Часы. От гномона до атомных часов - Станислав Михаль

Стремление к приоритету побуждало некоторых часовщиков создавать интересные конструкции привода, некоторые до сих пор привлекают внимание коллекционеров старых часов. Одной из таких конструкции являются пилообразные часы, в которых часовой механизм вместе с футляром, заполненным свинцом, является грузом. Приводную силу здесь передает длинная зубчатая рейка через триб и передаточный механизм на спусковой механизм часов. Известны так называемые цилиндровые часы, также приводимые собственным весом. Против момента силы тяжести, приводящей цилиндрическую втулку часов в движение по наклонной поверхности, действует силовой момент массивного сегмента внутри часов. Эти часы называли также гравитационными, и мы возвратимся к ним в главе, посвященной необычным типам часов.

Пружинный привод, который стали применять в часовом ремесле в XV и XVI вв., открыл путь к всестороннему использованию механических часов. Этот вид привода до сих пор преобладает у массовых часов, но в последнее время он постепенно вытесняется иными источниками энергии в электрических и электронных часах.

Пружинный привод механизма возник вне области часового дела. Уже в средние века кузнецы и слесари изготовляли подвижные фигурки. Пожалуй, самым старым примером их может быть железный петух, установленный на первых башенных часах в 1354 г. в Страсбурге. Возрождение принесло повышенный интерес к полуавтоматическим приборам и, конечно, побудило тогдашних часовщиков заняться идеей использования стальной пружины для привода часового механизма. В некоторых литературных источниках говорится о том, что первые пружинные часы появились примерно около 1430 г. К этому времени относятся сообщения о часах, изготовленных Пьерром Ломбартом из Монза и Еганом Паулином из Брюгге для герцога Филиппа III Доброго, о которых мы уже упоминали.

Пружины часов XVI в. нельзя ни в какой степени сравнивать с современными пружинами, изготовляемыми из катаной стали с содержанием углерода чуть более 1%, и с пружинами из специальных сплавов с добавками кобальта, хрома, никеля и т.п. Высокие нагрузки материала сопровождаются у каждой пружины стойкими деформациями, которые влияют на точность хода часов. В отличие от грузов (гирь) здесь приводная сила пружины изменяется также с изменением числа ее витков. Приводная сила после резкого начального падения через несколько часов хода начинает понижаться медленнее и более равномерно, за исключением короткого периода перед тем, как часы останавливаются из-за того, что приводная сила снова начинает быстро понижаться. Эта характеристика относится главным образом к пружинам, изготовляемым в настоящее время. У старых часов кривая приводной силы была еще менее равномерной, поскольку качество и обработка стали были тогда значительно хуже. И, кроме того, сравнительно грубая поверхность пружины, всаженной в неподвижный держатель пружины (барабан), вызывала большое трение и понижала эффективность пружины. Поэтому простейшие старые пружинные часы и не могли обходиться без вспомогательного механизма для выравнивания приводной силы.

Рис. 25. Компенсатор силы заводной пружины «улитка»: 1 — барабан пружины, 2 — завиток, 3 — струна (цепочка), 4 — пружина завитка, 5 — рычаг завитка, 6 — палец завитка

Самым распространенным компенсатором приводной силы пружины была так называемая «улитка» (рис. 25), размещаемая между барабаном пружины и часовым механизмом. Сила привода барабана пружины переносилась на улитку струной из овечьих кишок или тонкой плоской металлической цепочкой, состоящей из многих склепанных звеньев. При заведенной пружине струна обматывала все витки завитка и при разматывании наматывалась на гладкий барабан держателя пружины. Радиус отматывания на улитке постепенно увеличивался по мере уменьшающейся силы пружины, так что конечная приводная сила оставалась примерно одинаковой. Изготовление цепочек к улиткам относилось к самым тонким профессиональным операциям у часовщиков и зачастую поручалось только женщинам. Одна такая цепочка имела от 500 до 800 звеньев. Однако в целом между струнным и цепочечным стабилизаторами не было существенного различия. Вначале струнные стабилизаторы старого типа имели закругленные пазы на завитке, а у цепочечных компенсаторов профиль паза был граненым. Изобретение улитки приписывалось многим часовщикам, в том числе, явно несправедливо, и Якубу Цеху, по всей вероятности, первому чешскому производителю портативных пружинных часов. Однако эта идея безусловно более стара, мы с ней встречаемся, например, у нюрнбергского часовщика Петра Генлейна. По форме улитки можно также приближенно определить возраст тех или иных часов. Ранние конструкции XVI и XVII вв. имели стройные высокие улитки, а по мере уменьшения толщины часового механизма в целом становилась более плоской и улитка и возрастал угол вершины ее конуса. Формы улиток зависели также от качества тогдашних пружин. Пружины дешевых часов XVIII в. не отличались высоким качеством, их приводная сила подвергалась значительным изменениям, и для компенсации этой силы требовалась плоская улитка с большим сужением.

Стабилизаторы силы привода в виде улитки можно найти в старых часах французского, английского и немецкого происхождения. Вероятно, несколько старше другой стабилизатор в виде особого кулачка, который встречается иногда у некоторых немецких карманных и настольных часов. Для компенсации приводной силы здесь достаточна сравнительно малая сила плоской пружины, прижимающей тормозной палец к окружности плоского кулачка, насаженного на вал барабана пружины (здесь тормозной момент действует против приводного момента пружины). Форма кулачка подбиралась так, чтобы равнодействующая приводная сила была постоянной. По сравнению с улиткой кулачок занимал меньше места, а поэтому его применяли прежде всего для карманных часов. Однако в целом он не слишком привился и был вытеснен улиткой и для плоских часов, где она удерживалась примерно до конца XVIII и начала XIX в., когда заканчивавшаяся эра «шпиндлевок» сменялась новыми типами часов с современными спусковыми механизмами. У этих часов с анкерными спусковыми механизмами стабилизаторы силы привода быстро отпадали, они сохранились лишь у морских хронометров.

Однако на работу самой совершенной пружины постоянно влияют некоторые факторы, например потери от трения между витками, которые теперь понижаются путем полирования поверхности пружины и смазкой. Ослабление приводной силы, вызываемое усталостью материала, существенно уменьшали тем, что делали пружины из нержавеющей стали или из особых сплавов. Однако, несмотря на это, каждая пружина в ходе своего разматывания изменяет свою приводную силу. Для устранения этого недостатка применяли несколько способов.

Самый старый способ исходил из стремления исключить в работе пружины ее начальную и конечную фазу, поскольку приводная сила пружины резко падает именно при полной заводке и при окончании завода. Для карманных часов использовали в целях ограничения рабочего диапазона пружины кулачковый механизм. На практике встречались различные кулачковые механизмы, самым известным из которых является мальтийский механизм, далее идут кольцевидные кулачковые механизмы, или же пальцевые. Кулачковые механизмы должны были ограничить натяжение и разматывание пружины до нескольких оборотов вала держателя пружины (как правило, до четырех). Как и улитка, кулачковый механизм сохранился до сих пор лишь в конструкции морских хронометров. При дозаводке цепочка наматывается на последние суженные витки компенсатора до того момента, когда боковая сторона цепочки нажимает на кулачок кулачкового механизма и ставит его на пути пальца на завитке. Кулачковый механизм одновременно сохраняет от разрыва не только саму пружину, но и филигранную цепочку или струну.

У малых карманных часов роль кулачкового механизма позднее взяла на себя реверсивная защелка, которая обеспечивает малое обратное движение пружины и связанное с этим ослабление ее натяжения. Кулачковый механизм и реверсивная защелка защищали пружину от перетяжки. Реверсивная защелка, правда, исключает перетяжку пружины и использование быстро уменьшающейся приводной силы при полностью заведенной пружине, но не мешает тому, чтобы пружина дошла до конца и вызывала замедление хода в последние часы. Этому можно воспрепятствовать только ежедневной регулярной заводкой пружины в одно и то же время, чтобы пружина могла развиваться лишь в оптимальный период своей приводной силы.

Изменчивость приводной силы можно также ограничивать удлинением пружины и увеличением запаса ее энергии. Однако удлинение пружины идет за счет ее толщины. Для тонких пружин требуются также специальные сплавы, лучше выдерживающие нагрузку и усталость. Приводная сила современных пружин несравненно выше, чем у пружин старых часов. Исключительно благоприятные особенности современных пружинных сталей с высоким пределом упругости и особой технологией производства привели к созданию так называемых S-пружин (названных так по их форме в развернутом состоянии), — которые имеют повышенный срок службы и более равномерную приводную силу.