Станислав Михаль - Часы. От гномона до атомных часов

В заключение укажем еще одну форму дуплексного спуска, который в отличие от описанных выше работал с двусторонним импульсом. У этого двухколесного спуска импульсные лыски переносят импульс от зубьев спускового колеса на окружности диска. Зубья звездообразного колеса здесь выполняют роль захватных зубьев.

Многие европейские часовщики второй половины XVIII в. предпочитали применять различные системы свободных спусков, отличных от анкерных. При этом они стремились ограничить время передачи импульса осциллятору до минимума. Под влиянием этих стремлений возникли две весьма многочисленные группы свободных спусков. Спуски первой группы, предназначенные для маятниковых часов, способствовали развитию точных методов измерения времени, а другую группу образуют балансовые спуски, о чем будет говориться далее. Из различия в характере маятникового и балансового осцилляторов ясно видно, что в обеих этих группах часов спусковые механизмы должны были строиться на различных конструктивных решениях.

Рис. 16. Свободный стопорный спусковой механизм Берту

Принцип свободного стопорного спускового механизма для маятниковых осцилляторов весьма стар. Теоретически этот принцип разработал еще Галилей, но осуществлен он был намного позднее. Своим слабым влиянием на точность хода часов он привлек внимание передовых часовых мастеров того времени. Одной из попыток использования этого принципа был спусковой механизм Берту, приведенный на рис. 16. Как и другие стопорные спусковые механизмы, он работал с односторонним импульсом, получаемым при каждом полуколебании. Захват и отпуск спускового колеса осуществляли консоль 1 с грузом и листовая пружина 2, закрепленная на маятнике. Импульс сообщали зубья спускового колеса через импульсную площадку маятника 3. Известно решение и в виде двухколесного спускового механизма Юргенса. У этого спуска зубья большого колеса являются захватными, а зубья внутреннего колеса — импульсными.

Из большого количества спусковых механизмов, основанных на аналогичном принципе, укажем еще на спусковой механизм английского часовщика Томаса Рейда (1750 — 1834) от 1804 г. Он отличался от предшествующих спусковых механизмов помимо прочего тем, что маятник получал импульс при колебаниях в обоих направлениях. Спусковое колесо спуска Рейда имеет две системы зубьев. Очень тонкие боковые зубья в виде шпеньков — зубья импульсные, которые сообщают импульсы анкеру через длинные плечи, заканчивающиеся импульсными площадками. Торцовые остроконечные зубья являются захватывающими. Функциональные схемы этого спускового механизма кажутся простыми, но в действительности трудно настроить обе системы рычагов так, чтобы обеспечить правильную работу спускового механизма.

Дальнейшее стремление к освобождению осциллятора от всех внешних влияний (кроме импульсов, необходимых для сохранения постоянства амплитуды колебаний) привело к созданию свободных спусковых механизмов, сконструированных так, чтобы их осцилляторы могли свободно колебаться в течение большей части периода колебания.

Одной из главных частей таких свободных спусковых механизмов был стопорный механизм, который при отходе осциллятора останавливал спусковое колесо. Первый свободный стопорный спуск для малых часов построил в 1748 г. Пьер Леруа (1717-1785), а в 1766 г. он установил его в морском хронометре.

В начале XVIII в. начал работать над развитием хронометрового спускового механизма английский часовщик Джон Гаррисон (1693-1776). Толчок этому дало английское правительство, которое в 1714 г. объявило премию в 10000 фунтов тому, кто изобретет достаточно точный способ определения географической долготы (с точностью в 1°) при плавании из Англии в Индию. Вознаграждение могло быть повышено до 15000 фунтов в случае снижения погрешности до 40′ и, наконец, до 20 000 фунтов при снижении погрешности до 30′. Напомним, что угол в 1° соответствует 4 мин времени. Главный приз попытался получить именно Гаррисон, бывший столяр из Йоркшира, который работал над решением этой проблемы примерно 40 лет своей жизни. После ряда экспериментов он осуществил в 1764 г. решающее испытание на судне «Тартар», плававшем из Портсмута на Ямайку. Его хронометр №4 допустил за 150 дней плавания ошибку только в 54 с и выполнил поставленное условие для получения главной премии. Однако после долгих проволочек Гаррисон смог получить лишь половину обещанной суммы, поскольку адмиралтейство обусловило выплату остальной части денег достижением одинаковой точности другими такими же хронометрами при других рейсах.

Первые опыты Леруа со свободным хронометровым спусковым механизмом были продолжены также Берту.

Завершению развития хронометрового свободного спускового механизма способствовали во второй половине XVIII в. двое известных английских часовщиков — Джон Арнольд (1744-1799) и Томас Ирншау (1749-1814). В конструкциях свободных стопорных хронометрических спусковых механизмов они создали два основных направления. Первое из них осуществлено прежде всего применительно к морским хронометрам: оно имело неподвижный стопор в виде длинной поверхности на одном конце защемленной пружины, возвращавшейся в первоначальное положение силой собственной упругой деформации. Другое направление отдавало преимущество стопору, возвращаемому спиральной пружиной.

Хотя существует еще целый ряд других хронометровых спусковых механизмов, мы упомянем лишь о двух наиболее важных с исторической точки зрения. Первый из них изготовил Ирншау, а второй, с двойным спусковым колесом, — дело рук известного датского часовщика Урбана Юргенсена (1777-1830), который особо отличался изготовлением хронометров и астрономических часов. Двухколесный хронометрический спусковой механизм Юргенсена отличался большой величиной импульса. Однако, несмотря на хорошие результаты этого изобретения, оно в конечном итоге уступило на практике место более простым одноколесным спусковым механизмам.

Созданию малого, надежного и притом доступного широким слоям общества хронометрического спускового механизма способствовало изобретение, в его первоначальном виде сделанное около 1760 г. учеником Грагама Томасом Мюджем (1715-1794). Анкерный спусковой механизм полностью отличался от хронометрового спускового механизма; он был основан на принципе спокойных маятниковых спусковых механизмов без отхода с той разницей, что баланс двигался свободно и независимо от спуска в течение значительной части времени своего колебания. Свободный анкерный спуск прошел сложный путь развития. Первоначальную идею Мюджа воспринял в 1825 г. Джордж Огюст Лешо (1800-1884) из Женевы. Он изменил форму палет на анкере и превратил первоначальный спуск покоя в свободный. Спуск Мюджа, видоизмененный Лешо, известен теперь под названием «английский свободный анкерный спуск» (рис. 17).

Рис. 17. Свободный анкерный спусковой механизм

Рис. 18. Швейцарский анкерный спусковой механизм

Новым элементом в геометрии этого спуска было введение угла притяжки (рис. 18).

Задача заключалась в том, чтобы давлением спускового колеса прижимало анкерную вилку при свободном движении осциллятора всегда попеременно к одному из упоров 1 или 2. Наличие угла притяжки должно было надежно закреплять анкер в его крайних положениях, но, несмотря на это, анкерная вилка еще была снабжена копьем 3, расположенным между рожками вилки, а баланс — предохранительным роликом 4 над направляющей 5 с импульсным камнем, надетым на вал баланса 6. Ось спускового колеса, анкера и баланса у этого спуска расположены, как правило, на одной прямой; угловое отклонение анкера обычно составляет 10°, амплитуда баланса ±220°. Угол между входом и выходом импульсного цилиндра из сцепления с анкерной вилкой, приведенный к оси баланса, обычно составляет 40°.

Английский свободный анкерный спуск страдал некоторыми недостатками, например сравнительно большим скачком спускового колеса, что сопровождалось большой потерей энергии. Поэтому позднее перешли к более совершенному швейцарскому анкерному спуску со скошенными зубьями на спусковом колесе 7. Новый профиль зубьев спускового колеса изменил характер импульса так, что часть импульса стала передаваться со спускового колеса по палетам анкера. Это изменение дало возможность использовать определенную часть зуба для импульса, что существенно улучшило энергетический баланс спуска.

Следовательно, у этого спуска возникает импульс сначала на передней грани зуба спускового колеса, а затем на задней грани палеты анкера. Анкерная вилка современного, теперь повсеместно признаваемого спускового механизма имеет в большинстве случаев несимметричную форму. Это нужно для того, чтобы поверхности захвата обеих палет были одинаково удалены от оси вилки и чтобы, моменты притяжки были одинаковыми в обоих крайних положениях. Выполнение этого условия выгодно даже в том случае, если это идет за счет различия в величине импульсов при колебаниях в разных направлениях. Теперь синтетический рубин заменил прежние стальные палеты и импульсный штифт. Рубиновые палеты в анкере и импульсный камень всажены в вырезах и приклеены шеллаком. Спусковой механизм с рубиновыми камнями имеет значительно более низкие пассивные сопротивления и лишь незначительный износ рабочих поверхностей.