Механические часы

Идея использования для отсчета времени качающегося груза и вращающихся зубчатых колес - одна из самых плодотворных в богатой глубокими мыслями истории развития  часов. После того как люди начали делать различные часы, понадобилось более 2000 лет для того, чтобы эта идея появилась, а затем еще более 500 лет для того, чтобы в этой области удалось высказать принципиально новое и лучшее.

Механические колесные часы появились в XIII веке. Это были сооружения большие и тяжелые. Принцип их действия следующий: если на горизонтальный вал намотать веревку, на конце ее укрепить гирю и дать ей свободно падать, то она будет тянуть веревку и вращать вал. Если этот вал через промежуточные колеса соединить с основным храповым колесом, связанным со стрелками-указателями, то вся эта система будет как-то показывать время. Однако при этом вал будет вращаться не равномерно, а ускоренно. Для получения равномерного вращения храпового колеса служит специальный регулятор - билянец.

Билянец

Билянец представляет собой металлический стержень, расположенный параллельно поверхности храпового колеса. К оси белянца под прямым углом друг к другу приклеплены две лопатки. При повороте колеса зубец толкает лопатку до тех пор, пока она не соскользнет с него и не отпустит колесо. В это время другая лопатка с противоположной стороны колеса входит в углубление между зубцами и сдерживает его движение. Вследствие такого устройства билянец раскачивается. При каждом полном его качании храповое колесо передвигается на один зубец. Чем медленнее совершается качание билянца, тем медленнее движется храповое колесо.

На стержень билянца навешивают грузы, обычно в форме шаров. Регулируя величину этих грузов и расстояние их от оси, можно заставить храповое колесо двигаться с различной скоростью.

Тихо Браге

  Колесные часы обычно выполнялись в виде весьма громоздких сооружений: башенных, дворговых или соборных часов. Их детали имели значительные размеры и большой вес. Например, в колесных часах астронома Тихо Браге храповое колесо имело диаметр 91 см и 1200 зубьев. В некоторых часах колеса весили сотни килограммов. Вследствии большого веса деталей и значительного трения колесные часы нуждались в сазке и постоянном уходе. Погрешность показаний колесных часов составляла несколько минут в сутки.

Одним из интересных образцов механических часов являются московские кремлевские часы. Это - огромное сооружение. Механизм часов занимает несколько этажей башни, а размеры циферблата таковы, что каждая цифра имеет величину почти с человеческий рост. Эти часы были сооружены в 1404 г. монахом Лазарем.

Кремлевские часы

С тех пор они несколько раз исправлялись. Коренная переделка этих часов была произведена в 1709 г. По приказу Петра I, большого любителя часов, на Спасской башне были установлены часы с музыкой. По приказу Николая I часы были вновь переделаны таким образом, что в полдень, в три, шесть и девять часов они стали вызванивать "Коль славен..." и преображенский марш. Это были грандиозные часы с огромными стрелками, имевшие несколько заводных валов с семипудовыми гирями. Один из валов управлял стрелками, другой боем, третий служил для отзванивания четвертей, а четвертый был приспособлен для того, чтобы часы исполняли мелодию. Циферблат этих часов расположен на восьмом этаже башни, часовой механизм - на девятом, а 35 колоколов, вызванивающих мелодию, - на десятом этаже башни. После Октябрьской революции кремлевские часы по 

распоряжению В.И. Ленина были отремонтированы  кремлевским 

Кремлевская звонница

слесарем Н.В. Беренсом и переделаны так, что стали вызванивать    "Интернационал".

В XV веке различные виды механических часов получают все большее распространение, а в их конструкцию вводится важное усовершенствование: часовая пружина. Появляются настольные пружинные часы часы сравнительно небольших размеров, вес которых не превышает нескольких килограмов.

Механизм хода
Кремлевских часов

Музыкальное устройство
курантов

 На первых часах имелась только часовая стрелка. Около 1550 г. появляются часы с двумя стрелками: часовой и минутной, а с 1760 г. появляется и секундная стрелка.

 Ход пружинных часов зависит от многих причин и в первую очередь от натяжения пружины и трения колес.

Погрешность показаний времени колесных часов значительно меньше, чем погрешность песочных, огненных и водяных часов, однако довольно скоро точность отсчета времени, даваемая ими, оказалась недостаточной. Ряд наук, и в первую очередь астрономия, требовал умения отсчитывать время все точнее и точнее. Необходимо было отыскать способ сделать ход часов значительно более равномерным.

Галилео Галилей

  Принципиально новое решение этой задачи было найдено Галилео Галилеем путем использования для отсчета времени качаний маятника.

Согласно преданию в 1584 г. двадцатилетний Галилей, находясь в соборе, под высокими сводами которого метался ветер, обратил внимание на то, как качаются огромные бронзовые лампы, подвешенные к потолку. Эти лампы были разной величины и имели различный вес, но были подвешены на цепях одинаковой длины и качались с одинаковым периодом. Рассказывают, что это и навело Галилея на мысль использовать качания маятника для регулирования хода часов.

 Позднее, независимо от Галилея, Христиан Гюйгенс разработал конструкцию маятниковых часов и дал их расчет.

Христиан
Гюйгенс

Принцип действия маятниковых часов следующий: пружина создает силу, движущую всю систему колес, а маятник обеспечивает равномерность их хода. Устройство этих часов такое: от вала через ряд промежуточных колес приводятся в движение минутное и секундное колеса. Секундное колесо охватывается якорем, или анкером, состоящим из дуги с двумя скошенными выступами. Анкер скреплен с маятником. При качании маятника и движении секундного колеса выступы анкера попеременно входят в прорези секундного колеса, регулируя скорость его движения. В свою очередь анкер связан с маятником с помощью валка, подталкивающего маятник. Это - система так называемого "несвободного" маятника.

Пружина и маятник открыли перед конструкторами часов богатые возможности, а желание превзойти своих современников и покровительство вельмож влекло часовых мастеров к разработке все более сложных и хитроумных механизмов.

Изготовление таких часов в России связано с именами двух замечательных изобретателей: Кулибина и Волоскова.

Кулибин

Иван Петрович Кулибин (1735-1818 гг.) сконструировал часы в форме яйца. Их механизм, состоящий почти из 500 деталей, устроен так, что отбивали часы и четверти часов, исполняя при этом разные мелодии, в них двигались фигурки и т.д. Устройство этих часов, над которыми он работал 5 лет, а затем прподнес их Екатирине II, Кулибин описывал так: "В доходе каждого часа внутри корпуса отворяются створные двери, внутри оного яйца представляется в подобие зала, в котором противу дверей поставлена, на пример палатки, подобие гроба господня, гроб и в него затворенная малая дверь. И в двери прибавлен камень.

 По сторонам этого гроба стоят с копьями два стража. По отворению реченных дверей через полминуты вдруг появляется в подобие 

ангел. От этого явления камень отваливается, и дверь гроба разрушается, а стоящие стражи 

Часы Кулибина

 вдруг ниц падают. Через полминуты приходят к ангелу две жены в подобие мироносиц и с их явлением надпевает звоном голос...потом в корпусе вдруг двери затворяются, и сие действие бывает перед каждым часом. И оный стих выходит перед пробитием 8 часов пополуночи за каждым часом и действием, а переменяется по пробитии 4 часов пополудни и выходит голос другого стиха. Величиной эти часы часы противу средства гусиного и утиного яйца. Бьют часы и четверти, каждую четверть, и имеют лицевую доску со стрелками, как у карманных".

Волосков

 Терентий Иванович Волосков (1729-1806 гг.) в результате многолетнего труда построил часы, показывающие минуты, часы, месяцы, положение Солнца, Луны и звезд.

Маятниковые часы в своем первоначальном виде имели точность, значительно превосходящую ту, которой обладали все предыдущие типы часов. Однако вскоре для астрономии и навигации понадобились более точные измерители времени. Поэтому устройство маятниковых часов непрерывно совершенствовалось.

Важное усовершенствование часов заключалось в улучшении конструкции маятника. Даже небольшое изменение длины маятника сильно сказывается на работе часов. Между тем при изменении температуры размеры тел меняются. Стальной стержень длиной 1м при нагревании на 1С удлиняется на 0,012 мм, медный - на 0,016 мм, цинковый - на 0,028 мм. Если ддлина стального маятника отрегулирована при 0 С, то при температуре 20 С часы накапливают за сутки отставание 10,4 секунды. Для уменьшения погрешности часов необходимо добиться температурной компенсации, т.е. сделать маятник так, чтобы при изменении температуры его длина не менялась.

Джон Гаррисон

 В 1725 г. английский часовой мастер Джон Гаррисон для получения температурной компенсации сделал маятник составным. Этот маятник был собран из нескольких цинковых и стальных стержней, соединенных так, что при повышении температуры, удлинение одних приводило к увеличению, а удлинение других - к уменьшению его общей длины. При надлежащем выборе длины цинковых и стальных стержней размеры маятника оставались неизменными как при повышении, так и при понижении температуры. Таким образом, Гаррисондобился изумительной по тем временам точности работы часов, порядка нескольких сотых долей секунды в сутки.

Настоящее завершение пружинные часы получили с изобретением баланса, заменившего в них обычный маятник. Баланс - это маленькое маховое колесо, которое совершает колебательные движения около положения равновесия, попеременно вращаясь то вправо, то влево.

Балансирный механизм часов

Пружинные часы с балансом работают следующим образом. Прежде всего заводят пружину. Для этого от руки вращают заводную головку часов. При этом через ряд промежуточных колес вращение передается валу барабану, который закручивает пружину так, что она навивается на него.

Пружина не может раскрутиться, вращая вал. Этому мешает храповая собачка, котораястопорит барабанное колесо. Поэтому при работе часов пружина раскручивается, вращая не вал, а барабан.

Вращение барабана через несколько колес - центральное, промежуточное, секундное - передается анкерную. Анкерное колесо через вилку с рожками сообщает движение балансу, периодически подталкивая его. При этом спиральная пружина баланса (волосок) сворачивается и разворачивается, заставляя баланс вращаться то в одну сторону, то в другую сторону. Таким образом, вращательное движение анкерного колеса преобразуется в колебательное движение баланса.

Каждое колебание баланса имеет определенную и одинаковую длительность.  Измерение времени с помощью пружинных часов сводится к подсчету колебаний, совершаемых балансом за измеряемый промежуток времени. Эту работу выполняет состоящий из нескольких колес счетный механизм, а связанные с ним стрелки указывают на циферблате протекшее время.

Для получения температурной компенсации баланса его колесо делается не сплошным, а состоящим из двух дуг. Каждая дуга состоит из двух различных металлических полосок, спаянных между собой. Внешняя полоска делается из латуни, внутреняя - из стали. При увеличении температуры длина волоска увеличивается, а его упругость уменьшается; обе эти причины вызывают замедление качаний баланса. Состоящие из двух металлов дуги баланса при нагревании загибаются внутрь вследствии того, что снаруди расположена полоска из материала с большим коэффициентом расширения. Это уменьшает радиус баланса и соответственно увеличивает частоту его качаний. При этом вся система регулируется так, чтобы период ее качаний не зависел от температуры.

Эти усовершенствования дали возможность изготовлять пружинные часы, имеющие точность достаточную не только для бытовых целей, но и для целого ряда научных и технических задач.