Механические часы история изобретений
Механические часы, по своему устройству напоминающие современные, появились в 14 веке в Европе. Это часы использующие гиревой или пружинный источник энергии, а в качестве колебательной системы у них применяется маятниковый или балансовый регулятор. Можно выделить шесть основных компонентов часового механизма:
1) двигатель;
2) передаточный механизм из зубчатых колес;
3) регулятор, создающий равномерное движение;
4) спусковой распределитель;
5) стрелочный механизм;
6) механизм перевода и заводки часов.
Первые механические часы называли башенными колесными часами, в движение они приводились опускающимся грузом. Приводной механизм представлял собой гладкий деревянный вал канатом к которому был примотан камень, выполняющий функцию гири. Под действием силы тяжести гири, канат начинал разматываться 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 указывать время. Проблемы подобного механизма в огромной тяжеловесности и необходимости гире куда-то падать и в не равномерном, а ускоренном вращении вала. Чтобы удовлетворить все необходимые условия, для работы механизма строили сооружения огромных размеров, как правило, в виде башни, высота которой была не ниже 10 метров, а вес гири достигал 200 кг, естественно все детали механизма были внушительных размеров. Столкнувшись с проблемой неравномерности вращения вала, средневековые механики поняли, что ход часов не может зависеть только от движения груза.
Башенные часы
Механизм необходимо дополнить устройством, которое управляло бы движением всего механизма. Так появилось устройство сдерживающее вращение колеса, его назвали "Билянец" — регулятор.
Билянец представлял собой металлический стержень, расположенный параллельно поверхности храпового колеса. К оси билянца под прямым углом друг к другу прикреплены 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. Работая, билянец раскачивается. При каждом полном его качании храповое колесо передвигается на один зубец. Скорость качание билянца, взаимосвязана со скоростью движется храпового колеса. 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. Конечно, эта колебательная система во многих отношениях уступает маятнику, но может использоваться в часах. Однако, любой регулятор остановится если постоянно не поддерживать его колебания. Для работы часов необходимо, чтобы часть двигательной энергии от главного колеса постоянно поступала к маятнику или билянцу. Эту задачу в часах выполняет устройство, которое называется спусковым распределителем.
Различные виды билянцев
Спусковой механизм самый сложный узел в механических часах. Через него осуществляется связь между регулятором и передаточным механизмом. С одной стороны, спуск передает толчки от двигателя к регулятору, что необходимые для поддержания колебаний регулятора. С другой стороны, подчиняет движение передаточного механизма закономерности движения регулятора. Точный ход часов зависит главным образом от спускового механизма, конструкция которого озадачила изобретателей.
Самый первый спусковой механизм был шпиндельный. Регулятором хода этих часов был так называемый шпиндель, представляющий собой коромысло с тяжелыми грузами, установленное на вертикальной оси и приводимое попеременно то в правое, то в левое вращение. Инерция грузов оказывала тормозящее воздействие на часовой механизм, замедляя вращение его колес. Точность хода подобных часов со шпиндельным регулятором была низка, а суточная погрешность превышала 60 минут.
Так как в первых часах не было специального механизма заводки, подготовка часов к работе требовала больших усилий. Несколько раз в день нужно было поднимать на большую высоту тяжелую гирю и преодолевать огромное сопротивление всех зубчатых колес передаточного механизма. Поэтому уже во второй половине XIV века главное колесо стали крепить таким образом, что при обратном вращении вала (против часовой стрелки) оно оставалось неподвижным. Со временем устройство механических часов становилось сложнее. Увеличилось число колес передаточного механизма т.к. механизм испытывал сильную нагрузку и быстро изнашивался, а груз опускался очень быстро и его приходилось поднимать по несколько раз на день. К тому же для создания больших передаточных отношений требовались колеса слишком большого диаметра, что увеличивало габариты часов. Поэтому стали вводить промежуточные дополнительные колеса, в задачу которых входило плавно увеличивать передаточные отношения.
Механизмы башенных часов
Башенные часы были капризным механизмом и требовали постоянного наблюдения (из-за силы трения нуждались в постоянной смазке) и участия обслуживающего персонала (подъем груза). Несмотря на большую погрешность суточного хода, долгое время эти часы оставались самым точным и распространенным прибором для измерения времени. Механизм часов усложнялся, с часами стали связывать другие приспособления, выполняющие разнообразные функции. В конце концов, башенные часы превратились в сложное устройство со многими стрелками, автоматическими подвижными фигурами, разнообразной системой боя, и великолепными украшениями. Это были шедевры искусства и техники одновременно.
Например, Пражские башенные часы, сооруженные в 1402 году, были оснащены автоматическими подвижными фигурками, которые во время боя разыгрывали настоящее театральное представление. Над циферблатом перед боем раскрывались два окошка из которых выходили 12 апостолов. Фигурка Смерти стояла на правой стороне циферблата и при каждом бое часов поворачивала косу, а человек стоявший рядом кивал головой, подчеркивая роковую неизбежность в то время как песочные часы напоминали о конце жизни. По левую сторону циферблата находились еще 2 фигурки, одна изображала человека с кошельком в руках, который каждый час звенел лежавшими там монетами, показывая, что время — деньги. Другая фигура изображала путника, мерно ударявшего посохом в землю, показывая суетность жизни. После боя часов появлялась фигурка петуха, который трижды кричал. Последним в оконце появлялся Христос и благословлял всех стоявших внизу зрителей.
Пражские башенные часы
Другим примером башенных часов было сооружение мастера Джунелло Турриано, которому потребовалось 1800 колес для создания башенных часов. Эти часы воспроизводили дневное движение Сатурна, часы дня, годичное движение Солнца, движение Луны, а также всех планет в соответствии с птолемеевской системой мироздания. Для создания таких автоматов требовались особые программные устройства в движение которые приводил большой диск, управляемый часовыми механизмом. Все подвижные части фигур имели рычаги, которые то поднимались то опускались под действием вращения круга, когда рычаги попадали в особые вырезы и зубцы вращающегося диска. Также, башенные часы имели отдельный механизм для боя, который приводился в движение собственной гирей, причем многие часы по-разному отбивали полдень, полночь, час, четверть часа.
После колесных часов появились более усовершенствованные пружинные часы. Первые упоминания об изготовлении часов с пружинным двигателем относят ко второй половине 15 века. Изготовление часов с пружинным двигателем открыло путь к созданию миниатюрных часов. Источником движущей энергии в пружинных часах служила заведенная и стремящаяся развернуться пружина. Она представляла собой эластичную закаленную стальную ленту свернутую вокруг вала внутри барабана. Внешний конец пружины закреплялся за крючок в стенке барабана, внутренний соединялся с валом барабана. Пружина стремилась развернуться и приводила во вращение барабан и связанное с ним зубчатое колесо. Зубчатое колесо в свою очередь передавало это движение системе зубчатых колес до регулятора включительно. Перед мастерами возникал ряд сложных технических задач. Основная из них касалась работы самого двигателя. Так как для правильного хода часов, пружина должна на протяжении длительного времени воздействовать на колесный механизм с одной и той же силой. Для чего необходимо заставить ее разворачиваться равномерно и медленно.
Изобретение запора послужило толчком к созданию пружинных часов. Он представлял собой маленькую щеколду, помещавшуюся в зубья колес и позволявшую пружине раскручиваться только так, что одновременно поворачивался весь ее корпус, а вместе с ним колеса часового механизма.
Так как пружина имеет неодинаковую силу упругости на разных стадиях своего разворачивания, первым часовщикам приходилось прибегать к различным хитростям, чтобы сделать ее ход более равномерным. Позже, когда научились изготовлять высококачественную сталь для часовых пружин, в них отпала необходимость. В современных недорогих часах пружину просто делают довольно длинной, рассчитанной примерно на 30-36 часов работы, но при этом рекомендуют заводить часы раз в сутки в одно и то же время. Специальное приспособление мешает пружине при заводе свернуться до конца. В результате ход пружины используется только в средней части, когда сила ее упругости более равномерная.
Следующим шагом к усовершенствованию механических часов было открытие законов колебания маятника сделанное Галилеем. Создание маятниковых часов состояло в соединении маятника с устройством для поддержания его колебаний и их отсчета. Фактически, маятниковые часы — это усовершенствованные пружинные часы.
В конце жизни Галилей стал конструировать такие часы, но дальше разработок дело не пошло. А уже после смерти великого ученого первые маятниковые часы были созданы его сыном. Устройство этих часов держалось в строгом секрете, поэтому они не оказали никакого влияния на развитие техники.
Независимо от Галилея в 1657 году механические часы с маятником собрал Гюйгенс.
При замене коромысла на маятник первые конструкторы столкнулись с проблемой. Она заключалась в том, что маятник создает изохронные колебания только при малой амплитуде, между тем шпиндельный спуск требовал большого размаха. В первых часах Гюйгенса размах маятника достигал 40-50 градусов, что нарушало точность хода. Для компенсации этого недостатка Гюйгенсу пришлось проявить изобретательность и создать особый маятник, который в ходе качания изменял свою длину и колебался по циклоидной кривой. Часы Гюйгенса обладали несравнимо большей точностью, чем часы с коромыслом. Их суточная погрешность не превышала 10 секунд (в часах с коромысловым регулятором погрешность колебалась от 15 до 60 минут). Гюйгенс изобрел новые регуляторы как для пружинных, так и для гиревых часов. Механизм стал гораздо совершеннее, когда в качестве регулятора начали использовать маятник.
Христиан Гюйгенс
В 1676 году Клемент, английский часовщик, изобрел якорно-анкерный спуск, который идеально подходил к маятниковым часам, имевшим небольшую амплитуду колебания. Эта конструкция спуска представляла собой ось маятника на которую насаживался якорь с палетами. Раскачиваясь вместе с маятником, палеты попеременно внедрялись в ходовое колесо, подчиняя его вращение периоду колебания маятника. Колесо успевало повернуться на один зуб при каждом колебании. Такой спусковой механизм позволял маятнику получать периодические толчки, которые не давали ему остановиться. Толчок происходил, когда ходовое колесо, освободившись от одного из зубьев якоря, ударялось с определенной силой о другой зуб. Этот толчок передавался от якоря к маятнику.
Изобретение маятникового регулятора Гюйгенса произвело переворот в технике часового дела. Гюйгенс много сил потратил на усовершенствование карманных пружинных часов. Основная проблема которых была в шпиндельном регуляторе, так как они постоянно находились в движении, тряслись и покачивались. Все эти колебания оказывали негативное воздействие на точность хода. В 16 веке часовщики стали заменять двуплечный билянец в виде коромысла круглым колесиком-маховиком. Эта замена значительно улучшила работу часов, но все равно осталась неудовлетворительной.
Важное усовершенствование регулятора произошло в 1674 году, когда Гюйгенс присоединил к колесику-маховику спиральную пружинку — волосок.
Теперь при отклонении колесика от нейтрального положения волосок воздействовал на него и старался возвратить на место. Однако массивное колесико проскакивало через точку равновесия и раскручивалось в другую сторону до тех пор, пока волосок снова не возвращал его назад. Так был создан первый балансовый регулятор или балансир, свойства которого были подобны свойствам маятника. Выведенное из состояния равновесия колесико балансира начинало совершать колебательные движения вокруг своей оси. Балансир имел постоянный период колебания, но мог работать в любом положении, что очень важно для карманных и наручных часов. Усовершенствование Гюйгенса произвело среди пружинных часов такой же переворот как и введение маятника в стационарные настенные часы.
Англичанин Роберт Гук независимо от голландца Христиана Гюйгенса также разработал колебательный механизм, который основан на колебаниях подпружиненого тела — балансирный механизм. Балансирный механизм применяется, как правило, в переносных часах, так как может эксплуатироваться в разных положениях, чего не скажешь об маятниковом механизме, который используют в настенных и напольных часах т. к. для него важна неподвижность.
Роберт Гук
В состав балансирного механизма входят:
Балансирное колесо;
Спираль;
Вилка;
Градусник — рычаг регулировки точности;
Храповик.
Для регулирования точности хода используют градусник — рычаг, который выводит из работы некоторую часть спирали. Колесо и спираль делают из сплавов с небольшим коэффициентом температурного расширения из-за чувствительности к колебаниям температуры. Также возможно изготовить колесо из двух разных металлов, чтобы оно изгибалось при нагреве (биметаллический баланс). Для повышения точности хода баланс снабжался винтами, которые позволяют точно сбалансировать колесо. Появление прецизионных станков-автоматов избавило часовщиков от балансировки, винты на балансе стали чисто декоративным элементом.
Изобретение нового регулятора требовало новой конструкции спуска. Следующие десятилетия разные часовщики разрабатывали разные варианты спусковых устройств. В 1695 году Томасом Томпионом был изобретен наиболее простой цилиндрический спуск. Спусковое колесо Томпиона было снабжено 15-ю, особой формы, зубьями «на ножках». Сам цилиндр представлял собой полую трубку, верхний и нижний концы которой были плотно забиты двумя тампонами. На нижнем тампоне был насажен балансир с волоском. При колебании балансира в соответствующую сторону вращался и цилиндр. На цилиндре находился вырез в 150 градусов, проходящий на уровне зубцов спускового колеса. Когда колесо двигалось его зубья попеременно одно за другим входили в вырез цилиндра. Благодаря этому изохронное движение цилиндра передавалось спусковому колесу и через него всему механизму, а балансир получал импульсы, поддерживающие его колебания.
Томас Томпион
С развитием науки часовой механизм усложнялся, а точность хода повышалась. Таким образом, в начале восемнадцатого века для балансира и шестеренок впервые были использованы рубиновые и сапфировые опоры, что позволило повысить точность и запас хода, а также уменьшить трение. Постепенно карманные часы дополнялись все более сложными устройствами и некоторые образцы имели вечный календарь, автоподзавод, независимый секундомер, термометр, индикатор запаса хода, минутный репетир, а работу механизма давала возможность увидеть задняя крышка выполненная из горного хрусталя.
Величайшим достижением в часовой промышленности и теперь считается изобретение в 1801 году Авраамом Луи Бреге турбийона. Бреге удалась решить одну из самых больших проблем часовых механизмов того времени - он нашел способ побороть гравитацию и связанные с ней погрешности хода. Турбийон - это механическое устройство, созданное для повышения точности хода часов за счет компенсации влияния гравитации на узел регулятора и равномерного распределения смазки трущихся поверхностей механизма при смене вертикальных и горизонтальных положений механизма.
Турбийон — один из наиболее впечатляющих механизмов в современных часах. Подобный механизм может производиться только искусными мастерами, а способность фирмы изготовить турбийон является признаком ее принадлежности к часовой элите.
Авраам Луи Бреге
Механические часы во все времена были предметом восхищения и удивления, они завораживали красотой исполнения и сложностью механизма. Механическое чудо, созданное умелыми руками мастера, всегда будет радовать своих владельцев уникальными функциями и оригинальным дизайном. Механические часы и сегодня являются предметом гордости, а кроме того способны подчеркнуть статус и всегда покажут точное время.
