ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

Галилео Галилей

полненню модели, и только в апреле 1649 г. он стал работать над ее созданием согласно концепции своего отца, сообщенной ему в моем присутствии... Винченцо Галилей нанял молодого слесаря, который имел некоторый опыт в создании больших стенных часов. Он заставил его делать железную раму, колеса и их оси и оборотные колеса, но без нарезания зубцов. Всю остальную работу по изготовлению часов Винченцо выполнил собственными руками» [272, т. 19, 655].

«Винченцо не раз демонстрировал,—свидетельствует Вивиани,— мне механизм часов, заключенный между грузом и маят­ ником, как знакомому с существом изобретения Галилея» и мо­ гущему, добавим мы, помочь ему советами и по достоинству оце­ нить его работу.

Винченцо не надолго пережил отца: он скончался 16 мая 1649 г от острого припадка нервно-психического заболевания. В бреду он уничтожил большое количество часов, или, по словам Вивиани, «остановил их ход навечно»; по-видимому, пострадала и модель маятниковых часов, созданная его руками, но она не была полностью разрушена. В инвентарной описи, выполненной

Рис. 124. Модель маятниковых часов Галилея

Рис. 125. Спусковой регулятор (ход), приме­ ненный в маятниковых часах Галилея

1 — стержень маятника; 2 — изогнутая пружина; 3 — пружина, связанная с осью маятника: 4 — возвратная пружина покоя

вдовой Галилея, которая умерла в 1669 г., имеется запись: «Же­ лезные часы с маятником незаконченные, впервые изобретенные Галилеем». Вот что осталось от трудов Винченцо и что пережило Галилеев — отца и сына —это чертежи конструкции их маят­ никовых часов.

Изобретение Галилеем маятниковых часов держалось в стро­ гой тайне, о нем даже не сообщалось в биографии Галилея, на­ писанной Вивиани. Последний счел возможным сообщить об этом изобретении лишь после того, как стало известно об изобретении маятниковых часов Христианом Гюйгенсом. Тогда по сохранив­ шимся чертежам была изготовлена для принца Леопольда Тос­ канского модель часов Галилея. Одна модель маятниковых часов Галилея хранится в Лондонском научном музее [157, 98].

На развитие часов проект Галилея оказал мало влияния, так как не был осуществлен в действующей конструкции. Тем не менее идея, заложенная в основу их устройства, была весьма прогрессивной.

Маятник представлял собой железный стержень с грузом на нем в виде свинцового шара, положение которого можно было регулировать передвиже­ нием его по стержню маятника (рис. 124). На валу нижнего колеса намотан шнур с висящим на нем грузом (на рисунке не показан). Движение передается промежуточному колесу, приводящему во вращение ходовое колесо. Последнее насажено на верхнюю ось и снабжено заостренными зубцами, а сбоку по ок­ ружности — штифтами, размещенными на одинаковых расстояниях. Ходовое, или храповое, колесо периодически вступает в контакт с маятником посред-

ством спускового механизма, изобретенного Галилеем. Поскольку спусковой механизм обеспечивал свободное колебание маятника и подачу ему односто­ роннего импульса, то он может быть отнесен к свободному ходу, который, по замечанию Ф. Рело, в XVIII в. вновь был изобретен и применен для хрономет­ ров [83, 513—514].

Взаимодействие ходового колеса со спусковым механизмом и с маятником (рис. 125) осуществляется с помощью двух скобок (3, 2), сидящих на оси маятника одна под другой, и, кроме того, изогнутой пружинки 4, выполняю­ щей роль собачки, захватывающей периодически заостренный зуб ходового колеса. При колебании маятника влево верхняя скоба 3, выполняющая роль задвижки, снимет изогнутую пружинку 4 с заостренного зубца ходового ко­ леса. Тогда скоба 2 перехватывает штифт сбоку колеса и ставит его на покой. При движении маятника вправо, когда он достигает среднего положения, скоба 2 отходит от штифта; тогда от поворота ходового колеса, снова пришед­ шего во вращение, маятник получает импульс для поддержания колебания. Поворот ходового колеса совершается только на один зуб, так как верхняя скоба 3, отойдя вместе с маятником вправо, не будет поддерживать изогнутую пружину 4 и она, спустившись, захватывает следующий зуб. Таким образом, маятник при каждом полном колебании один раз освобождает ходовое колесо и получает односторонний импульс. В данном случае спусковое устройство и ходовое колесо играют по отношению к маятнику чисто служебную роль и самостоятельно (без маятника), в отличие от шпиндельного хода, функциони­ ровать не могут.

Маятниковые часы Гюйгенса и теория их устройства

Христиан Гюйгенс (1629—1695) —великий голландский матема­ тик, физик и астроном XVII в. Он не только продолжил исследо­ вания, начатые Галилеем, но и положил начало развитию новой области механики—динамики системы материальных точек твердого тела в результате исследования физического маятника и конструирования часов с обыкновенным, циклоидальным и ко­ ническим маятниками.

Центральное место в творчестве Гюйгенса занимает мемуар «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium»), изданный в 1673 г. в Париже. Этот труд выходит далеко за пределы, очер­ ченные названием. В нем, кроме описания конструкции изобре­ тенных Гюйгенсом часов с обыкновенным, циклоидальным и ко­ ническим маятниками, впервые рассматриваются: учение о центре колебаний физических тел; определение ускорения силы тяжести g посредством наблюдения колебания маятника; пред­ ложение о применении длины секундного маятника в качестве единицы длины; теория центробежной силы; механические и гео­ метрические свойства циклоиды; учение об эволютах и эволь­ вентах. Исследования в области физико-математических наук осуществлялись Гюйгенсом на более широкой, чем у Галилея, основе и касались более сложных научных и технических про­ блем.

Своими трудами по хронометрии Гюйгенс внес огромный вклад в науку и технику. С них, как и с трудов Галилея, соб­ ственно, и начинается новая история часов — развитие класси­ ческой колебательной хронометрии. До того часы были мало на­ дежны, а применявшийся в них регулятор хода фолио только задерживал развитие хронометрии. После Гюйгенса часы стали более надежным механизмом, основанным на выводах науки и служащим ей.

В 1658 г. в Гааге появилась брошюра Гюйгенса «Часы» («Ноrologium»), где было приведено описание его первых часов с простым маятником. После выхода брошюры ряд лиц выступил с опровержением приоритета Гюйгенса в изобретении маятни­ ковых часов и со ссылками на свои более ранние изобретения или изобретения других лиц.

О часах Гюйгенса в октябре 1658 г. узнал герцог Леопольд Тосканский и в марте следующего года написал письмо париж­ скому астроному Буйо, где восстанавливал приоритет Галилея, а в августе переслал ему копию письма Вивиани, поступившего от последнего на его имя 20 августа 1659 г. Содержание этого письма приведено выше. К письму приложен чертеж конструк­ ции часов Галилея. Этот чертеж Альбери поместил в прибавле­ ниях к новому флорентийскому изданию сочинений Галилея. По вопросу о приоритете Галилея у Буйо с Гюйгенсом была пере­ писка. В письме от 2 мая 1659 г. Буйо информировал Леопольда, что Гюйгенс не знал об изобретении Галилеем маятника как регулятора хода часов и что после того, как он узнал об этом из его, Буйо, письма, он более не считает себя единственным изо­ бретателем маятниковых часов и не может приписать себе всю славу этого изобретения. Но считает, что он достоин похвалы уже за то, что пришел к той же идее, что и Галилей, хотя руко­ водствовался только своим собственным умом и ничем другим. В 1660 г. Буйо прислал Гюйгенсу чертеж часов Галилея. В ответ Гюйгенс писал: «Вы доставили мне большое удовольствие, пере­ слав мне чертеж часов, начатых Галилеем. Я вижу, что они име­ ют маятник... но он применен не так, как у меня. Во-первых, вместо того чтобы использовать ходовое колесо, именуемое ко­ ронным колесом, он (Галилей.— В. П.) заменил его значительно более сложным изобретением, во-вторых, он подвешивает маят­ ник не на нитке или узкой ленте, так что весь его груз покоится на шпинделе, который приводит его в движение» [297, 138]. Устройство часов Галилея Гюйгенс находил замечательным и воздавал должное таланту Галилея.

Гюйгенс, несомненно, начал заниматься проблемой создания маятниковых часов, не зная о достижениях Галилея в этом во­ просе, а также о предложении, сделанном им в 1636 г. Генераль­ ным Штатам, применить маятниковые часы для определения долготы. Для этого утверждения сейчас имеются достаточные основания. Хотя устройство маятниковых часов Галилея, особен­ но регулирующее их устройство, было намного лучше, чем часов

Гюйгенса, однако значение и важность изобретения Галилея долгое время оставалось неизвестным. Преждевременная смерть сына Галилея Винченцо помешала довести до конца дело созда­ ния часов, Вивиани же, по-видимому, не понял важности мысли Галилея, иначе он не стал бы дожидаться обнародывания изо­ бретения Гюйгенса.

«За Гюйгенсом,— отмечает Розенбергер,— во всяком случае остается слава независимого вторичного изобретения (достовер­ но известно, что он не знал о последнем плане Галилея, не знал, вероятно, и об его счетчике) и заслуга первого целесообразного и легко выполнимого устройства часов с маятником, дававшего возможность легко переделывать всякие старые часы на новые» [19,188],

Кроме Галилея, как изобретателя маятниковых часов еще до Гюйгенса, указывали на Иоста Бюрги. Именно его называет Вольф в своей истории астрономии. Однако тщательная провер­ ка фактов, проведенная Герландом, показала неосновательность подобного утверждения. В числе тех, кто приписывал себе изо­ бретение маятниковых часов более совершенной конструкции, чем часы Гюйгенса, был и Роберт Гук. Но кто бы ни был первым изобретателем маятниковых часов, ясно, что маятник в качестве регулятора хода часов стал входить в широкое применение толь­ ко после появления трудов Гюйгенса «Часы» [266] и особенно «Маятниковые часы» [267].

Если в ранней работе Гюйгенса содержится в основном толь­ ко описание первых маятниковых часов, то в последующей дает­ ся и их теория, которая в принципе остается без изменения до сих пор. Эта теория оказалась способной служить рациональной основой для последующего конструирования маятниковых часов.

Работа Гюйгенса над часами с простым, циклоидальным и коническим маятниками. В брошюре «Часы» приведены чертежи (рис. 126) изобретенных Гюйгенсом маятниковых часов и дано их описание. Здесь речь идет о применении в часах маятника, колеблющегося по круглой дуге в пределах лишь нескольких градусов. Чтобы обеспечить это условие при наличии шпиндель­ ного хода, была применена зубчатая передача между маятником и ходовым колесом. Она выполняла функцию редуктора с соот­ ношением 3:1. Коронное ходовое колесо имело вертикальное расположение, которое в устройстве позднейших часов было за­ менено горизонтальным расположением. Это мы видим уже в часах, изготовленных Соломоном Костером (рис. 127). Гюйгенс отказался как от вертикального расположения коронного ходо­ вого колеса, так и от применения редуктора. Вместо этого были применены металлические щеки особого устройства, которые по замыслу создателей этих часов должны были обеспечить изо­ хронное колебание маятника по круговой дуге при любом изме­ нении амплитуду.

Рис. 126. Маятниковые часы Гюйгенса 1658 г.

Рис. 127. Маятниковые часы, изготовленные Костером по проекту Гюйгенса

При создании часов Гюйгенсу было известно, что колебание маятника с увеличением его амплитуды становится неизохрон­ ным и что при применении в маятниковых часах шпиндельного хода получение изохронного колебания маятника или колебания его по круговой дуге в пределах только нескольких градусов является задачей технически трудно разрешимой.

В маятниковых часах со шпиндельным ходом, какими были часы Гюйгенса (см. рис. 126), практически почти невозможно-

циклоидально изогнутые металлические щеки (рис. 129) таким образом, чтобы при его качании нити ложились по этим кривым поверхностям. Тогда, действительно, описывая циклоиду, маят­ ник мог иметь равномерный ход при любом изменении ампли­ туды. Для построения циклоидальных щек Гюйгенс изобрел шаблон, пользуясь разработанной им теорией эволюты и эволь­ венты.

В первых часах с циклоидальным маятником, изготовленных Костером, когда еще не было такого шаблона, Гюйгенс находил кривые, соответствующие циклоиде, опытным путем. Часы, снаб­ женные циклоидальным маятником, имеющие большую ампли­ туду, Гюйгенс считал наиболее пригодными для мореходства. Они, по его мнению, менее подвержены влиянию корабельной качки, чем маятниковые часы с малой амплитудой.

Описание часов с циклоидальным маятником (рис. 130) дано Гюйгенсом в мемуаре «Маятниковые часы». Их маятник состоял из металлического стержня с тяжелой сферой X и движком А для регулирования периода колебаний. Стержень маятника был подвешен на нитях между двух направляющих в виде изогнутых пластинок (щек).

Часы Гюйгенса представляли собой соединение маятника со старым шпиндельным ходом, т. е. с механизмом, способным функционировать и без маятника. Маятник как бы подвешен уже на готовый механизм. В отличие от устройства шпиндельного хода, применявшегося в догюйгенсовых часах, в часах Гюйгенса шпиндель и ходовое колесо смонтированы на взаимно перпен­ дикулярных осях, т. е. шпиндель расположен горизонтально, а ходовое колесо — вертикально.

Маятник совершал колебания под действием вилки S, соеди­ ненной с горизонтальным шпинделем М. На оси этого шпинделя имелись палеты LL, которые могли попадать в промежуток меж­ ду зубьями колеса К. Это ходовое колесо было связано посред­ ством зубчатой передачи с источником энергии (с потенциаль­ ной энергией поднятой гири, подвешенной на конце шнура, обер­ нутой вокруг оси D). Маятник при каждом своем колебании мог освобождать ходовое колесо К и одновременно получать им­ пульс от него. Маятник сам определял момент, когда требуется доставка энергии для получения импульса, и в этом заключается сущность обратной связи, которая впервые появилась в часах из-за применения маятника. Благодаря этому часы Гюйгенса обладали собственным периодом колебания в отличие от догюй­ генсовых часов.

Ход часов Гюйгенса был несвободным, так как маятник нахо­ дился в постоянной кинематической связи с ходовым колесом. При несвободном ходе маятник мог получать неравномернее по силе толчки. В этом недостаток шпиндельного хода, применен­ ного в маятниковых часах Гюйгенса. Труды Гюйгенса по теории циклоидального маятника имели значение не столько в области Хронометрии, сколько для разработки в механике вопросов ди-

Христиан Гюйгенс

намики. Для создания точного хода маятников решающее зна­ чение имело не применение циклоидальных щек, а применение анкерного хода, обеспечивавшего колебание маятника по корот­ кой дуге. После Гюйгенса циклоидальный маятник не стал при­ меняться в хронометрии.

У циклоидального маятника имелись недостатки, которые превышали его достоинства: щекам трудно придать точную кри­ визну циклоиды; нити вследствие жесткости не вполне приле­ гают к щекам, так что центр тяжести маятника не движется по циклоиде. Отрицательное влияние оказывают также оседание на нитях пыли, влажность и, наконец, сопротивление воздуха.

После введения анкерного хода в маятниковых часах сама собой отпала необходимость использования циклоидальных щек. Они в этом случае являются лишним усложнением конст­ рукции часов.

Задачу о движении математического маятника Гюйгенс ре­ шил для того, чтобы перейти к более сложной задаче — к изу­ чению физического маятника. При этом требовалось рассмат-

Рис. 128. Колебание маятника по циклоидальной кривой

ривать маятник не как математическую точку, подвешенную на невесомой нити, а как систему материальных точек твердого тела.

Исследуя колебание физического маятника, Гюйгенс пришел к выводу, что его центр качания не может быть математически строго определен, если неизвестен закон, по которому отдель­ ные его части, испытывая действие силы тяжести, взаимно из­ меняют свое движение в каждое мгновение. Этот закон можно сформулировать так: центр тяжести масс, входящих в состав маятника, при качании его не может подняться ни выше, ни ниже, чем та высота, с которой он спустился, все равно, будут ли эти массы связаны между собой или свободны.

Этот принцип Гюйгенс называл «великим принципом меха­ ники». В настоящее время он может быть понят и истолкован с