Текст книги "Часы. От гномона до атомных часов"

Автор книги: Станислав Михаль

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 12 страниц)

Сложные хронометрические приборы с календарными устройствами, секундомеры и хронографы

Понятие сложности является в отношении часовых приборов относительным понятием. Средневековому часовщику казалась сложной простая трехколесная система балансовых часов, а для среднего часовщика XVII в. было трудно изготовить хорошие точные часы с боем, которые, например, в 1687 г. изобрел и построил английский часовщик Даниэль Кваре. Однако достаточно было пройти лишь нескольким десятилетиям, и изобретения Кваре стали использовать многие швейцарские часовщики. Из их мастерских стали выходить сотни карманных часов с механизмом боя, заводимым тонкой цепочкой при каждом нажатии на шейку подвесного кольца футляра.

В Швейцарии и Франции стали изготовлять много часов с подвижными фигурами на циферблате и с музыкальными механизмами. На циферблатах этих часов оживали библейские и пасторальные сцены или более прозаические сцены из повседневного труда людей.

В XIX в. пользовались очень большой популярностью карманные часы с музыкальным боем, изготовлявшиеся женевскими часовщиками. Их механизмы имели плоский металлический диск с двусторонними штифтами и лучеобразно расположенными стальными язычками. Наряду с этими появились несколько позднее другие типы музыкального механизма с цилиндром и штифтами, который использовали первоначально лишь для больших стоячих и настенных часов. Большие часы позволили, само собой разумеется, применение разных видов музыкальных механизмов, которые не удавалось использовать для карманных часов. Это были, например, часы с металлическими или стеклянными колокольчиками, с плоскими гонгами или дудочками, которые и теперь очень ценят коллекционеры. В Чехословакии прославился производством игральных механизмов и играющих часов пражский завод Вилленбахера и Ржебичека, основанный в 1829 г. (его изделия были известны во Франции, Германии, Польше и России), или же пражская мастерская Славика и Прейсзлера.

В конструктивном и производственном отношении были весьма сложны хронометрические приборы, оснащенные сложным календарным механизмом. Устройство для непрерывного отображения данных с автоматической перестановкой данных в конце месяца, так называемый годовой календарь, иногда дополнялось еще вечным календарем, регистрирующим одновременно и високосные годы. Весьма совершенные карманные часы этого рода с циферблатами лунных фаз производил французский часовщик Ахилл Брокот (1817-1878). Правда, первые часы с указанием лунных фаз появились еще в XVI в., но чаще всего мы встречаем во многих разных видах лишь экземпляры, относящиеся к началу XVIII в. Зодиаковые циферблаты известны по курантам XIV и XV вв. Некоторые астрономические приборы оснащены специальным кулачковым устройством, изменяющим длину маятника в течение хода часов. Включением и выключением кулачкового механизма удавалось измерять на часах среднее или подлинное солнечное время. Форма кулачка, непрерывно изменяющая длину маятника, была выведена из координат, вытекающих из уравнения времени. Это уравнение времени указывает временные разницы между кульминационными пунктами подлинного и среднего солнца. По этому уравнению можно четырежды в год – около 15 апреля, 14 июня, 1 сентября и 25 декабря – согласовывать условное среднее солнце с подлинным Солнцем, причем уравнение времени в эти дни равно нулю. Во все остальные дни среднее солнце отклоняется от подлинного либо к востоку, либо к западу. Максимальная разница между обоими временами колеблется от нуля до максимума, достигающего около 16 мин.

Рис. 32. Циферблат астрономических напольных часов (Австрия, XVIII век)

На некоторых часах имеются, кроме указанных циферблатов, еще и другие второстепенные циферблаты для измерения сидерического, мирового времени, времени захода и восхода Солнца, шкала взаимного положения планет в Солнечной системе и т.п. (рис. 32). Другие часы имеют встроенные термометры, манометры, психометры или компасы. Своими конструктивными особенностями обладают и часы с двусторонними циферблатами со сходными или различными шкалами времени. (Одни такие часы с золотыми и платиновыми циферблатами, изготовленные в начале XVIII в. А.И. Бреге, были проданы в Лондоне в 1965 г. за 27500 фунтов стерлингов.)

Рис. 33. Схема секундомерного механизма: 1 – спусковой рычаг, 2 – храповое колесо, 3 – защелка, 4 – установочная пружина, 5 – реверсивный рычат, 6 – вал минутного колеса, 7 – вал секундного колеса, 8 – баланс, 9 – ось коронки.

Особое положение в часовом деле занимают секундомеры и хронографы. Первые из них – это, собственно говоря, часы с центрально расположенным секундным валом и стрелкой, которую можно в любой момент вместе со всем механизмом остановить и возвратить в первоначальное нулевое положение. Секундомеры не имеют часового циферблата, естественного для обычных часов. Поэтому они начинают работать при пуске секундной стрелки, а при ее остановке останавливают работу всего часового механизма. Разгон и остановка производится специальным рычагом 1 (рис. 33), взаимодействующим с балансом. Этот рычаг имеет такую форму, что при освобождении баланса он придает одновременно ему малый импульс разгона. Рычагом 1 управляет колесо 2 с несколькими пальцами и с 15-зубым или 18-зубым храповиком. При нажатии коронки защелка 3 храповика подается на один зуб и пружина 4 одновременно фиксирует положение храповика. Пальцы колеса 2 перемещают раздвоенный рычаг 5, вращающий секундную стрелку или же вторую стрелку для суммирования измеряемых интервалов (до нулевого положения). При первом нажиме на головку секундомера рычаг 5 поднимается, освобождает стрелку, а затем рычаг 1 пускает в ход баланс. При втором нажиме этим рычагом баланс останавливается, при третьем нажиме вильчатый рычаг 5 возвращает стрелку в нулевое положение. Если секундомер устроен так, что храповик управляет лишь спусковым рычагом, а так называемым обнуляющим рычагом управляет специальная кнопка, то можно на таких секундомерах подсчитывать замеренные друг за другом интервалы времени. При нажатии на головку секундомер запускается в работу, а при следующем нажатии механизм останавливается. Если требуется сбросить показания, обнулить данные, то нажимают вторую кнопку. Если надо продолжать измерение времени, то следующим нажимом кнопки приводят механизм секундомера снова в ход. Особой модификацией секундомера является система Виннерля aiquille rattrapante с главной и вспомогательной секундной стрелкой. Вспомогательную стрелку можно в любое время остановить, снять ее показания, а после ее освобождения специальный механизм снова поставит ее в одинаковое положение с основной стрелкой.

Описанный принцип относится и к современным секундомерам и к хронометрам. Сначала их механизм был проще. Роль секундомера могли играть любые часы, механизм которых можно было в любой момент быстро остановить. Самый легкий способ остановки часов состоял в заблокировании баланса. Успешно и быстро остановить баланс можно было лишь тогда, когда его диаметр был достаточно большим, чтобы для резкого торможения не требовалась большая сила и чтобы точность измерения была максимальной.

В отличие от секундомеров хронограф представляет собой хронометрический прибор с основным двухстрелочным часовым циферблатом и центральной секундной стрелкой, указывающей время на специальной шкале с малыми делениями. Часовой механизм хронографа можно нажатием кнопки соединить со специальным пусковым и обнуляющим механизмом, подобным механизмам секундомера с секундной стрелкой. Автором первого такого хронографа был швейцарец Жан Мойзе Пузаит (1743-1793), который в 1776 г. построил часы с центральной секундной стрелкой, скачущей через целые секунды. Эту стрелку можно было останавливать и снова пускать в ход независимо от хода часов. Изобретение Пузаита усовершенствовали опять-таки швейцарцы Николе и Капт, дополнившие в 1862 г. первоначальную конструкцию устройством, которое возвращало секундную стрелку снова в нулевое положение. Развитие хронографа достигло своего расцвета в 80-х годах прошлого века. Тогда швейцарские часовые фирмы стали поставлять на рынок такие красивые и совершенные изделия, которые приведены, например, на рис. 34.

Рис. 34. Карманный хронограф (Швейцария, XIX век)

Наименование «хронограф», перенятое из терминологии часовщиков, не вполне правильно с точки зрения существа дела. В действительности такой прибор относится к так называемым хромоскопам, поскольку истинный хронограф является прибором с графической записью показаний времени. Чтобы различить обе группы этих приборов, назовем действительный хронограф регистрирующим хронографом. Одним из самых старых приборов этого рода был регистрирующий хронограф англичанина Уайтсхорста из Дерби, построенный в 1750 г. Его принцип заключался в том, что вместе с часовой стрелкой вращался диск со штифтами, проходящими под ударником, который при пуске отбивал соответствующее показание времени на бумаге. Фактически цифровой хронограф современного типа изобрел лишь в 1885 г. Банди из США. Его цифровая регистрирующая система была усовершенствована через три года Дейем из Абердиена. Первые опыты с печатающими хронографами безусловно привели к созданию табельных часов, приоритет в изобретении которых (1894 г.) приписывается американцу Куперу.

Глава 3. Электрические и электронные часы

Развитие электрических часов

На начальной стадии развития электрических часов совершенно четко видны следы долгой эры механических часов, причем как крупных стационарных, так и малых портативных часов. В обоих случаях электроэнергия служила сначала лишь для завода механического ведущего устройства – груза или пружины.

Пионером в конструировании первых электрических часов, принцип которых существенно отличался от принципа классических шестеренчатых часов, был Александр Бэйн (1811-1877) из Эдинбурга, изобретатель электромеханического печатающего телеграфа. В 1840 г. он получил патент на электрические часы, главными деталями которых были, правда, еще механические часы, приводимые пружиной, но индикатор времени был решен на принципе суммирования электрических импульсов, подаваемых маятником часов. Лишь в период 1845-1847 гг. Бэйн завершил свою работу над первыми действительно электрическими часами, главным механизмом которых был электрический контакт, управляемый движением часового маятника, приводимого в движение импульсами электромагнита. Железное ярмо на линзе маятника проходило через полости катушек соленоидов. Изменение полярности магнитного поля и попеременные притягивания и отталкивания ярма обеспечивали электрический контакт на маятнике. Количество колебаний регистрировал электромагнитный счетчик, связанный колесной передачей со стрелками на циферблате часов.

Одновременно с Бэйном создал электрические часы и другой англичанин – Чарлз Уитстон (1802-1875), но часам Бэйна принадлежит приоритет в части электромагнитного привода осциллятора. Систему Бэйна перенял и несколько изменил в начале нашего века француз Булль. В коммерческом исполнении стала производить эти часы под маркой «АТО» известная фирма Юнгханса в Шрамберге. Часы Булля, маятник которых получал электромагнитные импульсы при каждом колебании, питались от элементов Лекланше, тогда как Бэйн вынужден был пользоваться еще намного более примитивными источниками электроэнергии. Его гальваническим элементом был угольный электрод, закопанный в землю, окруженный на расстоянии нескольких дециметров цинковыми пластинами, соединенными проволокой в один отрицательный электрод. Элемент давал электрический ток, если оба электрода постоянно находились в достаточно влажной среде. Еще до Булля и Юнгханса система Бэйна привлекла некоторых английских предпринимателей. В 70-х годах прошлого века эта была, например, фирма «Стандард Тайм Компани» в Лондоне и фирма «Ритче» в Эдинбурге, где модифицировали конструкцию Бэйна.

Позднее были основаны на электромагнитном принципе многие другие электрические часы, в создании которых принимали участие Липпман, Фери, Госселен и другие. Эти часы, хотя и удовлетворяли теоретическим положениям, но на практике работа над ними наталкивалась на многие трудности с поддержанием амплитуды и постоянного периода колебаний осцилляторов. Величина электрического импульса зависела от качества контакта электрической схемы. Электрический контакт был главной причиной значительных колебаний хода первых электрических часов.

Рис. 35. Схема включения электрических часов Гиппа: 1 – маятник, 2 – ярмо, 3 – импульсная катушка, 4 – контакт Гиппа, 5 – источник, 6 – счетчик колебаний

Необходимо было устранить или хотя бы ограничить недостатки контактного включающего механизма. В сторону второй возможности – ограничения недостатков – склонялся швейцарский механик и часовщик Маттеус Гипп (1813-1893), работавший в Ульме и в Сант Галлене, Берне и Невшателе. У часов Гиппа, построенных в первой половине сороковых годов прошлого века (рис. 35), движением маятника управляют два электромагнита с сердечниками из магнитомягкого материала, соединенных последовательно и приводимых в действие так называемым контактом Гиппа. При достаточной амплитуде маятника язычок контакта проскакивал, и контакт оставался разъединенным, но если. амплитуда падала ниже определенного предела, то язычок защемлялся в тонких вырезах контактной пластинки, прикрепленной к стержню маятника, вследствие чего происходил контакт. В отличие от часов Бэйна маятник здесь качался преимущественно свободно и получал импульсы лишь периодически. Часы Гиппа были весьма надежными в работе. Большинство этих часов, снабженных позднее полусекундным маятником, построили фирмы «Пейер», «Фаваржер и Цие» и «Телеграф Мануфактуринг Компани» в Невшателе.

В 1898-1899 гг. идею Гиппа о свободном электромагнитном маятнике развил Р. Рудд, который отсоединил от маятника механизм, регистрирующий количество его колебаний, и устранил переменное влияние этого механизма на маятник. Эти электрические часы имели, собственно говоря, по два синхронизированных маятника – главный и вспомогательный. Вспомогательные маятниковые часы посылали импульс механизму главного маятника, а синхронизирующий механизм посылал, в свою очередь, сигналы, синхронизирующие вспомогательные часы. Первые синхронизирующие импульсы, управляемые вспомогательным маятником, не были точными, но их ход определял главный маятник.

Новая система Рудда стала важной вехой в развитии точных электрических хронометрических приборов. Впервые в истории хронометрии спусковой механизм уступил место вспомогательному маятнику. Этот вспомогательный маятник, соединенный с электромагнитным синхронизирующим элементом, позволил выделять лишь периодические, в данном случае до четырехминутных, импульсы и одновременно существенно сократить их во времени. За 1904-1919 гг. свободный электромагнитный маятник прошел большой путь интенсивного развития, что было заслугой таких конструкторов, как Дэвид Джилл, Ц.О. Бартрум, О'Лири, Парсон и Болл.

Верхом совершенства в строительстве свободных электромагнитных маятников, примененных на практике, были электрические часы В.Х. Шортта. Его часы со сводным маятником, установленные впервые в 1921 г. на обсерватории в Эдинбурге, были в принципе построены на идее конструкции Рудда, развитой путем усовершенствования обоих синхронизированных маятников, работавших с 30-секундным интервалом между импульсами привода. Часы Шортта стали в период между обеими мировыми войнами обязательной принадлежностью всех крупных астрономических обсерваторий мира. Из наблюдения за ходом трех часов Шортта, установленных последовательно в 1924, 1926 и 1927 гг. в Гринвичской обсерватории, вычислили среднесуточную общую погрешность в 1/300 с, что приблизительно соответствует ошибке в 1 с в год. Точность, достигнутая свободным маятником Шортта, вызвала надежды на возможность измерений изменения продолжительности оборота Земли. В 1931 г. это привело к пересмотру абсолютной единицы времени – звездного времени – с учетом нутации земной оси. Отсюда происходила ошибка, которой до сих пор пренебрегали и которая достигала при своем максимуме 0,003 с в сутки. Новая скорректированная абсолютная единица времени была позднее названа средним звездным временем. Результаты, достигнутые часами Шортта, были в течение многих лет – вплоть до появления кварцевых часов – непревзойденными по точности[16]16
  В СССР были созданы и успешно эксплуатировались маятниковые часы Федченко (типа АЧФ-3) с точностью, в 10 раз более высокой, чем часы Шортта. (Прим. науч. ред.)


[Закрыть].

Часы Шортта явились вершиной использования возможностей маятника как осциллятора часов, хотя и тогда не использовали все имевшиеся к тому времени возможности. И здесь был необходим некоторый, точно управляемый силовой импульс, который, несмотря на все принимавшиеся меры, оставался источником дестабилизирующих влияний на маятник и остальной механизм часов. Эти дестабилизирующие влияния пытались после Шортта устранить некоторые другие конструкторы.

В 1925 г. Ферре построил свой свободный маятник с фотоэлектромагнитным приводом, а через два года появился маятник Шулера с электродинамическим приводом. В теоретическом отношении наиболее разработанным было решение Томлинсона в 1933 г. Г.А. Томлинсон первым использовал сугубо электрические элементы – фотоэлемент, управляющий схемой чувствительного электронного реле на радиолампах. Это реле выполняло роль переключателя электромагнитных импульсов для маятника. Достоинством решения Томлинсона было то упрощение, при котором отпал вспомогательный маятник, и то обстоятельство, что при электрически посылаемом бесконтактным способом импульсе можно по сравнению с прежними механическими средствами существенно ограничить интерференционные влияния на маятник. Следующим бесспорным достоинством была малая инерция светового контакта, что хотя бы частично компенсировало недостаток часов Томлинсона – чувствительное электромагнитное реле. Хотя маятник Томлинсона и не получил большого практического применения, его главным теоретическим вкладом был показ возможности отхода от электромагнитных систем в сторону современных схем с электронным управлением.

Электрочасовые системы с централизованным управлением

К разряду электрических часов относятся также те хронометрические устройства, у которых в качестве единицы времени используется период измерения напряжения электрической сети, централизованно управляемые хронометрические системы, состоящие из главных управляющих, первичных, часов и большого количества управляемых, вторичных, часов, с которыми мы встречаемся в виде городских уличных часов и т.п.

Главной частью часов первой группы является синхронный двигатель, питаемый переменным током сети частоты 50 Гц и напряжением 220 и 120 В. Двигатель приводит через передаточный элемент либо стрелочный, либо цифровой индикатор с механическим или с электрооптическим преобразователем.

Централизованно управляемые хронометрические системы работают с часами, которые можно было бы назвать электромеханическими часами. Главные управляющие или маточные часы имеют механический часовой механизм со спуском Грагама, инварным маятником и электрическим заводом[17]17
  В настоящее время в качестве первичных часов используются, как правило, кварцевые часы. (Прим. науч. ред.)


[Закрыть]. Переключающее устройство, расположенное непосредственно в главных часах, посылает через полуминутные или минутные интервалы с помощью дифференциального реле во вторичные часы с поворотным или колеблющимся анкером сигналы времени в виде управляющих импульсов тока. Вторичные часы являются лишь электромеханическими счетчиками импульсов тока и тем самым счетчиками интервалов времени.

В ЧССР в последние годы[18]18
  Это относится к 70-м годам. (Прим. науч. ред.)


[Закрыть] работают над принципом беспроволочной передачи информации о времени. Институт радиотехники и электротехники Чехословацкой Академии наук в Праге разработал новый метод радиопередачи данных о времени. В сотрудничестве с предприятием «Праготрон», автором механической части этого оборудования, были построены сначала первые четыре хронометрические системы. Три из них были введены в действие в начале 1978 г. фирмой «Праготрон» и сданы в центре Праги в опытную эксплуатацию. Данные о времени передаются с помощью пяти импульсов либницким радиопередатчиком ОМА на частоте 50 кГц. Мощность этого передатчика достаточна для передачи данных о времени на расстояние до 2000 км. В случае перерыва в работе передатчиков радиочасы автоматически переходят на автономный режим, в котором они работают в качестве самостоятельной единицы, выводящей данные о времени от встроенных в них электронных часов, управляемых кварцевым осциллятором. Передатчик контролирует ход часов через регулярные отрезки времени и в случае выхода из строя источника электроэнергии устанавливает на цифровом индикаторе за 2-3 мин передачу правильных данных о времени. Беспроволочная передача данных о времени имеет большое будущее, в чем мы убедимся при рассмотрении перспектив дальнейшего развития хронометрических приборов.