ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

часов, благодаря чему английские часы приобрели мировую славу. Многие часовщики, особенно Томас Томлион и Георг Грагам, уже при жизни пользовались большой -известностью, состоя­ ли членами Королевского общества.

Томас Томпион (1638—1713), которого по справедливости счита­ ют «отцом» английского часостроения, использовал анкерный ход для устройства двух своих маятниковых часов, предназна­ ченных для королевской обсерватории, открытой в 1676 г. в Гринвиче. Они имели маятник длиной около 4 м, а период коле­

Анкерный ход, который был применен в часах Клемента, известен также под названием крючкового хода (рис. 135). Здесь ходовое колесо 1 приняло уже современную форму с зубцами, расположенными по направлению радиу­ сов. Эти зубцы ограничены с одной стороны радиальной плоскостью, а с дру­ гой — слегка вогнутой поверхностью, с тем чтобы при работе хода зубец мог действовать лишь своим острым концом, не касаясь якоря другими частями. Шпиндель с палетами заменен в крючковом ходе Клемента якорем 2, жестко посаженным на ось вилки маятника и взаимодействующим с зубцами ходового колеса. По форме якорь напоминает скобу с плечами, оканчивающимися двумя наклонными плоскостями (3 и 4), у которых на концах имеются импульсные поверхности, или палеты, с которыми зубцы ходового колеса могут вступать в контакт. Палеты по их положению относительно ходового колеса называются входной (3) и выходной (4). Действие крючкового хода на колебание маятни­ ка обусловливалось двумя движениями — вращательным движением ходового колеса и колебательным движением якоря, вызываемым действием маятника. Поскольку якорь имеет форму скобы и состоит из цельного куска, то при ото­ двигании одного его плеча от ходового колеса другое, противоположное, при­ ближается к ходовому колесу. Вследствие этого концы якоря, или палеты, могли попеременно входить в контакт с зубцами ходового колеса и прерывать его движение.

На рис. 136 показано взаимное расположение палет и зубцов ходового колеса при действии крючкового хода и маятника. Положение хода 1 со­ ответствует такому моменту его работы, когда зуб ходового колеса только что упал на входную палету а. В этот момент маятник начинает свое допол­ нительное колебание, а при продолжении его увлекает за собой якорь, кото­ рый затем поворачивается вокруг своего центра качания на определенный угол. Зуб ходового колеса будет при этом скользить по палете, преодолевая трение (положение 2). Ходовое колесо при этом слегка повернется назад. От­ ход назад произойдет потому, что так называемая поверхность покоя палеты ограничена дугой, центр которой не совпадает с осью вращения якоря. Когда маятник начнет свое колебание налево, зуб будет перемещаться с поверхно­ сти покоя на поверхность импульса и вместе с тем начнется постепенное осво-

вождение палеты из-под зуба, так как якорь выталкивается кверху (положе­ ние 3). Этим самым маятнику сообщается импульс, который будет продол­ жаться до тех пор, пока зуб не спадет с входной палеты а. После этого колесо свободно и быстро повернется на небольшой угол, пока зуб его не упадет на выходную палету и (положение 4), и на ней повторится весь цикл аналогично описанному выше процессу на входной палете а.

Поднимаясь то одним, то другим плечом, якорь позволяет ходовому колесу подвигаться вперед на !/2 зуба, а за весь период колебания маятника — на 1 зуб.

Изобретение крючкового хода дало возможность, во-первых, применять более тяжелый и длинный маятник, чем при шпин­ дельном ходе при той же самой силе завода, и, во-вторых, яви­ лась возможность значительно уменьшить амплитуду колебания маятника без применения каких-либо дополнительных средств. Другой крупной заслугой Клемента следует считать изобретение пендельфедера со стальной пружиной взамен шелкового подве­ са. Часы, снабженные крючковым ходом и пендельфедером, имели очень хороший ход по сравнению со шпиндельным ходом.

После Клемента крючковый ход получил применение также в часах с коротким маятником и со сравнительно большой амп­ литудой (порядка 10—15°). При такой амплитуде неизохронно­ сти маятника получаются уже довольно большие погрешности хода часов и крючковый ход в значительной мере их исправ­ ляет.

Анкерный ход Грагама для маятниковых часов. Для весьма точных маятниковых часов нельзя допускать отхода назад ходо­ вого колеса. Этому требованию соответствует улучшенный ан­ керный ход, изобретенный в Лондоне в 1715 г. учеником Томпио- на-— Георгом Грагамом (1678-—1751). Изобретение этого хода отмечает весьма важный шаг в развитии хронометрии: благода­ ря ему было достигнуто не только устранение отхода назад ходового колеса, но и последующее уменьшение амплитуды колебания маятника и ненужных сопротивлений. Исключитель­ но высоким часовым мастерством Грагама были созданы часы с точностью хода 0,1 с. В течение почти двух столетий после Гра­ гама его ход остался лучшим и применялся для создания астро­ номических часов, т. е. часов, используемых в астрономических обсерваториях, пока в 1890 г. не появились часы Рифлера почти со свободным ходом.

С момента своего появления ход Грагама подвергался раз­ личным изменениям, нашедшим конкретное выражение в моди­ фикациях знаменитого Томаса Ирншау (ок. 1790 г.), Вениамина Льюиса Виллиама (ок. 1820 г.), Чарльза Фродшама (ок. 1860 г.), Роберта Гарднера (начало XX в.). В XIX в. в Англии лучшие маятниковые часы изготовлялись с ходом Грагама. На континен-

те Европы и в России с ходом Грагама изготовлялись лучшие маятниковые часы с температурной компенсацией, которые чаще всего были известны под названием «регулятора». Еще до сих пор ход Грагама используется в малого размера башенных ча­ сах; если часы с этим ходом изготовлены хорошо, то обеспечи­ вается большое постоянство их хода в течение продолжительно­ го времени.

Анкерный ход Грагама (рис. 139) внешне мало чем отличается от крючко­ вого, или возвратного, хода Клемента. Маятник при помощи вилки соединяется с якорем В, который в ходе Грагама состоит также из двух плеч и имеет две палеты — входную и выходную. На входной палете имеется плоскость наруж­ ного покоя F1 и импульсная наклонная плоскость S1 а на выходной — внут­ ренняя плоскость покоя F2 и импульсная наклонная плоскость S2, которые яв­ ляются рабочими поверхностями палет. Плоскости покоя имеют цилиндриче­ скую форму и описаны из В, как из центра; центр поверхности покоя одно­ временно является центром вращения якоря, или анкера. Центр якоря легко определяется по касательным линиям Т1и Т2, отсюда получается расстояние между центром анкера и ходового колеса как равное 1,4 радиуса ходового ко­ леса. Импульсные поверхности S1 и S2 с радиусами Rt и R2 образуют угол в 60°. Линии, проходящие из В через центр поверхности покоя с Т1 и Т2, долж­ ны составлять угол 2°; эти касательные линии граничат с плоскостями S1 и S2.

Палеты взаимодействуют с зубцами ходового колеса, которое имеет 30 зубцов, как и в ходе Клемента; одна четверть из этого числа зубцов охваты­ вается анкером. Зубцы ходового колеса с той стороны, с которой концы их подрезаны с уклоном 6°, при работе механизма скользят по рабочим поверх­ ностям палет передними кромками, в то время как анкер, связанный вилкой с маятником, совершает колебания вокруг своей оси в такт с колебаниями маят­ ника. Зубцы ходового колеса падают сначала на поверхности покоя (F1 и F2). Импульс передается на поверхности S1и S2. В часах Грагама колебания маят­ ника совершаются при малой дуге, или размахе, потому угол подъема анкера не должен составлять более 2°, а лучше 1,5°.

Благодаря применению в ходе Грагама таких форм палет, где рабочая поверхность разделена на поверхность (плоскость) покоя и поверхность им­ пульса, ходовое колесо после передачи импульса маятнику ложится на поверх­ ность покоя, или, что то же, его зубцы спадают на так называемый покой, а не на наклонные поверхности палет, как в возвратном, или крючковом, ходе Кле­ мента. Зуб ходового колеса, лежащий на поверхности покоя входной или вы­ ходной палеты, передает на ось анкера тормозной момент, пропорциональ­ ный моменту на оси ходового колеса.

Для того чтобы подробно рассмотреть действие хода Грагама, предполо­ жим, что на входную палету А упал кончик зуба а (рис. 140), а анкер под воздействием маятника продолжает движение против часовой стрелки. Маят­ ник (положение 1) описывает дополнительную дугу и, дойдя до конца ее, поворачивает обратно. В этот момент зуб скользит по поверхности покоя, проходя сперва дополнительный угол, а затем угол покоя до грани палеты, где начинается передача импульса. Она начинается после того, как анкер, из­ менив свое направление, перейдет на плоскость импульса и зуб будет толкать его вверх (по часовой стрелке). Импульс передается маятнику во время сколь-

жения зуба по плоскости импульсной палеты. За время передачи импульса анкер поворачивается на угол 1020', а ходовое колесо — на 3°. Весьма важно понять, что в ходе Клемента подача импульса начинается сразу после отхода назад ходового колеса, в ходе Грагама импульс происходит только тогда, ког­ да зуб совершает путь вдоль импульсной поверхности той или иной палеты.

Сообщив импульс маятнику, зуб соскакивает с входной палеты, и ходовое колесо, будучи свободным, стремится вращаться по часовой стрелке. Это вра­ щение продолжается до тех пор, пока стоящий на очереди у выходной пале­ ты В зуб d не упадет на поверхность покоя (положение 2).

Угол, на который ходовое колесо повернулось после окончания импульса до момента падения очередного зуба на поверхность покоя выходной палеты, называется углом падения. Этот угол должен быть по возможности малым во избежание бесполезной траты энергии завода. Однако при грубом изготовле­ нии хода приходится допускать несколько больший угол, так как при малей­ шей неточности в изготовлении ходового колеса и якоря может быть закли­ нивание хода.

С момента соприкосновения зуба d с поверхностью покоя выходной пале­ ты повторяется тот же процесс, который имел место на выходной палете, т. е. скольжение вершины зуба по поверхности покоя, а при перемене анкером на­ правления движения возникает импульс на выходной4 палете (положение 3). После того как зуб d соскочит с выходной палеты, зуб а падает на поверх­ ность покоя входной палеты. За полный период колебания маятника, т. е. за цикл работы регулятора, ходовое колесо повернется на один зуб.

Подводя итоги, можно сказать, что действие анкерного хода Грагама со­ стоит из падения-покоя-импульса на одной палете, а затем — на другой и т. д. Поскольку между запирающей поверхностью покоя и кончиком зуба происхо­ дит трение, то ход Грагама считают ходом трения на покое.

Общей чертой конструкции часов Гюйгенса и ходов Клемента и Грагама является постоянное взаимодействие ходового колеса с маятником, за исклю­ чением тех малых промежутков времени, соответствующих «падению» ходо­

на ходовом колесе. Перечисленные конструкции, представляющие собой после­ довательные модификации часов Гюйгенса, объединяются в группу несвобод­ ных часовых ходов и имеют своим предшественником часы Гюйгенса.

Другим замечательным изобретением Грагама в области часового дела является ртутный компенсационный маятник (рис. 1.41). Он стал известен после доклада Грагама в Королевском обществе в 1726 г., хотя эксперименты с ним начались на девять лет раньше. Маятник состоит из тонкого стержня, к нижнему концу которого подвешена подставка, на которой удерживается сосуд, наполненный до известной высоты ртутью. Стержень маятника и оба боковых стержня — из стали. Когда температура повышается, все три стержня удлиняются — маятник становится длиннее. Одновременно с этим находящая­ ся в сосуде ртуть (ее способность расширяться по крайней мере в 10 раз больше, чем у стали) расширяется и подымает центр тяжести ртутного столба. Высота уровня ртути в стакане и размеры прочих частей маятника подбирают­ ся так, чтобы несмотря на изменение температуры математическая длина маятника оставалась постоянной.

Георг Грагам

Этот компенсационный маятник при одном и том же принципе устройства может иметь различное конструктивное выполнение.

Прежде чем Грагам пришел к идее создания ртутного компенсационного маятника, он в течение ряда лет проводил экспериментальную работу по вы­ явлению влияния тепла и холода на стержень маятника. Эти исследования по­ казали, что факторами, влияющими на ход часов, являются загрязнение меха­ низма, дефекты материала и т. д., но если маятник тяжелый и отклоняется от вертикали на малый угол, а детали выполнены хорошо, то неравномерность хода таких часов будет малой и на нее будут влиять только температурные изменения маятника.

Рис. 142. Внешний вид ма­ ятниковых часов («регуля­ тора») Грагама 1740 г.

Рис. 141. Ртутный компен­ сационный маятник Грагама

Грагам исследовал относительные коэффициенты линейного расширения стали, латуни и некоторых других металлов. Хотя эти исследования и не были им завершены, все же ему удалось выяснить, что различные металлы (бронза, сталь, железо, медь, серебро и др.), подвергнутые нагреву до одинаковой тем­ пературы, расширяются по-разному. Отсюда он сделал практически важный вывод, что «путем использования двух различных металлов, значительно от­ личающихся степенью своего линейного расширения, можно в большей степени компенсировать нерегулярность колебаний обычного маятника». Этот вывод получил практическое применение в часах Грагама в устройстве ртутного ком­ пенсационного маятника. В декабре 1721 г. Грагам стал работать над созда­ нием ртутного компенсационного маятника, изучал влияние изменений тем­ пературы на изменение высоты ртутного столба. Путем тщательных наблюде­ ний и подсчетов он точно определил, сколько потребуется ртути, чтобы длина маятника не изменилась при той или иной температуре [254, 39].

На рис. 142 показан внешний вид маятниковых часов («регулятора») Гра­ гама, относящихся к 1740 г. Механизм часов помещен в высоком стоячем кор­ пусе из красного дерева; размер циферблата 30 см.

Свободные анкерные хода маятниковых часов. Большое зна­ чение для повышения точностных характеристик хода маятни­ ковых часов имело применение в конце XIX в. свободных ходов Рифлера, Штрассера и Манхардта вместо несвободных ходов.

Свободные хода известны также под названием ходов с постоян­ ной силой. Это название они получили из-за того, что в часах с таким ходом колебания маятника почти независимы от механиз­ ма часов, от величины момента на оси ходового колеса. Им­ пульс, сообщаемый маятнику, зависит только от пружины или груза, производящих всегда один и тот же эффект с постоянной силой. Маятник соединен с ходом посредством пендельфедера, никакой вилки нет; следовательно, жесткая связь между якорем и маятником отсутствует. В ходе Штрассера маятник получает импульс за счет изгибания вспомогательной плоской пружины (вспомогательного пендельфедера, соединенного с нижней опра­ вой основного пендельфедера), а в ходе Рифлера — за счет из­ гибания того же самого пендельфедера, на котором висит маят­ ник. В ходе Манхардта груз, опускаясь каждый раз с одной и той же высоты, сообщает маятнику один и тот же импульс.

Во всех прежних ходах соединение их с маятником сопровож­ далось все-таки некоторым толчком. Штрассер, Манхардт и Рифлер избежали этого благодаря применению своих ходов с посто­ янной силой.

Значительно больший простор и широкие перспективы в от­ ношении создания свободных ходов появились при применении электромагнитных импульсов взамен механических.

Ход Ш т р а с с е р а (1859—1917). Ходовое колесо этого хода (рис. 143) не имеет существенного отличия от ходового колеса, используемого в ходе Грагама. Однако анкер значительно отличается от якоря хода Грагама глав­ ным образом устройством палет. Здесь анкер имеет по две палеты с каждой стороны — палеты импульса K1и К2 и палеты покоя L1 и L2. Палеты покоя своими концами (рабочими поверхностями) несколько выступают за палеты импульса; выступающие плоскости палет наклонены вправо на 12° к радиаль­ ной прямой. Поэтому когда зуб ходового колеса покоится на этой плоскости, возникает момент, который стремится повернуть якорь вниз и прижать палету к зубу ходового колеса — так называемый момент притяжки.

Основное отличие хода Штрассера от покоящегося хода Грагама состоит в том, что зуб вначале падает на импульсную поверхность и потом доходит до положения покоя, а у покоящегося хода зуб сначала падает на положение покоя и затем переходит на импульс. Это различие вытекает из условий взаи­ модействия спускового устройства с вспомогательным пендельфедером, кото­ рый в ходе Штрассера выполняет некоторую работу по преодолению силы притяжки.

Рассмотрим работу хода [213, 50]. Пока маятник совершает движение от крайнего правого положения влево, пружина пендельфедера согнута. Согнута и вспомогательная пружина справа от вертикали, которая прижимает входную палету к зубу колеса. По мере того как маятник подходит к положению рав­ новесия, напряжение вспомогательной пружины (точнее, пружин, так как их две) ослабевает. В момент прохождения через положение равновесия напря­ жение пендельфедера ослабнет до нуля. После того как маятник пройдет положение равновесия, вспомогательные пружины будут выправлены, а затем перегнуты в обратную сторону. Изгиб этот как пендельфедера, так и вспомога­ тельной пружины происходит за счет кинетической энергии, приобретенной ма-

ятником во время движения. Сила изогнутой вспомогательной пружины все время возрастает, в связи с чем возникает момент, который стремится повер­ нуть якорь по часовой стрелке. Когда вспомогательные пружины изогнуты настолько, что этот момент окажется больше момента притяжки, палета вместе с якорем повернется вверх и освободит палету из-под зубца Z\, и ко­ лесо станет свободным. Тогда ходовое колесо будет вращаться по часовой стрелке, зуб Z2 встретит скошенную плоскость выходной палеты импульса K2 и будет скользить по этой плоскости, поворачивая якорь влево, пока не упрется в плоскость покоя палеты.

После того как вспомогательная пружина изогнулась под влиянием упав­ шего зуба Z2, дальнейший ее изгиб происходит вместе с пендельфедером вплоть до крайнего левого отклонения. Благодаря этому вспомогательные пружины окажутся изогнутыми влево от вертика­ ли и при обратном движении маятника служат источником энергии для него.

Освобождение зуба Z\ и перегиб вспомо­ гательной пружины вправо от вертикали произойдут после перехода маятником положения равновесия при его движении слева направо.

с гиревым двигателем. Сами часы помещаются в обыкновенном негерметиче­

дом, только раз в минуту, а не при каждом колебании. Следовательно, 59 ко­ лебаний маятника являются «мертвыми» и он совершает их почти свободно. В течение этого времени маятник не испытывает воздействия со стороны ме­ ханизма. Последний начинает оказывать действие на него лишь после совер­ шения маятником 59 колебаний. В этом и заключается основной принцип ра­ боты хода Манхардта. Он получил наибольшие применения в башенных ча­ сах, где этот ход успешно применялся (например, в башенных часах Берлин­ ской городской думы).

В ходе Манхардта свободное колебание маятника в течение минуты вне зависимости от часового механизма, приводимого в действие гирей, достигает­ ся следующим образом. На маятнике А, подвешенном на двух стальных пру­ жинах, имеется недалеко от точки подвеса зубчатое колесико е; на нем столь­ ко зубцов, сколько колебаний в минуту делает маятник (вперед и назад). Это колесико при каждом колебании маятника справа налево поворачивается со­ бачкой (из слоновой кости) на один зубец, затрачивая на это силу самого ма­ ятника. Собачка присоединена к устою В. На оси храповика сидит рычаг а, который при повороте колесика на полное число зубцов, т. е. один раз в ми-