Часы. От гномона до атомных часов - Станислав Михаль

В эпоху изобретения шпиндельного спускового механизма еще ничего не было известно ни о маятнике, ни о балансе. В раннем периоде, еще до создания первых маятниковых часов, этот спусковой механизм применялся с осциллятором, который имел форму двухплечего коромысла, так называемого билянца (фолио) с подвижными регулировочными грузами (рис. 9), и всегда жестко насаживался на палетный вал. Необходимое горизонтальное положение этого коромысла предопределяло стереотипное геометрическое расположение остальных частей часов — вертикального палетного вала и спускового колеса с горизонтальным валом внутри механизма. Такой была концепция колесных часов, когда они появились впервые на башнях европейских городов, а затем в жилых домах богатых горожан.

Шпиндельный спусковой механизм с билянцем первоначально имел и ходовой механизм пражских курантов, построенных в 1410 г. часовщиком Микулашом из Кадани. Такое же подобие этот спусковой механизм сохранил до 60-х годов прошлого века, когда ввиду частых неполадок его пришлось реконструировать. Первоначальный регулятор курантов с билянцем был при этом заменен современным дифференциальным стопорным спусковым механизмом Денисона, изготовленным по образцу башенных часов на Вестминстерской башне в Лондоне.

Билянец (фолио) трудно назвать осциллятором в полном смысле этого слова, поскольку реальный осциллятор должен быть способен к самостоятельным колебаниям и обладать собственной частотой колебания[10]. Маятнику придает эту способность сила тяжести, а балансу — возвращающая сила, возникающая в витках упруго деформирующегося волоска. Коромысло же не обладало этим свойством, а потому оно было, собственно говоря, лишь маховиком, подверженным воздействию случайных сил. Такое изменение позволило изменить прежнюю конструкцию с вертикальным спусковым колесом на более выгодную — с горизонтальным колесом. Это новое решение было повсеместно принято. У старых часов спусковое колесо размещалось на длинном валу над рамой машины, а у новейших часов оно было скрыто внутри между остальными передаточными механизмами.

Коромысловые часы являются типичным примером простого трехколесного механизма с однострелочным индикатором времени. Механизм, использованный для шпиндельного спуска, оправдал себя и для первых часовых механизмов с боем. В задней части часов находился колокольный механизм боя, который запускался в ход каждый час ходовым механизмом. В этом случае колокол сигнализировал истечение каждого следующего часа всегда одним и тем же количеством ударов. Такие часы использовали для измерения времени ночью в неосвещенном пространстве башни. (Колокол обращал внимание сторожа, а тот ощупью на выступах циферблата узнавал положение стрелки, определяя этим, сколько часов он уже находится на своем ночном посту.) Большинство часов, изготовленных до конца XVII в., имело лишь одну стрелку, обходящую циферблат за 12 или 24 ч, в зависимости от того, был ли на часах циферблат немецкий или итальянский (древнечешский).

Шпиндельный спусковой механизм с коротким кольцевым билянцем, жестко насаженным на палетном валу (так называемый «кухшванц»), сохранил свой вид и положение в часовом деле в течение нескольких столетий. Когда же на переломе XVI и XVII вв. Галилей занялся изучением свойств маятника, перед хронометрией открылся путь для революционных изменений. В 1657 г. голландский физик и математик Христиан Гюйгенс изготовил первые маятниковые часы, в которых маятник был использован действительно в качестве осциллятора. Идея Галилея, осуществленная Гюйгенсом, сильно повысила тогдашнюю точность механических часов. Суточная погрешность, колебавшаяся у маятниковых часов в широких пределах — в зависимости от качества часов от 15 до 60 мин, — упала у часов Гюйгенса до 10 с, хотя шпиндельный спуск остался, по существу, таким же, как у часов с билянцем. Шпиндельный спуск не очень подходил для маятниковых часов. Созданный первоначально для билянца, он требовал большую амплитуду — 20° и больше. Несмотря на это, он благодаря своей сравнительной простоте очень быстро распространился и на маятниковые часы, а в некоторых странах он сохранялся вплоть до начала XIX в., т.е. намного позднее, чем были изобретены современные спусковые механизмы. В стремлении приспособить шпиндельный спусковой механизм к условиям, предъявляемым маятником, некоторые часовщики постепенно изменяли взаимный угол между налетами до 40°. Одновременно с этим и наклон зубьев спускового колеса изменялся настолько, что оно все больше теряло свое первоначальное сходство с королевской короной. Эти изменения в геометрии спускового механизма преследовали еще одну цель — ограничить неблагоприятное влияние отхода спускового колеса.

Недостатки, связанные с большой амплитудой маятника при шпиндельном спуске, сознавал уже Гюйгенс, который создал для своих маятниковых часов в 1673 г. пружинную подвеску с двумя направляющими циклоидальными поверхностями. Эти поверхности имели своей задачей изменять во время колебания длину маятника, а с ним и продолжительность колебания. Попытки Гюйгенса получить колебания одной и той же продолжительности с помощью изменения длины маятника были правильны, ибо исходили из математического расчета, но на практике это не привилось[11], поскольку новые анкерные спуски, которые быстро заменили шпиндельный спуск, строились для маятниковых часов, наоборот, в расчете на малые амплитуды.

Несмотря на свою кажущуюся простоту, шпиндельный спусковой механизм обладал еще и другими теневыми сторонами, которые принуждали часовых дел мастеров искать иные формы этого механизма. Нет сомнения, что крупнейшей проблемой здесь было, особенно в отношении крупных железных башенных часовых механизмов, изготовление спускового колеса. Прежние кузнечные методы, которые использовались при изготовлении деталей крупных часов, оставили некоторые характерные признаки в виде соединений, сваренных в огне, клиновидных соединений разъемных деталей, склепанных трубочных трибов и т.п. Такое спусковое колесо изготовлялось из плоской полосы железа, свернутой в горячем виде в круг и сваренной в огне. Другой производственной трудностью было соблюдение вертикального положения палетного вала относительно спускового колеса.

Рис. 10. Двухрычажный спусковой механизм Шевалье де Бетуне

Лучшее решение спускового механизма напрашивалось в виде системы параллельных валов с плоским спусковым колесом, имеющим зубцы на своей торцовой поверхности. Важным шагом было создание группы храповых спусковых механизмов. Самый старый из них — двухрычажный храповой механизм, созданный Шевалье де Бетуном. Такой спусковой механизм, схема которого приведена на рис. 10, изготовлял примерно в 1727 г. для своих часов парижский часовой мастер Антуан Тиоу (1692-1767), автор часто упоминаемого сочинения «Трактат о хронометрии» (Traite d'horlogerie) от 1741 г. На валу правого рычага с винтом для задания взаимного положения палет здесь имеется вилка. Гиря на левом плече другого рычага удерживает внутренние плечи обоих рычагов в постоянном контакте. Двухрычажный спусковой механизм имел много конструктивных вариантов. Некоторые из них были довольно сложны и вносили в механизм нежелательные силы трения.

Другой парижский часовщик — Йоганн Баптист Дютертр (1715-1792) — изготовил аналогичный спусковой механизм с двумя маятниками, качающимися в противоположных направлениях. Каждый из них крепился на валу с одной палетой. Синхронизацию времени зацепления обеих палет на общем для них храповом колесе обеспечивали два зацепляющихся друг с другом зубчатых сегмента, насаженные на палетных валах.

Существенное упрощение спускового механизма дало изобретение «английского крюка» в 1666 г. Робертом Гуком, профессором геометрии и секретарем Королевской академии в Лондоне. Его идею детально разработал примерно на 10 лет позднее английский часовщик Вильям Клемент, работавший в Лондоне в 1670-1696 гг. В его мастерской была создана первая пригодная к использованию форма реверсивного анкерного спуска.

Анкерный спуск позволял введение более тяжелых маятников при меньшем расходе приводной энергии. Однако его главное достоинство заключалось в том, что он очень хорошо подходил к маятнику с малой амплитудой колебаний. В зависимости от числа зубьев спускового колеса, охваченных анкером, можно было по спусковому колесу оценивать продолжительность хода часов за одну заводку. У однодневных часов анкер охватывал обычно 4,5 зуба, а у восьмисуточных — 6,5 зуба и больше. Количество зубьев на анкерном колесе чаще всего было около 36.

Анкерные спуски с навесным анкером были предназначены для более тяжелых башенных маятников и крупных напольных часов с большим охватом анкера. Их длинные плечи давали большие усилия. Типичным примером анкерного спуска на его ранней стадии развития был английский анкерный спуск с отходом, приспособленный для среднего охвата зубьев спускового колеса.