Часы. От гномона до атомных часов

Самым старым документом о механических часах, содержащим описание и чертеж и опубликованном в 11 различных рукописях (из них по крайней мере одна исходит непосредственно от автора часов), является, по всей видимости, сообщение об «астрарии» — астрономических часах, которые после 16 лет труда над ними закончил в 1364 г. профессор астрономии и медицины Джиованни де Донди для Палаццо дель Капитане в Падуе.

Сохранились, конечно, и сообщения о других часах более ранней эры, но они не вполне обоснованны. По одному из таких сообщений, Генри де Вик из Поррэна изготовил примерно около 1370 г. башенные часы с боем для королевского дворца Карла V. По Другим данным, первые башенные часы с боем изготовил Висконти в 1335 г. для башни костела Беата Вирджинни (ныне Сен-Готард) в Милане.

В наши страны механические часы попали несколько позднее, вероятнее всего, в люксембургскую эпоху, скорее всего, во времена правления Карла IV, когда при его дворе появились около 1376 г. первые упоминания о часовщиках и о строителях курантов. Введение пружинного привода в начале XVI в. существенно расширило возможности использования механических часов. В ходе постепенных совершенствовании благодаря открытиям Галилея, Гюйгенса и других ученых XVII в. этот новый тип часов стал все больше преобладать над прочими часами, которые, несмотря на наличие у них ряда достоинств, не могли долго конкурировать с современными им конструкциями механических часов.

Механические часы развивались в течение сравнительно долгого времени, не менее чем в течение пяти веков, а поэтому, по крайней мере когда речь идет об истории, рассмотрим только важнейшие ступени развития этих часов. Сначала познакомимся с их главными элементами, с их функциями и с некоторыми данными о часовых механизмах и о часовщиках, имена помогут интересующимся определять происхождение и возраст тех или иных часов.

Как уже было сказано, с изобретением механических часов началась новая эра хронометрии. Время начали измерять по новому принципу, который сохранил свое значение в течение ряда столетий. Из него вышли затем системы всех позднейших типов часов, независимо от того, использована ли для привода часов энергия механическая, электрическая или даже ядерная [7].

Функциональные элементы механических часов

Любой часовой механизм можно разделить на четыре основные функциональные группы, а именно: приводной и передаточный механизм, спусковой механизм, осциллятор и индикаторная часть. Источник энергии привода у механических часов обычно бывает встроен в сам механизм часов и является его составной частью, например барабаны с гирями или же пружинный механизм с пружиной.

Требуемое количество энергии отмеривается в механических часах специальным устройством, так называемым спусковым механизмом или спуском, являющимся соединительным элементом между механизмом часов и осциллятором. Этот механизм постоянно соединен с передаточным механизмом часов, от которого он получает энергию привода. С осциллятором, который в современных часах имеет форму маятника или баланса, спуск взаимодействует лишь в определенные моменты, выполняя свою основную задачу, весьма важную для обеспечения хода часов, — разделение постоянной энергии привода на отдельные силовые импульсы, поддерживающие колебания осциллятора. Другой задачей спускового механизма является суммирование колебаний осциллятора. Если предположить, что осциллятор колеблется с постоянной частотой, то спуск работает одновременно в качестве устройства, суммирующего постоянные интервалы времени — полупериоды этих колебаний. Постоянство частоты осциллятора является главной предпосылкой точности хода часов. Если эта частота постоянна, то колебания осциллятора изохронны [8].

В дальнейшем изложении вопроса о спусковых механизмах мы часто будем употреблять понятия «полуколебание» и «колебание». Под «полуколебанием» осциллятора мы будем здесь понимать его движение в течение полупериода колебаний из одного положения равновесия в другое, а под «колебанием» — два следующих друг за другом «полуколебания». Продолжительность колебания называется его периодом. Под амплитудой мы будем понимать максимальное угловое отклонение осциллятора от его положения равновесия при колебаниях.

Осциллятор выполняет прежде всего роль генератора изохронных колебаний, но он регулирует и последовательность во времени силовых импульсов спуска, а этим, в свою очередь, регулируется ход всего часового механизма вместе с его индикаторным механизмом [9].

В течение столетий индикаторным механизмом был стрелочный индикатор с циферблатом, который имел классический вид неподвижного циферблата с одной, двумя или несколькими вращающимися стрелками, или же с неподвижной стрелкой и с одним или несколькими вращающимися цилиндрическими шаровидными или плоскими циферблатами.

В последнее время снова стала преобладать цифровая индикация, ставшая известной уже в конце XIX и начале XX в. и способствовавшая тогда усилению сбыта коммерческих часовых приборов.

Спусковой механизм и осциллятор образуют регулятор, который определяет точность хода механических часов. Исследуя механизм старых часов, мы встречаемся с огромным количеством конструктивных вариантов, с сотнями успешных и менее удачных спусковых механизмов и с различными формами осцилляторов — от простых маховиков через остроумно решенные сложные маятники и до современных самокомпенсирующихся балансов.

На первый взгляд представляется, что конструкция спускового механизма зависела от индивидуальных представлений и что между отдельными типами спусков нет общих признаков, по которым их можно было бы подразделить на группы. Однако общие признаки существуют, и по ним можно оценивать принцип и функцию спусковых механизмов с нескольких точек зрения. В целях наглядности мы будем рассматривать только те спусковые механизмы, которые чаще всего использовались в старых механизмах часов и имели наиболее важное значение для развития таких часов.

Объясним работу спускового механизма часов на примере наиболее известного и оправдавшего себя анкерного спуска (рис. 8).

Рис. 8. Спусковой механизм современных механических часов

Главными частями такого спуска является анкер 2 с рабочими изогнутыми штифтами, так называемыми палетами 1, и зубчатое спусковое колесо. Палеты анкера охватывают определенное количество зубьев спускового колеса и поочередно заходят в эти зубья. В положении, показанном на рис. 8, зуб спускового колеса подошел к левой палете и опирается на боковую поверхность, так называемую поверхность покоя. Маятник соединен вилкой с анкером, и здесь он находится в амплитудном положении и начинает опускаться в положение равновесия. Если при этом движении анкер повернется на определенный угол обхвата α, то зуб спускового колеса упрется в наклонную, так называемую импульсную, плоскость палеты, и при дальнейшем движении по этой плоскости он поднимет левое плечо анкера и при этом придаст анкеру и маятнику силовой импульс.

Длина этого импульса выражена углом импульса β. После окончания импульса палета 1 освободит зуб спускового колеса, спусковое колесо скачкообразно повернется, пока соответствующий зуб спускового колеса 2 не натолкнется на поверхность покоя второй палеты 3. Затем маятник легко перейдет на свою точку левого поворота и снова возвратится, пока зуб 2 перейдет с поверхности покоя на наклонную плоскость импульса правой палеты, а анкер получит импульс в обратном направлении. Этот процесс циклически повторяется. Анкерный механизм работает с двусторонним импульсом. Спусковое колесо при каждом полуобороте поворачивается на половину шага зубьев. Короткий скачок спускового колеса, сопровождаемый известным характерным тиканьем часов, правда, связан с некоторой потерей энергии, но он необходим для придания импульса анкеру и осциллятору.