Станислав Михаль - Часы. От гномона до атомных часов

Рис. 29. Амортизатор ударов — система «Инкаблок»

Цилиндрическая форма цапфы баланса стала преобладать как более выгодная, цапфа редко ломалась, в то время как у малых часов с другими формами цапф, например коническими, цапфы ломались чаще всего. Для наг ручных часов, подвергавшихся сотрясениям и ударам, требовалось понизить опасность такого повреждения до минимума. Часовщики боролись с этим, применяя различные амортизаторы ударов, задачей которых было обеспечение надежной посадки вала баланса. На рис. 29 показана работа наиболее часто применяемой теперь конструкции камневых опор часового баланса с амортизатором системы «Инкаблок». Амортизатор позволяет валу баланса вместе с подшипниковым камнем совершать небольшое боковое смещение в направлении удара, при котором утолщенная часть оси баланса упирается, после чего баланс снова возвращается в свое первоначальное положение.

В производстве опор теперь уже не используются натуральные камни; камни изготовляют из синтетического корунда с помощью сложных технологических процессов, а в последнее время — и с помощью лазерной техники. Наручные часы среднего качества имеют 15 камней: два камня палетных, один камень импульсный на импульсном ролике баланса, два сквозных камня с отверстиями для оси баланса и углублением в форме маслины для масла, а также два опорных камня-подпятника для оси баланса. Анкер, спусковое секундное и промежуточное колесо также имеют по два сквозных камня с цилиндрическим отверстием. Все эти камни также имеют масляные чашечки. Дорогие и более точные часы имеют по 17, 21 и больше камней. Прекрасные швейцарские хронометры 80-х годов прошлого века имели до 32 камней.

Опорные камни запрессовываются непосредственно в углубления, имеющиеся в основании. Раньше их всаживали в граненые малые металлические круглые втулки — бушоны, которые, в свою очередь, запрессовывали или привинчивали к основаниям (такой способ иногда называют ливерпульским способом крепления опорных камней).

Опорные камни в часах бывали не раз предметом торговых спекуляций. Многие коллекционеры карманных часов могут убедиться, что данные о количестве опорных камней, указанные изготовителем этих часов, зачастую неправильны. Не один часовой завод обманывал своих заказчиков тем, что монтировал опорные камни лишь на видных местах в нижнем основании, надеясь на то, что покупатель не заметит этого подвоха. Весьма часто мы встречаемся с этим явлением у часов американского происхождения, изготовленных в конце прошлого и начале нашего века.

Обработка опорных камней всегда считалась очень сложным делом, а потому часы с камневыми опорами ценились очень высоко[14]. И чешское часовое производство, которое раньше судьба не баловала, сохранялось в этом отношении на одном уровне с европейским часовым производством благодаря отдельным лицам. В этом имел большую заслугу прежде всего чешский часовщик и конструктор астрономических часов Йозеф Коссек (1780-1858), о котором в отчете от 1829 г. говорится, что он «был первым в Чехии, кто обеспечил для своих часов большое превосходство тем, что он использовал для них опоры из самых твердых камней, которые он обрабатывал на сверлильном и полировальном станках, к тому же сконструированных им самим».

Период колебании часового осциллятора обусловлен прежде всего его размерами. Если продолжительность колебания маятника не зависит от его веса, то для баланса продолжительность колебания в существенной степени зависит от материала, причем не только баланса, но и волоска.

Величина полупериода (продолжительность полуколебания) маятника определяется его длиной по формуле:

где T — полупериод (продолжительность полуколебания) маятника;

lr — приведенная длина маятника;

g — ускорение силы тяжести.

Расчетом можно установить, что приведенная длина секундного маятника для нашей географической широты равна 99,4 см, а полусекундного — 24,9 см.

Период полуколебания баланса обусловлен его размерами и вращающим моментом волоска. Для точного регулирования хода служит так называемый градусник, регулировочная стрелка которого закреплена подвижно на мосту баланса. Ее хвостовик с замком, охватывающим волосок на его последнем внешнем витке вблизи колодки, при повороте стрелки изменяет рабочую длину, а с ней и вращающий момент волоска. В большинстве случаев смещение регулировочной стрелки на одно деление шкалы изменяет суточный ход часов примерно на 2 мин. У старых пружинных часов с балансовым осциллятором без волоска ход регулировался только изменением силы приводной пружины. Для этого на крышке барабана пружины был специальный храповик с защелкой. У часов с балансом фолио его амплитуда задавалась щетинными упорами, закрепленными на неподвижной и регулируемой консолях. Карманные часы XVIII в. со шпиндельным спуском имели специфический так называемый регулятор Томпиона, который, как и градусник с регулировочной стрелкой, изменял рабочую длину волоска.

Количество полуколебаний баланса различается в зависимости от типа часов, их величины и исполнения. Нижний предел этого количества начинается с трех полуколебаний в секунду у больших часов, например у будильников. Морские хронометры с четырьмя полуколебаниями в секунду также относятся к группе часов с низкой частотой осциллятора. Продолжительность колебания карманных часов около 1/5 с, а наручных — колеблется в пределах от 1/5 до 1/6 с[15].

Венцы балансов некоторых карманных и наручных часов имеют на окружности маленькие регулировочные винтики. Изменением их положения на венце выравнивается ход часов, прежде всего различия в частоте при горизонтальном и вертикальном положении баланса, вызываемые изменением трения цапф.

О некоторых причинах различной длительности полуколебаний мы уже упоминали при описании спусковых механизмов. Наряду с колебаниями ведущей силы, чувствительными прежде всего у точных часов, и различными побочными явлениями, вызываемыми изменениями смазочных свойств стареющего масла и т.п., на ход часов влияет и изменение температуры и давления воздуха. При изменении температуры вещества изменяют свой объем, причем изменяются их механические свойства, что особенно важно для подвесных пружин маятника и волосков. О том, что в часовом деле нельзя пренебрегать тепловым расширением, свидетельствует то обстоятельство, что однопроцентное изменение в длине маятника изменяет суточный ход часов на целые 432 с.

Сравнительно хорошие результаты давали в этом отношении маятники из высохшей еловой древесины, температурная погрешность которых колебалась в пределах 1/5 с в день на 1°C. Для астрономических измерений такая степень точности, само собой разумеется, недостаточна, поэтому пришли к идее создания компенсационных элементов. Принцип всех температурных компенсаторов маятников заключался в сохранении постоянства расстояния между центром тяжести и точкой подвески маятника. В 1720 г. эту проблему вполне успешно решил Грагам с помощью ртути, заполняющей частично пространство линзы маятника. Температурная погрешность его маятника упала до 0,001 с/сутки на 1°C.

Большой интерес у часовщиков вызвали биметаллические решетчатые маятники, составленные из двух систем стальных и латунных стержней. Одна система была жестко соединена с подвеской маятника, а другая — с его линзой. При выборе размеров необходимо было учитывать различные коэффициенты температурного расширения обоих металлов так, чтобы и при большом изменении температур длина маятника от точки подвеса до центра линзы оставалась неизменной. Интересно решенные решетчатые маятники создали Гаррисон, Юргенсен, Берту, Леруа, Депарсье, Троугтон и многие другие (некоторые их конструкции показаны на рис. 30).

Рис. 30. Маятник с биметаллической компенсацией температурной погрешности

Первым чешским часовщиком, производившим температурно-компенсированные маятники собственной конструкции, был опять-таки Йозеф Коссек, которым были созданы некоторые весьма интересные конструкции ртутных и биметаллических компенсаторов. И известная пражская мастерская Вилленбахера и Ржебичека, основанная в первой половине прошлого века, конструировала собственные типы биметаллических маятников.

Шарль Эдуард Гильом (1861-1938) исследовал свойства ферроникелевых сплавов и нашел сплав с содержанием 36% никеля, известный под названием «инвар» (от французского слова invariable), не только стойкий к коррозии, но и обладающий самым малым коэффициентом температурного расширения. В 1897 г. Тюри использовал инвар Шарля Эдуарда Гильома для создания маятников, а через три года стал монтировать инварные маятники у своих часов для астрономических измерений времени мюнхенец Рифлер. С того времени происходят и первые кварцевые маятники венского конструктора точных часов Карла Сатори, стабильность длины которых была еще на 60% больше, чем у инварных.