с термометром. От повышения температуры маятник удлиняется и его центр тяжести опускается. У термометра же, наоборот, ртуть в трубочке от нагревания ползет вверх и центр тяжести поднимается. У маятника, спаренного с термометром, общий центр тяжести остается почти неизменным и вредное влияние изменений температуры парализуется.

Сейчас от таких маятников отказались, – они дороги и излишне сложны.

Для маятников изобрели особый сплав – инвар[14]14
  Сокращенное слово «инвариабль», что значит «неизменный».


[Закрыть]. Он состоит из 35,7 % никеля и 64,3 % железа. Инвар почти не расширяется под влиянием тепла. А чтобы обезвредить то ничтожное расширение от нагревания, какое все-таки имеется у него, придумано несколько различных приспособлений. Например, на стержень маятника надевают трубку. Эта трубка нижним концом опирается на гайку, которой оканчивается стержень маятника. К верхнему же концу этой трубки прикрепляется диск маятника.

Металл, из которого сделана трубка, а также и ее длина, подобраны с определенным расчетом: насколько удлиняется при повышении температуры инварный стержень маятника, настолько же удлиняется и трубка. Диск маятника, укрепленный на верхнем конце трубки, благодаря этому не меняет своего положения.

Кроме того, точные часы одевают в рубашку из материала, плохо пропускающего тепло, и содержат в помещениях с постоянной температурой.

Было замечено также, что и погода нарушает ход часов. Когда стоят ясные, тихие дни, часы отстают, а в пасмурную погоду и особенно перед бурей – начинают спешить.

Причина этих «капризов» маятника – изменение атмосферного давления. При хорошей погоде атмосферное давление высокое, воздух более плотен, и маятнику труднее его рассекать. Когда атмосферное давление падает – перед ненастьем или перед бурей, то более разреженный воздух не так мешает маятнику.

Он начинает раскачиваться быстрее, и часы уходят вперед.

Чтобы избавить маятник от помех со стороны атмосферного давления, точные часы пришлось поместить под стеклянный футляр. Из этого футляра откачивают воздух и часы содержат под неизменным давлением.

Составной маятник и маятник с термометром.

Точные часы – прибор необычайно чуткий ко всяким толчкам. Достаточно проехать поблизости трамваю или грузовику, и часы уже отзываются на сотрясение. Астрономические часы пришлось переселить из надземных помещений в подземелье. Их стали устанавливать в подвалах на массивных фундаментах, всячески оберегая от случайных потрясений. В Пулкове это было сделано еще в 1861 году.

Но, к огорчению ученых, самые тщательные предосторожности, самый бдительный уход не спасали астрономов от ошибок часов. Где-то скрывался мелкий и хитрый воришка, который, то подталкивая маятник, то притормаживая его, постепенно похищал сотые доли секунды.

Конструкторы понимали, что создать идеальные, совершенно безупречные часы невозможно. Они все равно будут ошибаться.

Но это не страшно! Пусть ошибаются! Не беда, если часы будут спешить или отставать на несколько сотых долей секунды в сутки. Пусть даже эта ошибка накапливается, она не опасна, если будет известна. Известную ошибку всегда можно учесть при вычислениях и таким образом обезвредить.

Опасны ошибки неизвестные, незамеченные. Они действительно, как мелкие воришки, «по копейке», могут растащить многое.

Строители точных часов стремились создать такой механизм, который ошибался бы всегда на одну и ту же величину. Погрешность часов должна быть постоянной.

Величина постоянной ошибки называется ходом часов. Чем неизменнее ход, тем лучше часы.

Чтобы создать хорошие, точные часы, необходимо найти и устранить причины, порождающие неточности.

Тщательное наблюдение за часами и многолетний опыт навели ученых на верный след. Воришек точности оказалось в часах целое семейство, и скрывались они в самом механизме часов; это были шестеренки – зубчатые колесики.

Оказывается, что совершенно невозможно изготовить шестеренку с абсолютно одинаковыми зубчиками. Все они хоть немного, да отличаются друг от друга. Все они снашиваются по-разному. Один зубчик толкает маятник чуть раньше, другой чуть позже. Равномерность хода нарушается. Если в ходовой шестеренке тридцать зубчиков – это тридцать ошибок.

Дружеская взаимопомощь маятника и шестереночного механизма оказалась не вполне добропорядочной. Они потакают друг другу в мелких грехах. Шестеренки дают маятнику не вполне равномерные толчки, а маятник, словно в отместку, так же неравномерно пропускает зубцы.

Шестеренкам, оказывается, нельзя доверять подачу толчков маятнику. Пусть шестереночный механизм знает только свое дело – двигать стрелки и считать секунды. Он не должен помогать маятнику и вмешиваться в его дела. Друзей пришлось разлучить и поселить в разных помещениях.

Маятник стал самостоятельным и важным прибором; к нему приставили слугу – другой маятник, который по проводам электрическим током подает своему хозяину толчки– импульсы – и сам подчиняется каждому качанию своего хозяина – главного маятника.

Так получились современные точные часы. Они состоят из часов с главным маятником и часов-счетчиков с вспомогательным маятником. Точность их хода поразительна, – они могут отстать или уйти вперед за сутки всего лишь на одну – две тысячные доли секунды.

Изобретение точных часов для астрономии было не менее важным делом, чем изобретение телескопа.

Этот прибор подает главному маятнику электрическим током толчки – импульсы.

Армия маленьких механизмов

В нашей стране каждая семья имеет часы, а в некоторых семьях есть и по нескольку часов. Это значит, что в Советском Союзе насчитывается примерно пятьдесят, а может быть даже и шестьдесят миллионов часов!

Целая армия часовых механизмов! И это действительно армия – весьма дисциплинированная, дружная и неутомимая. В ней, как и в настоящей армии, есть солдаты, офицеры, генералы и маршалы.

Солдаты огромной армии часов стоят на своих постах в заводских цехах, в учреждениях, на железнодорожных вокзалах, на перекрестках улиц, на кораблях, самолетах, автомобилях. Они выглядывают из витрин часовых магазинов и мастерских. Всегда и всюду часы стоят на страже времени и равномерным движением стрелок помогают нам поддерживать нормальный распорядок жизни.

Среди часов есть две основные группы или отряда. Одни из них – маятниковые часы – по своему устройству предназначены нести исключительно «гарнизонную службу». Их маятники не терпят толчков и малейших сотрясений. Поэтому и важные стенные часы и суетливые ходики исполняют свои обязанности не двигаясь с поста, как часовые.

Часы другого отряда вполне свободно могут передвигаться. Они снабжены вместо маятника балансиром, который боится только сильных толчков и ударов. Поэтому часы с балансиром – карманные и ручные, горластые будильники несут подвижную «полевую службу». Они всюду следуют за человеком, помогая ему в пути или на работе узнавать время.

Среди часов есть старики, оставшиеся на «сверхсрочную службу» от прошлого столетия. Это часы с кукушкой или старинным боем, вызванивающие каждый час и четверть часа.

Есть и франты – красивые кабинетные часы. Некоторые из них бывают в рост человека, и все они одеты в нарядные чехлы из стекла и полированного дерева. Эти часы обычно обладают музыкальным боем.

К особым видам часов относятся немагнитные часы, которые несут службу на электрических станциях. На кораблях и на самолетах числятся хронометры – часы-моряки, которые не страдают от качки.

Секундомеры – с длинной и тонкой, как паучья лапка, секундной стрелкой – обосновались у мастеров спорта и хронометражистов, которые в заводских цехах замеряют продолжительность той или иной работы.

Офицеры армии часов всегда находятся в закрытых помещениях и пользуются постоянным уходом часового мастера. Их можно найти на больших заводах, в крупных учреждениях, в трамвайно-троллейбусном управлении, в отделениях треста часофикации, на телеграфе, радиостанциях и на вокзалах.

Часы-офицеры имеют электрическое оборудование и сеть проводов, которыми они связаны с подчиненными им часами.

Часы Института метрологии в Ленинграде. Прежде они управляли большинством ленинградских электрических часов на улицах.

Подчиненные часы собственного часового механизма не имеют. Это по сути дела часы-пустышки. У них есть циферблат, стрелки, а внутри электрический приборчик, который двигает стрелки только по сигналам часов-командиров.

Таковы, например, все уличные часы, которые указывают время водителям транспорта и пешеходам.

Очень важные часы находятся на телефонных станциях и называются «говорящими часами».

Их можно вызвать по телефону. В Ленинграде для этого надо набрать номер 8. Набрав этот номер, абонент слышит спокойный внушительный голос, который неторопливо произносит:

– Двадцать часов, пятьдесят две минуты. – Если абонент не повесит трубку, то говорящие часы так же невозмутимо повторят:

– Двадцать часов, пятьдесят две минуты. – Если же в это время минута кончилась, то часы скажут:

– Двадцать часов, пятьдесят три минуты.

«Говорящие часы» занимают на телефонной станции отдельное помещение. Вход к ним строго воспрещен.

На обыкновенные часы они совершенно не похожи. У них нет ни циферблата, ни стрелок. Часовой механизм соединен с большим алюминиевым барабаном, на который надеты ленты с записью звука. На одном краю барабана находятся ленты, на которых записан голос человека, произносящего часы: ноль часов, один час, и так далее до двадцать третьего часа.

На другом краю укреплены ленты с записью минут.

Сбоку барабана пристроено два электрических глаза – фотоэлементы. С помощью тонкого светового луча они читают запись звука, каждый на своей ленте.

Правый читающий прибор целый час читает одно и то же: двадцать часов, двадцать часов… Как только час пройдет, механизм передвинет электрический глаз к следующей ленте, и он начнет читать: двадцать один час, двадцать один час…

Левый читающий прибор переходит с ленты на ленту быстрее – через каждую минуту, так как ему приходится читать только минуты.

Оба электрических глаза читают строго по очереди. Сначала правый прочтет часы, затем левый добавит минуты.

Читают эти приборы молча, про себя. Они превращают воспринятые ими световые колебания от звуковой дорожки непосредственно в колебания электрического тока и посылают их по телефонным проводам.

Поэтому в помещении говорящих часов совершенно тихо. Эти часы умеют говорить только по телефону.

Генералы армии часов носят особое название: «куранты». Они помещаются на высоких зданиях или башнях, имеют большие циферблаты и огромные стрелки. Минутная стрелка, например, часов Спасской башни Кремля весит пятьдесят килограммов. Такие часы видны издалека и обладают звучным колокольным боем.

Бой курантов Спасской башни Кремля каждую полночь радиостанции Советского Союза разносят по всему миру. Их музыкальный перезвон слушает весь земной шар.

В Ленинграде генералы-часы находятся на здании городской станции железных дорог. Это тоже очень старые, заслуженные куранты. Они отбивают часы, получасы и четверти. Куранты Петропавловской крепости снабжены музыкальным барабаном, который может исполнять «Интернационал».

Всей многомиллионной армией часов командуют часы-маршалы. Это совсем особые часы, не похожие на остальных. Обычно они не имеют ни циферблата, ни стрелок и пользуются редким преимуществом – показывать неточное время.

Главнокомандующие армией часов

Часы-маршалы, которые командуют всем многочисленным войском часовых механизмов, находятся в нескольких городах: в Москве – в Комитете мер и измерительных приборов, в Астрономическом институте имени П. К. Штернберга и в Геодезическом институте; в Ленинграде – во Всесоюзном институте метрологии и в Пулковской обсерватории; в астрономической обсерватории Ташкента и в других лабораториях и научных учреждениях нашей страны.

В Ленинграде такие часы-главнокомандующие хранятся в подвале службы времени Всесоюзного научно-исследовательского института метрологии имени Менделеева на Московском проспекте. Их помещение называется часовым подвалом.

В этот подвал ведет узкая металлическая лестница.

Низкие сводчатые потолки, толстые, почти метровые стены и несколько дверей отделяют его от внешнего мира. В подземелье тихо – ни шороха, ни звука. Сюда не проникают городские шумы и сотрясение от проезжающих по улице трамваев и грузовиков.

Тут царство точных часов. Сюда вход воспрещен. И кажется странным, – помещение занято механизмами, которые созданы людьми, а людям даже нельзя к ним приближаться.

Присутствие людей, их движения, особенно теплота их тела могут дурно повлиять на равномерность хода. Часы-затворники в присутствии людей начинают «нервничать». Посторонние им мешают нести ответственную службу хранителей секунды.

Поэтому часы обречены на постоянное одиночество. Только в самых исключительных случаях сотрудники службы времени спускаются в подземелье, но это бывает очень редко.

А где же часы?

В углах подвального помещения отгорожены небольшие комнатки-кельи. Для каждых часов– отдельная келья.

Неслышно повернулся ключ в замке, дверь одной из келий приоткрылась; щелкнул выключатель– и неяркая электрическая лампочка осветила внутренность комнатки. В лучах света сверкнула медно-красная рубашка часов. Это часы, которые до самого последнего времени несли почетную службу хранителей точного времени. Они большие: почти в рост человека и имеют медный корпус и стеклянный шлем.

Блестящий, красной меди, цилиндр укреплен на массивных кронштейнах, вделанных в капитальную стену. Этот цилиндр служит маятнику чехлом. Внутри чехла поддерживаются постоянные температура и давление воздуха.

Верх часов стеклянный. Сквозь стекло поблескивают бронзовые части механизма. Видна подвеска маятника, какие-то рычажки, провода, катушки электромагнитов– и ни одной шестеренки. Это часы с главным маятником.

Ветераны службы времени, электрические часы – свободный маятник.

Вот один причудливо изогнутый рычажок, которым управляют другие часы со вспомогательным маятником, с силой ударил по маленькому ролику, укрепленному на главном маятнике. Раздался отчетливый щелчок. Метровый маятник получил очередной толчок – импульс, а рычажок снова поднялся и ровно через тридцать секунд опять щелкнул. Получая от рычажка размеренные толчки, маятник раскачивается медленно, важно – шестьдесят взмахов в минуту! Три тысячи шестьсот взмахов в час. Восемьдесят шесть тысяч четыреста качаний в сутки.

Циферблата со стрелками эти часы не имеют, – он им не нужен. На них ведь никто не смотрит. Они обречены на постоянное одиночество и мерную работу в полной темноте.

Показывать время стрелками не входит в обязанности часов, установленных в подвале. Это делают часы со вспомогательным маятником. Главный маятник выполняет самую ответственную и почетную задачу: он хранит образцовую величину секунды – эталон единицы времени.

В других лабораториях института в стальных шкафах-сейфах, под тремя замками, в прочных футлярах, бережно уложенный на красный бархат, хранится самый главный в СССР килограмм, то есть образец, или эталон, килограмма и самый главный метр – образец, или эталон, метра. Слово «эталон» и означает «образец».

Точно так же с помощью часов лаборатория времени хранит эталон секунды, и часы-хранители поэтому называются эталонными.

Разумеется, одним часам доверять столь ответственное дело нельзя. Даже самые надежные механизмы могут ошибаться или случайно испортиться. Поэтому в часовом подвале установлено несколько эталонных часов.

В другой каютке – по соседству с часами в медно-красном чехле – покоятся часы в белой металлической рубашке. В свое время они тоже были главными, но уступили первенство, так как лаборатория приобрела более точный механизм.

В следующем помещении стоят часы в сплошном стеклянном футляре. Они служили главными часами в прошлом столетии и тоже сдали свой пост, когда были построены часы, превосходящие их по точности хода.

Все эти механизмы – заместители и помощники главных часов – расставлены в часовом подвале времени по разным углам, чтобы уберечь их от возможных случайностей.

Эталонные часы взаимно сверяются и контролируются. Ошибка одних каких-либо часов немедленно будет разоблачена остальными, и виновника тотчас отправят «лечиться». Некоторые каютки подвала пустуют – их жильцы-часы уехали в санаторий, то есть на завод «Эталон», где их ремонтируют.

Кроме «маршалов» у армии часов есть «главнокомандующий» – необыкновенные часы, которые но своей точности оставили далеко позади все часы с маятниками.

Они стоят посреди большой комнаты – можно ходить возле них сколько угодно, но догадаться, что этот серый большой металлический сундук и есть часы, – очень трудно. У них нет ни маятника, ни циферблата, ни стрелок – нет ничего, что выдавало бы принадлежность этого ящика к славному племени часов. Несколько рукояток, таких же, как у радиоприемника, указывают на родство странных часов с радиоприборами. И действительно, эти часы являются одним из потомков того аппарата, с помощью которого А. С. Попов послал первую в мире радиограмму.

Постройку новых часов у нас начали в 1936 году в Центральном научно-исследовательском институте геодезии, аэросъемки и картографии в Москве. Работы были закончены в 1940 году. Заменителем маятника и сердцем новых часов служит кусочек кристалла кварца особого сорта – пьезокварца. Он может иметь разную форму – кольца, пластинки, чечевицы. В наших первых кварцевых часах это было колечко диаметром в 61 миллиметр, а толщиной в 10 миллиметров, выточенное из целого кристалла.

Пьезокварц оказался драгоценным материалом для изготовления точных радиоприборов.

Кварцевые часы или кварцевый эталон частоты.

Дело в том, что кварцевая пластинка или кольцо, подвергнутое воздействию переменного электрического тока, начинает дрожать, как туго натянутая струна; причем, если кольцу задано совершать 99 271 колебание в секунду, то оно будет их совершать с исключительно упрямым постоянством – год, два, три… и со временем постоянство или, как говорят, стабильность колебаний будет только увеличиваться.

Кварцевая пластинка совершенно не чувствительна к толчкам и сотрясениям, которых так боятся маятники механических часов. Единственное, чего не любит кварц, – это изменения температуры и давления воздуха. Поэтому кварцевое кольцо заключено в плотно закупоренный сосуд. Его обогревает электрическая печь с автоматическими регуляторами, которые поддерживают температуру в 60° выше нуля. А весь механизм одет двойной рубашкой из материалов, непроницаемых для теплоты.

В подвале Института метрологии, в Ленинграде, хранятся кварцевые часы.

Однако даже такие оранжерейные условия не обеспечивают достаточного постоянства температуры. В Харьковском институте мер и измерительных приборов решили поместить баллоны с кварцем в глубокие скважины. В Пулковской обсерватории вырыты скважины глубиной в 40 метров. На глубине в 30–40 метров температура держится с точностью до одной тысячной градуса. В таких условиях кварцевая пластинка служит прекрасно и не изменяет частоты своих колебаний.

При колебаниях кварцевой пластины колеблется и величина подведенного к ней электрического тока. Он-то и служит для измерения времени. Частота колебаний тока очень велика – около 100 тысяч раз в секунду, – а величина его, наоборот, мала; поэтому специальные приборы во много раз уменьшают частоту и усиливают ток. Этот ток обычно делает 1000 колебаний в секунду и со строго постоянной скоростью вращает электрический моторчик, который, в свою очередь, приводит в движение счетный механизм с циферблатом и стрелками, как у обычных часов.

В настоящее время кварцевые часы по своей точности более чем в десять раз превышают самые лучшие часы с маятниками.

Понятно, что кварцевые часы вытеснили маятниковые из главных хранителей секунды.