Часы. От гномона до атомных часов - Станислав Михаль

Рис. 21. Пружинные спусковые механизмы с постоянной импульсной силой: а — Штрассера; б — Рифлера

Другие два пружинных спусковых механизма, один из которых, показанный на рис. 21а, сконструирован Штрассером (род. в 1853 г.) из Гласхютте, а второй (рис. 21б) построен мюнхенским часовщиком Рифлером (род. в 1847 г.), дали исключительные результаты при точном измерении времени для астрономических нужд. Спуск Рифлера на рубеже XIX и XX вв. считался самым подходящим для лабораторных измерении времени. Как видно из изображения спускового механизма Штрассера, импульсная сила возникает при отклонении анкера в двух импульсных пружинах, закрепленных в подвесной скобе маятника. Спусковой механизм Рифлера работает, по существу, на аналогичном принципе. В отличие от спускового механизма Штрассера, у которого маятник подвешен на специальных пружинах в неподвижной подвеске, у спуска Рифлера подвесные пружины одновременно являются импульсными пружинами. И анкер имеет здесь вместо сложенных палет рубиновые штифты с плоскими шлифами и сборное двойное спусковое колесо. Зубья первого колеса 1 образуют плоскость покоя для анкера, а второе колесо 2 имеет наклонные (скошенные) импульсные зубья.

Все описанные до сих пор спусковые механизмы с постоянной импульсной силой имели независимо от рода регулятора и степени его совершенства один общий для них признак: спусковые механизмы у них постоянно соединены с часовым механизмом. При каждом скачке спускового колеса весь механизм приводится на короткий момент в движение, чтобы при захвате спускового колеса он (механизм) снова останавливался. Для небольших портативных часов с непрерывной индикацией времени этот способ обязателен, однако для больших башенных часов непрерывное движение всего часового механизма с тяжелыми стрелками предъявляет большие требования к приводу. Равномерный ход нарушают также порывы ветра, которые передаются со стрелок на весь механизм, и часто изменяющиеся атмосферные условия.

Совершенно исключительная идея пришла в голову мюнхенскому часовщику Йоганну Маннгардту (1798-1878), который построил специальный механизм, исключительно интересный во многих отношениях. Тут речь идет о спуске с периодическим импульсом, подаваемым маятнику один раз в 30 или даже в 60 с. Осциллятор в часах Маннгардта между двумя очередными импульсами качается совершенно независимо от часового механизма, который все это время остается в покое.

Башенные часы с несколько измененным спусковым механизмом Маннгардта стали строить и в Чехии во второй половине прошлого века. Их изготовляли как пражская мастерская Людвига Гайнца, так и мастерская часовщика Вацлава Кречмера, который в 90-х годах построил несколько башенных механизмов с этими спусками. Его часовые механизмы отличались массивной конструкцией; два из них сохранились в часовых коллекциях Национального технического музея в Праге.

Гравитационные спусковые механизмы с постоянной импульсной силой не подходили для портативных балансирных часов, а поэтому производители пружинных хронометров стали изучать возможность применения пружинных спусковых механизмов с постоянным импульсом. Первые такие часы построил Томас Мюдж в 1790 г., стремясь превзойти точность морских хронометров Гаррисона. Спусковые механизмы строил для своих хронометров Антуан Бреге (1850-1882) — один из потомков А.Л. Бреге.

Рис. 22. Спусковые механизмы с постоянной импульсной силой Антуана Бреге

Один из его спусковых механизмов с постоянной импульсной силой приведен на рис. 22. Между спусковым колесом 1 с восемью боковыми штифтами и валом баланса 2 здесь вложен еще один элемент 3 — импульсное колесо с тремя зубьями и спиральной пружиной. В положении, показанном на рисунке, зуб 4 импульсного колеса опирается на стопор 5 пружины 6. При этом спусковой механизм находится в состоянии покоя. Палец 7 баланса отклонит пружину 6, которая освободит импульсное колесо, его зуб 8 даст импульс пальцу 9, а затем штифт 10 приподнимет ползунок 11 анкера 12. Его зуб 13 освободит спусковое колесо. При скачке спускового колеса его зуб, который раньше придерживался ползунком 11 анкера, натолкнется на зуб 14 импульсного колеса, которое силой спиральной пружины 15 начнет жать в направлении стрелки. При ударе импульсное колесо возвратится в свое первоначальное положение, а спиральная пружина возвратит анкер 12 в положение, обусловливаемое упором 16.

Приводные механизмы часов

Из привода с грузом выработался первоначальный принцип колесных часов. Кроме бесспорной простоты и надежности, этот принцип обладал еще и преимуществом, которого долго не было у прежнего пружинного привода, а именно неизменностью (постоянством) приводной силы. Вес тел, зависящий от местного ускорения силы тяжести, несколько изменяется с географической широтой, но в отношении часов с грузом это не является помехой. Дело в том, что «непортативность» обрекала их стоять на одном месте. При изучении свойств и работы спускового механизма мы встретились с неблагоприятным последствием скачка спускового механизма в виде бесцельно затраченной потенциальной энергии груза. Чтобы нагляднее представить силовые отношения в передаточном механизме часов, будем исходить из схемы простых бамперных часов (рис. 23). Из этой схемы видно, что первоначальная сила тяжести Q, передаваемая зубчатыми механизмами, падает по направлению к спуску, что сопровождается, с другой стороны, ростом числа оборотов приводимых валов. Если зубья спускового колеса опираются на палеты силой Р1, то при указанных передачах на ведущем колесе будет действовать сила Р3, в 28 раз большая. Отсюда видно, какое большое количество энергии необходимо иметь в приводном механизме часов, чтобы обеспечить их ход.

Рис. 23. Схема передачи силы в механических часах

Другим неприятным фактором является понижение груза при каждом скачке спускового колеса, сопровождаемое потерей его потенциальной энергии. Это особенно чувствительно проявлялось у больших башенных часов, где масса груза составляла 100 кг и больше. Поднимание таких тяжелых грузов являлось физически тяжелым делом, и, кроме того, большие силы, которые возникают при этом в зубьях передачи, вызывают их быстрый износ.

Кроме своей простоты, грузовой привод имел перед пружинным приводом то большое преимущество, что в первом можно было сравнительно легко накапливать большое количество энергии. Сам приводной механизм образовывался ведущим валом с канатным барабаном или цепным колесом (рис. 24), храповиком и свободно вращающимся ведущим колесом с защелкой, предотвращающей возвратное движение. У самых старых часов цепные барабаны первоначально были деревянными, гладкими. На них наматывались пеньковые канаты с каменными, а позднее — металлическими грузами. Для более поздних часов XIX в. применялись металлические цепи. В таких случаях часы имели металлические канатные барабаны с пазами для витков каната. Меньшие настенные часы имели груз, подвешенный на струнах из овечьих кишок, а дешевые часы XIX и XX вв. имели грузы на металлических звеньевых цепочках. Цепные звездочки были, правда, намного уже, чем канатные барабаны, но передача силы на них была несовершенной ввиду непрерывно изменяющегося трения между зубьями звездочки и звеньями цепи при ее неудачной отмотке. Для удлинения хода часов между двумя заводками приходилось размещать часы на большой высоте, в самых высоких этажах зданий, в башнях или же применять системы роликов. Правда, одного ролика было недостаточно для увеличения продолжительности хода вдвое, но для развития нужной приводной силы был необходим груз удвоенной массы.

Рис. 24. Привод грузом: а — струнный (1 — ведущее колесо, 2 — защелка, 3 — храповое колесо, 4 — струнный цилиндр); б — цепной (1 — ведущее колесо, 2 — храповое колесо, 3 — защелка, 4 — пружина защелки, 5 — цепное колесо-звездочка)

Хорошие маятниковые часы, приводимые грузом, имели точный ход. Их суточная погрешность колебалась в пределах нескольких секунд или даже десятых долей секунды. Для точного измерения времени необходимо было, чтобы ход часов был абсолютно равномерным. Приводная сила должна была быть постоянной, не изменяться даже в течение тех коротких моментов, когда часы заводились. Поэтому у старых астрономических регуляторов мы встречаемся со специальным дополнительным механизмом, в задачу которого входило обеспечение постоянства приводной силы во время заводки часов.