Текст книги "Часы. От гномона до атомных часов"

Автор книги: Станислав Михаль

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 12 страниц)

Опорные камни запрессовываются непосредственно в углубления, имеющиеся в основании. Раньше их всаживали в граненые малые металлические круглые втулки – бушоны, которые, в свою очередь, запрессовывали или привинчивали к основаниям (такой способ иногда называют ливерпульским способом крепления опорных камней).

Опорные камни в часах бывали не раз предметом торговых спекуляций. Многие коллекционеры карманных часов могут убедиться, что данные о количестве опорных камней, указанные изготовителем этих часов, зачастую неправильны. Не один часовой завод обманывал своих заказчиков тем, что монтировал опорные камни лишь на видных местах в нижнем основании, надеясь на то, что покупатель не заметит этого подвоха. Весьма часто мы встречаемся с этим явлением у часов американского происхождения, изготовленных в конце прошлого и начале нашего века.

Обработка опорных камней всегда считалась очень сложным делом, а потому часы с камневыми опорами ценились очень высоко[14]14
  Появление синтетического корунда и развитие высокопроизводительных методов его обработки привело к резкому снижению стоимости часовых камней, которые в настоящее время составляют незначительную часть стоимости часового механизма. (Прим. науч. ред.)


[Закрыть]. И чешское часовое производство, которое раньше судьба не баловала, сохранялось в этом отношении на одном уровне с европейским часовым производством благодаря отдельным лицам. В этом имел большую заслугу прежде всего чешский часовщик и конструктор астрономических часов Йозеф Коссек (1780-1858), о котором в отчете от 1829 г. говорится, что он «был первым в Чехии, кто обеспечил для своих часов большое превосходство тем, что он использовал для них опоры из самых твердых камней, которые он обрабатывал на сверлильном и полировальном станках, к тому же сконструированных им самим».

Регулировка хода часов. Влияние температуры воздуха

Период колебании часового осциллятора обусловлен прежде всего его размерами. Если продолжительность колебания маятника не зависит от его веса, то для баланса продолжительность колебания в существенной степени зависит от материала, причем не только баланса, но и волоска.

Величина полупериода (продолжительность полуколебания) маятника определяется его длиной по формуле:

где T – полупериод (продолжительность полуколебания) маятника;

l_r – приведенная длина маятника;

g – ускорение силы тяжести.

Расчетом можно установить, что приведенная длина секундного маятника для нашей географической широты равна 99,4 см, а полусекундного – 24,9 см.

Период полуколебания баланса обусловлен его размерами и вращающим моментом волоска. Для точного регулирования хода служит так называемый градусник, регулировочная стрелка которого закреплена подвижно на мосту баланса. Ее хвостовик с замком, охватывающим волосок на его последнем внешнем витке вблизи колодки, при повороте стрелки изменяет рабочую длину, а с ней и вращающий момент волоска. В большинстве случаев смещение регулировочной стрелки на одно деление шкалы изменяет суточный ход часов примерно на 2 мин. У старых пружинных часов с балансовым осциллятором без волоска ход регулировался только изменением силы приводной пружины. Для этого на крышке барабана пружины был специальный храповик с защелкой. У часов с балансом фолио его амплитуда задавалась щетинными упорами, закрепленными на неподвижной и регулируемой консолях. Карманные часы XVIII в. со шпиндельным спуском имели специфический так называемый регулятор Томпиона, который, как и градусник с регулировочной стрелкой, изменял рабочую длину волоска.

Количество полуколебаний баланса различается в зависимости от типа часов, их величины и исполнения. Нижний предел этого количества начинается с трех полуколебаний в секунду у больших часов, например у будильников. Морские хронометры с четырьмя полуколебаниями в секунду также относятся к группе часов с низкой частотой осциллятора. Продолжительность колебания карманных часов около 1/5 с, а наручных – колеблется в пределах от 1/5 до 1/6 с[15]15
  В последнее время с целью повышения точности часов стали применять более высокочастотные балансы с периодом полуколебаний до 0,1 с. (Прим. науч. ред.)


[Закрыть].

Венцы балансов некоторых карманных и наручных часов имеют на окружности маленькие регулировочные винтики. Изменением их положения на венце выравнивается ход часов, прежде всего различия в частоте при горизонтальном и вертикальном положении баланса, вызываемые изменением трения цапф.

О некоторых причинах различной длительности полуколебаний мы уже упоминали при описании спусковых механизмов. Наряду с колебаниями ведущей силы, чувствительными прежде всего у точных часов, и различными побочными явлениями, вызываемыми изменениями смазочных свойств стареющего масла и т.п., на ход часов влияет и изменение температуры и давления воздуха. При изменении температуры вещества изменяют свой объем, причем изменяются их механические свойства, что особенно важно для подвесных пружин маятника и волосков. О том, что в часовом деле нельзя пренебрегать тепловым расширением, свидетельствует то обстоятельство, что однопроцентное изменение в длине маятника изменяет суточный ход часов на целые 432 с.

Сравнительно хорошие результаты давали в этом отношении маятники из высохшей еловой древесины, температурная погрешность которых колебалась в пределах 1/5 с в день на 1°C. Для астрономических измерений такая степень точности, само собой разумеется, недостаточна, поэтому пришли к идее создания компенсационных элементов. Принцип всех температурных компенсаторов маятников заключался в сохранении постоянства расстояния между центром тяжести и точкой подвески маятника. В 1720 г. эту проблему вполне успешно решил Грагам с помощью ртути, заполняющей частично пространство линзы маятника. Температурная погрешность его маятника упала до 0,001 с/сутки на 1°C.

Большой интерес у часовщиков вызвали биметаллические решетчатые маятники, составленные из двух систем стальных и латунных стержней. Одна система была жестко соединена с подвеской маятника, а другая – с его линзой. При выборе размеров необходимо было учитывать различные коэффициенты температурного расширения обоих металлов так, чтобы и при большом изменении температур длина маятника от точки подвеса до центра линзы оставалась неизменной. Интересно решенные решетчатые маятники создали Гаррисон, Юргенсен, Берту, Леруа, Депарсье, Троугтон и многие другие (некоторые их конструкции показаны на рис. 30).

Рис. 30. Маятник с биметаллической компенсацией температурной погрешности

Первым чешским часовщиком, производившим температурно-компенсированные маятники собственной конструкции, был опять-таки Йозеф Коссек, которым были созданы некоторые весьма интересные конструкции ртутных и биметаллических компенсаторов. И известная пражская мастерская Вилленбахера и Ржебичека, основанная в первой половине прошлого века, конструировала собственные типы биметаллических маятников.

Шарль Эдуард Гильом (1861-1938) исследовал свойства ферроникелевых сплавов и нашел сплав с содержанием 36% никеля, известный под названием «инвар» (от французского слова invariable), не только стойкий к коррозии, но и обладающий самым малым коэффициентом температурного расширения. В 1897 г. Тюри использовал инвар Шарля Эдуарда Гильома для создания маятников, а через три года стал монтировать инварные маятники у своих часов для астрономических измерений времени мюнхенец Рифлер. С того времени происходят и первые кварцевые маятники венского конструктора точных часов Карла Сатори, стабильность длины которых была еще на 60% больше, чем у инварных.

Точность маятниковых часов на астрономических обсерваториях зависела также от влияний восходящих потоков воздуха и при изменениях барометрического давления. Возникающая при этом барометрическая погрешность устранялась либо тем, что часовой механизм помещали в пространстве с частичным вакуумом (это одновременно ограничило влияние воздействия указанных сил), либо с помощью анероидного компенсатора – манометрической коробки с компенсаторным грузом, закрепленным на маятнике.

Балансовый осциллятор более чувствителен к воздействиям температуры, чем маятник.

Барометрическая погрешность баланса достигает около 0,2 с в сутки при изменении давления воздуха примерно на 0,01 Па. Изменение температуры на 1°C у обычных часов с латунным балансом и бронзовым волоском вызывает суточное изменение хода часов по меньшей мере на 10 с.

Неблагоприятные влияния изменений температуры на ход балансовых осцилляторов учитывали уже старые часовщики, которые изыскивали способ борьбы с этим влиянием.

Рис. 31. Изменение формы баланса с биметаллическим ободом: а – при повышенной температуре, б – при средней температуре, в – при пониженной температуре

Биметаллическая система, широко применяемая для маятников, нашла большое применение и для балансов, главным образом в виде биметаллических балансов с ободом, изготовленным из сварных стальных и латунных лент (рис. 31). У часов с обычным, некомпенсированным по температурам балансом увеличивался при повышении температуры момент инерции баланса, и часы тогда начинали отставать. Однако у биметаллического баланса под влиянием различной степени расширения стали и латуни обод прогибается в месте шва свободными концами вовнутрь, диаметр баланса уменьшается, ход часов ускоряется, в силу чего температурная погрешность компенсируется. При понижении температуры происходит противоположный процесс. Такой баланс мог удовлетворительно исправлять температурную погрешность всего осциллятора, а потому присоединенный к нему волосок не компенсировался. Известны различные виды компенсационных балансов для морских хронометров – биметаллический баланс Ирншау, построенный им в 1790 г., и баланс Шарля Эдуарда Гильома, изготовленный из латуни и ферроникеля и др.

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 неокисляющийся немагнитный сплав палладия с температурой плавления 1550°C. В то же время англичане производили эксперименты с волосками из стекла и золота. Изобретение Пейлара имело бесспорно большое значение для внедрения новых материалов в часовое производство, но это изобретение затмили дальнейшие изобретения Гильома, касающиеся ферроникелевых сплавов. Целью экспериментов Гильома было создание биметаллического баланса без вторичной погрешности. Ферроникелевый сплав, подходящий для такого баланса, содержал 42% никеля. В 1897 г. Поль Перре изготовил из этого сплава волосок, который имел намного меньшие изменения упругости в зависимости от температуры, чем сталь. После многих лет дальнейших экспериментов был создан, наконец, в 1913 г. опять-таки благодаря Шарлю Эдуарду Гильому новый температурно-стабильный материал элинвар (название произошло от сокращенных слов elasticite invariable) с содержанием хрома от 10 до 12%. Этот ферроникелевый сплав хотя и имел постоянный модуль упругости, но слишком сильно снижал амплитуду колебаний баланса и был очень чувствителен к магнитному полю. Другими его недостатками были мягкость и легкая деформируемость.

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. Первоначально клеть со спуском в каруселях Бонниксена вращалась вокруг вала секундного колеса один раз в 52,5 мин, но у новейших типов время оборота сократилось до 39 мин.

Сигнальные устройства (будильники)

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.

Механизм боя

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.

Механизм боя в виде зубчатого сегмента имеет, помимо автоматического спуска, управляемого ходовым механизмом, еще повторный ручной спуск, которым можно ввести механизм боя в действие независимо от ходового механизма. Кажущаяся на первый взгляд сложность механизма боя, отбивающего четверти часа, все же вовсе не относила его к самым сложным. Хорошие часовые мастерские изготовляли в XVIII в. системы боя, отбивающие сигналы каждые 5 мин или даже каждую минуту.

Йозеф Книбб является автором специальной системы боя, отличающейся экономией энергии. У часов с длительным ходом на одну заводку механизм боя отбивает много ударов – до 5 тысяч ударов в месяц. Столько энергии трудно было бы вместить в одну пружину или одну гирю, поэтому Книбб создал новую систему, основанную на трех основных цифровых символах римского календаря – 1, V, X. Он разделил свой механизм боя на две части с звонками, по-разному настроенными. Высший тон соответствовал знаку единицы, глубокий тон – знаку V, а два последующих глубоких тона – знаку X. По этой системе достаточно было для того, чтобы отбить 12 часов, не 12 ударов, а только четыре, т.е. два с глубокими тонами и два с высокими тонами.

Двухголосные механизмы боя, отбивающие четверти часа, появились уже у некоторых напольных часов в конце XVII в. Позднее отбивание часового сигнала распадалось на пять, семь и больше звонков или гонгов, настроенных на разных шкалах. Известная мелодия Генделя из «Мессии», которую уже в течение десятка лет отбивает Биг Бен на башне Вестминстерского дворца в Лондоне, была первоначально предназначена для четырех колоколов костела св. Марии в Кембридже. Эта мелодия ожидала расцвета своей популярности более 60 лет, истекших до 1794 г., когда Кротч и Джовет завершили свой часовой механизм для Кембриджа.

На Европейском континенте двухголосные механизмы боя называют petit sonnerie, а в Англии они известны как английская система боя. Если они при каждой четверти часа отбивают и весь данный час, а после нажатия повторной кнопки отбивают и отдельные минуты четвертьчасового интервала, то они относятся к группе grande sonnerie. Эти часы пользовались в Центральной Европе большой популярностью, особенно среди австрийских часовщиков XVIII и XIX вв. Однако французские часовщики тоже имеют большие заслуги в техническом совершенствовании этих часов.

Со временем возникло много различных систем боя. Некоторые из них, например голландские, отмечающие одновременно данные о прошлом или о последующем часе, были весьма сложны. Конструктивные элементы механизма боя тоже изменялись. Колокольчики, которые слишком увеличивали толщину часов, особенно карманных, уступили свое место спиральным пружинам боя Бреге, а у больших часов – струнным, стержневым или же арфовым гонгам.