ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

нуту, ударяется в приспособление 1тп, освобождающее механизм часов, даю­ щее возможность тормозу Сс сделать один оборот. После полного оборота механизм сдерживается рычагом около п с помощью зацепления 1тп.

На оси воздушного тормоза находится эксцентриковый диск к, который с помощью ролика р опускает рычаг ss, передающий импульс маятнику. Все это происходит спокойно, без рывков. В конце каждого оборота эксцентрик k вновь поднимает ролик кверху и маятник опять колеблется совершенно сво­ бодно в течение всей следующей минуты, в конце которой груз (рычаг) снова опускается. Следовательно, здесь роль механизма зубчатой передачи заключа­ ется лишь в поднятии груза, который, опускаясь каждый раз с одной и той же высоты, сообщает один и тот же импульс маятнику [83, 398].

Ход Р и ф л е р а (1847—1912). Часы с этим ходом появились на Чикаг­ ской выставке 1893 г. Часы Рифлера, будучи впервые установлены в Мюнхен­ ской обсерватории, показали высокую точность хода. Очень скоро они вытес­ нили астрономические часы с ходом Грагама. Вариация суточного хода при изменении температуры составляла 0,0008 с. Часы с ходом Рифлера стали использовать большинство обсерваторий мира.

Ходовое колесо в этом ходе двойное, состоящее из импульсного колеса Н\ и колеса покоя H2, жестко связанных между собой (рис. 145). Число зубцов ходового колеса 30, угол обхвата 10,5 зубцов (или 126°), что дает возмож­ ность удобно расположить детали и узлы хода. В массивном якоре А укреп­ лены две агатовые палеты P1 и Р2, каждая из которых представляет собой цилиндр со срезанной с передней части половинкой. Палеты укреплены так, что их цилиндрическая часть проходит против зубцов импульсного колеса, а

Рис. 144. Ход Манхардта с постоянной силой

Рис. 145. Свободный ход Рифлера для астроно­ мических маятниковых часов

срезанная часть — против зубцов колеса покоя, причем плоская часть палеты наклонена к радиусу ходового колеса под углом 12°.

Колесо покоя, имеющее острые зубцы Z1 работает на полусрезанной части палет и ложится кончиками своих острых зубцов на плоскости палеты. Колесо импульса имеет короткие зубцы, которыми оно слегка приподнимает цилиндри­ ческую часть палеты и производит импульс.

Палеты в ходе Рифлера, как и в ходе Штрассера, прижимаются не силой, передаваемой от двигателя, не вспомогательной пружиной или вспомогатель­ ным пендельфедером, как в ходе Штрассера, а силой, передаваемой пружиной подвеса маятника, или пендельфедера. В ходе Рифлера пендельфедер выпол­ няет двойную задачу —играет роль вспомогательной пружины и, кроме того, выполняет свое прямое назначение. Ход Рифлера хотя весьма похож на ход Штрассера, но представляет своеобразную конструкцию. Разница между хода­ ми Рифлера и Штрассера заключается в том, что в ходе Штрассера вспомога­ тельная пружина должна совершать некоторую работу по преодолению силы притяжки, тогда как в ходе Рифлера эта работа сведена к нулю, и если затра­ чивается на палете какая-нибудь работа, то только на преодоление силы тре­ ния, которую опять-таки при помощи наклона палеты и обработки поверхно­ сти палет и зубцов покоя стремятся сделать возможно меньшей.

Палеты в ходе Штрассера прижимаются к колесу и пружиной, и притяж­ кой, а в ходе Рифлера — только пружиной пендельфедера, поэтому часы с хо­ дом Рифлера нуждаются в абсолютно неподвижной установке в месте, свобод­ ном от всяких сотрясений, тогда как ход Штрассера в этом отношении менее требователен. Поскольку ход Рифлера применяется в точных астрономических часах, устанавливаемых в местах, не подвергающихся сотрясениям, то указан­ ная чувствительность хода не имеет особого значения.

Маятник подвешен на пендельфедере, верхняя основа которого (см. рис. 145) лежит в соответствующем углублении поперечной рамки, имеющей в середине прямоугольное отверстие, в которое проходит пендельфедер. С попе­ речной рамкой наглухо соединен якорь. По вертикали он имеет продольный раз­ рез и два винта — зажимный и упорный, для того чтобы при установке хода можно было точнее отрегулировать падение и импульс. Палеты укреплены в отверстиях якоря, который снабжен также продольными разрезами с зажим­ ными винтами, для возможности поворота палет и установки правильного на­ клона плоскости среза. Вопреки обычным конструкциям, верхняя часть якоря не имеет отверстия для оси, а снабжена отверстиями для винтов, при помощи которых якорь крепится к поперечной рамке. Рамка стальными призмами опи­ рается на агатовые подушки. Точка подвеса маятника находится выше плоско­ сти подушек на 1 мм. Якорь качается вокруг острого ребра призмы. Вследствие качания маятника якорь также приходит в колебательное движение на опор­ ной призме.

Маятник связан с часовым механизмом посредством двух тонких и упру­ гих пружин, на которых он подвешен. От натяжения пружин в результате их изгиба маятник получает импульс, необходимый для поддержания его колеба­ ния. Этот изгиб получается при каждом колебании маятника вследствие однов­ ременного перемещения якоря, когда поперечная рамка с якорем поворачива­ ется вокруг своей оси по направлению движения маятника. Колебания якоря лишь немного превышают 10 в обе стороны от положения равновесия. Угол из­ гиба пружин всегда один и тот же и не зависит от вращающего момента на

оси ходового колеса. Момент должен быть достаточным для того, чтобы якорь при своем движении мог произвести изгиб пружин в точности по оси, совпада­ ющей с осью колебания маятника. Маятник совершает колебания в одну и дру­ гую стороны. Размах лежит в пределах 3° и зависит только от натяжения пру­ жин подвеса. Импульс сообщается маятнику в тот момент, когда он проходит через положение равновесия и поэтому имеет наибольший запас живой силы. Маятник колеблется фактически совершенно свободно и вполне изохронно.

На рис. 145 изображено положение якоря в тот момент, когда зуб лежит своим кончиком на плоскости входной палеты; маятник в это время находится в крайнем правом положении. Маятник движется влево, а зуб покоя продолжа­ ет лежать на плоскости палеты. Действующий момент стремится вытолкнуть палету вместе с якорем вверх и вывести ее из-под зуба колеса, но этому пре­ пятствует упругая сила пружинок подвеса, прижимающая палету к наклонной плоскости зуба импульсного колеса. Освобождение этого зуба происходит вместе с поворотом рамки якоря справа налево под действием натяжения пру­ жинок подвеса, когда маятник пройдет примерно на1/4° за положение равно­ весия. Тогда зуб Z1 покидает плоскость входной палеты, освобождая ходовое колесо. После свободного поворота колеса на угол падения зуб импульсного колеса встречает выходную импульсную палету и, воздействуя на нее, повора­ чивает якорь в обратном направлении, пока зуб Яг колеса покоя не ляжет на выходную палету покоя. В результате поворота якоря пружинки изогнутся вле­ во от положения равновесия и маятник получит импульс, после чего он будет проходить дополнительную дугу, а якорь останется неподвижным. С возвра­ щением маятника в обратную сторону описанное действие хода повторяется.

Процесс работы пружины схематически показан на рис. 146. В положении I маятник движется влево, а пружины подвеса изогнуты вправо. Положение II показывает маятник в момент его прохождения через положение равновесия. Пружинный подвес все еще изогнут, как в положении 1. Когда маятник перей­ дет положение равновесия на угол около 0°15', пружинный подвес быстро пе­ регнется влево (положение III), и маятник продолжит свое движение по до­ полнительной дуге (положение IV). При движении маятника вправо те же яв­ ления происходят в обратном порядке. Положение V не отличается по виду от положения IV, но предусмотрено обратное движение слева направо; маят­ ник, пройдя положение равновесия, достигает положения VII (около 0015' вправо), тогда пружинный подвес перегибается, а движущийся вправо маят­ ник до положения VIII изгибает подвес еще больше. Затем все повторяется.

С особой наглядностью изображает особенности хода Рифлера Л. П. Шишелов. В этом ходе, по его мнению, «все явления происходят так, как если бы, держа в руке пендельфедер за верхнюю часть, изгибать ее влево и вправо на один и тот же угол, сообщая тем самым импульс маятнику, подвешенному за нижнюю оправу этого пендельфедера. Импульсы будут передаваться плавные и мягкие, все время одной и той же величины, ибо изгиб пендельфедера (или вспомогательной пружины в ходе Штрассера) будет происходить на один и тот же угол... Следовательно, ход Рифлера, как и ход Штрассера, может быть по справедливости назван ходом с постоянной силой» [213, ч. 2, 55].

Спусковое устройство Рифлера уменьшает требуемую на ход часов силу и обеспечивает в соединении с инварным маятником высокую точность. Погреш­ ность суточного хода маятниковых астрономических часов Рифлера может быть в пределах 0,002—0,003 с (на один порядок меньше часов Грагама).

Кроме хода, обусловливающего сообщение маятнику импульса за счет сги­ бания пружины подвеса, маятниковые часы Рифлера имеют: а) инварный се­ кундный маятник с компенсационной трубкой и линзой из латуни; б) электро­ завод со вспомогательным заводом; в) секундный колесный контактный преры­ ватель; г) корпус часов стеклянный или из красной меди, но герметически за­ крытый стеклянным колпаком. Степень желаемого разрежения воздуха в кор­ пусе часов поддерживается с помощью ручного насоса.

Механизм часов (рис. 147) смонтирован на станине, составляющей одно целое с кольцом Е, устанавливаемым на торцевую поверхность цилиндра. От механизма внутрь цилиндра уходит стержень маятника. Под колпаком уста­ новлен микроскоп М, позволяющий производить отсчет амплитуды колебания маятника по шкале, закрепленной на стержне маятника.

Ход гравитационного типа. При наличии такого хода колесная передача действует на маятник не непосредственно; она служит только для подъема рычагов. Импульс подается падением рычагов всегда с одной и той же высо­ ты. Такие импульсы остаются постоянными по величине и знаку и независимы­ ми от каких-либо изменений, которые могут происходить в крутящем моменте, передаваемом колесной системой ходовому колесу. Этот ход гравитационного типа относится к ходу с постоянной силой, так как импульсы, подаваемые ма­ ятнику при наличии этого хода, всегда постоянны по своей величине или весь­ ма близки к этому.

Идея создания хода такого типа впервые была выдвинута Томасом Мюджем — выдающимся английским часовщиком XVIII в. В ходе Мюджа усилия для подъема и размыкания рычага одинаковы по величине. Оно было доста­ точным для подъема, но оказалось слишком большим для того, чтобы получить надежное замыкание.

Ряд изобретателей (Камминг, Харди, Катер, Готвальд, Рид и Блоксам) пытались использовать идею создания хода гравитационного типа, выдвину­ тую Томасом Мюджем. Ход Мюджа получил дальнейшее совершенствование в ходе Блоксама, который описан в 1853 г. в «Ученых записках» Королевского астрономического общества. Если в ходе Мюджа не была достигнута надеж­ ность запирания хода, то в ходе Блоксама это было уже достигнуто тем, что подъем у него стал осуществляться посредством очень коротких зубцов с полной отдачей силы, а запирание происходит длинными зубцами, но с малой отдачей силы. Его ход имеет два весовых рычага, которые могут вращаться на одной и той же оси отдельно (рис. 148). Ходовое колесо состоит из внут­ ренней шестерни А с девятью зубцами для осуществления подъема рычагов путем сцепления с палетами D и из внешней шестерни В (тоже с девятью зуб­ цами), которая запирает рычаги, когда они сцепляются с защелками. Рычаги имеют выступы, которыми они могут сцепляться с маятником.

В 1852 г. Эдмунд Беккет Денисон (лорд Гримторп) изобрел двойной трех­ коленчатый гравитационный ход. Впервые он был применен в знаменитых вестминстерских башенных часах, установленных в мае 1859 г. Вариация су­ точного хода этих часов не должна была превышать ± 1 с, и этому требованию соответствовал ход Гримторпа.

2) двух отдельных трехколенчатых устройств, каждое с тремя длинными ко­ ленами, которые соответствуют зубцам ходового колеса других спусковых уст-

ройств, и 3) пружинного регулятора хода, обеспечивающего регулирование скорости движения спускового механизма и предотвращение вибраций, отско­ ков и других вредных действий, могущих отразиться на сохранности прибора. Этот регулятор служит как бы глушителем всех нежелательных проявлений при работе хода.

Между коленами С1 и С2 расположены три штифта, которые толкают ры­ чаги А\ и А2 посредством рычагов Е\ и Е2. Когда маятник колеблется напра­ во, он увлекает за собой рычаг А2, и в конце концов выталкивает запирающий блок В2 из-под колена С2. Двойное трехколенчатое спусковое устройство вра­ щается, пока колено С\ не запрет на блоке В\. Маятник, продолжая колебание вправо, увлекает за собой рычаг А2 пока он достигает своего крайнего поло­ жения. Рычаг А2, следуя за маятником, спускается вниз и подает ему импульс, пока он в конце концов не будет застопорен выступающими частями Е2, всту­ пающими в контакт со штифтом. Так как маятник движется налево, он в ито­ ге выталкивает блок B1 из-под колеса С\, пока другое колено не запрет его на блоке В2. При вращении штифт, нажимая, поднимает рычаг А2 против Е2. По­ скольку рычаг А2 увлекается маятником вверх на меньшую дистанцию, чем следующий за ним рычаг, увлекаемый вниз, то возникает добавочный источник импульса.

Двойной трехколенчатый гравитационный ход как ход с постоянной силой имеет ряд преимуществ перед другими ходами для применения в башенных часах.

Температурная и барометрическая компенсация маятника

Компенсационным маятником, в отличие от обычного, является такой маятник, который может сохранять постоянство своей дли­ ны между центрами подвеса и качания при всевозможных изме­ нениях температуры. В ранних маятниковых часах, начиная от часов Гюйгенса до Грагама, особой необходимости в темпера­ турной компенсации маятника не было. До 1700 г. влияние на ход маятниковых часов оказывали не столько температурные изменения, сколько несовершенство механизма часов и спуско­ вого устройства. Ввиду этого еще не было достаточно понято значение влияния температурных изменений на ход маятниковых часов. Только после того, как были достигнуты значительные успехи в усовершенствовании анкерного хода и колесной пере­ дачи, стали уделять внимание влиянию температурных изменений на ход маятниковых часов. Грагам, изобретатель усовершенство­ ванного анкерного хода и ртутного маятника, был первым часов­ щиком, который стал основательно изучать влияние температур­ ных изменений на ход часов. Результаты этих исследований он использовал для создания ртутного компенсационного маятника, с устройством которого мы уже познакомились. .

Решетчатый маятник Гаррисона. Джон Гарриеон (1693— 1776) работал над созданием устройства для температурной ком­ пенсации маятника в то же время, что и Грагам, но независимо от него. Решетчатый маятник состоит из пяти стальных я четы-

действие растяжения, что вызывает удлинение маятника по на­ правлению вниз. Латунные прутки, испытывая сжатие, вызывают укорочение маятника в направлении, обратном действию сталь­ ных прутков.

Если полное растяжение стальных прутков равно полному сжатию латунных, то эффективная длина маятника, т. е. расстоя­ ние между центрами подвеса и качания, должно остаться без из­ менений.

При понижении температуры стальные прутки подвергаются сжатию. При этом произошел бы подъем линзы маятника, если бы этому не препятствовало сжатие латунных прутков, действие которых направлено в обратную сторону, т. е. не на подъем, а на опускание линзы. Таким образом, нейтрализуется отрицатель­ ное действие сжатия стальных прутков, вызываемого понижени­ ем температуры, и эффективная длина маятника остается без изменения.

Основные части решетчатого маятника показаны на рис. 150. BI—сталь­ ной стержень маятника; А — поперечина, служащая прочному соединению каркаса решетки; К —нижняя поперечина; E- стальные стержни (прутки); F — латунные стержни, присоединенные к нижней поперечине, верхними кон-

цами связаны с верхней внутренней поперечиной С; G — стальные прутки, ко­ торые также присоединены к верхней внутренней поперечине, а нижними кон­ цами поддерживаются нижней внутренней поперечиной О; его же поддержива­ ют нижние концы двух латунных стрежней Н, верхние концы которых уже поддерживаются короткой внутренней поперечиной D. К этой же поперечине присоединен стержень маятника, который затем проходит через нижнюю попе­ речину и несет линзу (груз), что сидит на гайке, позволяющей регулировать ее расстояние от центра подвеса маятника.

Хорошо изготовленный решетчатый маятник имеет преимущество над ртутным маятником в том, что его части почти одинаково подвержены дейст­ вию окружающей атмосферы, так что как стальные, так и латунные прутки могут принимать или терять тепло одинаково, тогда как тонкий стержень ртут­ ного маятника реагирует на изменение температуры быстрее, чем массивная ртутная линза. В результате неравномерного воздействия компенсации и при повышении и понижении температуры в часах с ртутным маятником не дости­ гается полной температурной компенсации. Промедление или запаздывание между температурным изменением и действием компенсации составляет глав­ ное неудобство ртутного маятника.

Хотя ртутный и решетчатый маятники были изобретены почти одновремен­ но (ок. 1726 г.), однако изобретение Гаррисона оставалось неизвестным, так как до приезда в Лондон в 1735 г. он по рекомендации Георга Грагама про­ должал совершенствовать свое изобретение. Сам Грагам скоро понял превос­ ходство решетчатого маятника над своей ртутной компенсацией и даже изго­ товил несколько часов с решетчатым маятником. В XIX в. часы с решетчатым маятником изготовлялись чаще, чем с ртутным маятником.

Главный недостаток решетчатого маятника заключается в искривлении стержней и в оседании металла, работающего на сжатие. Кроме того, при ком­ бинации латунь — сталь в решетчатом маятнике имеется девять стержней, тогда как при комбинации цинк — сталь можно ограничиться применением только трех стержней. При девяти стержнях благодаря большому количеству сопряжений стержней с поперечинами получается большой мертвый ход и большое трение.

Хорошо изготовленный решетчатый маятник все же имеет некоторое пре­ имущество перед ртутным маятником. В этой конструкции все части, как стальные, так и латунные, почти одинаково реагируют на изменение темпера­ туры и притом одинаково по всей длине стержня маятника. В ртутном же ма­ ятнике тонкий стержень реагирует на температурные изменения значительно быстрее, чем та его часть, где имеется массивная линза (цилиндр со ртутью). Переменная разность температуры по высоте маятника сопровождается за­ держкой или отставанием между температурными изменениями и действием компенсации. Это является главным недостатком ртутного маятника. В ре­ зультате маятник с ртутной компенсацией обладает меньшей компенсационной способностью, чем решетчатый маятник.

Для того чтобы заставить ртуть следовать более быстро за изменением температуры, было предложено применять два или более сосуда (рис. 151); это позволяло увеличить поверхность ртути, не уменьшая, однако, ее массы; но следствием этого было увеличение массы вспомогательных частей.

Более совершенной считается ртутная компенсация, примененная в маят­ нике Рифлера. Стержень этого маятника представляет собой стальную трубку,

Рис. 151. Компенсационное устройство с двумя сосуда­ ми с ртутью в качестве лин­ зы маятниковых часов

Рис. 153. Инварный стер­ жень маятника

Рис. 152. Компенсационное устройство из цинка и ста­ ли в трубчатом маятнике

наполненную ртутью до двух третей ее высоты. В нижней части стержня си­ дит тяжелая латунная чечевица, поддерживаемая у ее центра при помощи двух регулировочных гаек. Ниже и выше ее находятся два или три небольших дис­ ка, меняя вес которых можно регулировать дополнительно компенсацию маят­ ника. Подъем или опускание этих добавочных грузиков действует так же, как и перемещение главного груза или линзы, т. е. соответственно ускоряет или замедляет колебание маятника. Хотя ртутный маятник Рифлера изготовлен по точному расчету и трубка на 2/з своей длины наполнена ртутью, все же он из­ меняет свой суточный ход на 0,3 с при изменении разности температуры на одном метре высоты на 1о С.

Компенсационное устройство из цинка и стали. Трубчатый маятник. Около 1800 г. были изобретены различные компенсационные устройства, в которых применялись цинковые и стальные стержни. Ввиду значительного коэффициен­ та линейного расширения цинка для устройства компенсации требуется мень­ шее количество стержней, чем для устройства компенсации, основанной на при­ менении для этой цели латунных и стальных стержней. Еще больший успех в деле температурной компенсации маятников был достигнут благодаря приме­ нению трубок из двух металлов (цинка и стали), расположенных концентри­ чески, вместо стальных, латунных или железных стержней. Такой трубчатый маятник более компактен, чем решетчатый. Он был изобретен Эдвардом Троутоном — знаменитым лондонским мастером астрономических инструментов. На этом принципе, например, устроен маятник знаменитых вестминстерских часов. Его трубки вместо латуни составлены из цинка и стали. Подобные же маятни­ ки были использованы фирмой «Дент» для создания многих регуляторов, те­ перь уже вышедших из употребления.

На рис. 152 дана конструкция трубчатого маятника, у которого внутрен­ ний стальной стержень 1 имеет на конце регулирующую гайку 8, привинчен­ ную к нему почти у нижнего основания линзы (груза). Цинковая трубка сколь­ зит поверх внутреннего стержня и покоится на квадратном углублении, обра­ зованном в весьма толстой шайбе 7, которая, в свою очередь, покоится на регу­ лировочной гайке. Шайба не должна вращаться, когда вращается регулиро­ вочная гайка. Стальная трубка у своего нижнего конца ограничена выступа­ ми 5, которыми поддерживается линза маятника 6, несколько ниже его центра. Вместе с тем линза находится в связи со стальной трубкой.

С повышением температуры стальная трубка, на которой линза поддер­ живается, расширяется книзу, что направляет книзу и линзу; 4 — цинковая трубка, которая на себе несет стальную трубку, расширяется кверху и, стало быть, поднимает и линзу маятника вместе с собой. В результате эффективная длина маятника остается неизменной. Точные длины цинковой и стальной тру­ бок для получения совершенной компенсации должны быть вычислены на ос­ нове учета и знания их относительных коэффициентов линейного расширения; окончательное регулирование, однако, должно быть осуществлено опытным путем.

Наличие в цинковой трубке просверленных отверстий и надрезов в наруж­ ной стальной трубке позволяет свободно проникать воздуху.

Современная компенсация. Инварный стержень маятника. В настоящее время для компенсации маятника используются современные материалы, обла­ дающие таким низким коэффициентом линейного расширения, что требуется . весьма малая компенсация. Наибольшей популярностью пользуется сплав ин­ вар, состоящий из 36% никеля, 59% железа, 4% марганца и 1% углерода. Его получил около 1895 г. доктор Чарльз Эдуард Гильом, которому Британский часовой институт присудил за это золотую медаль. Инвар обладает весьма ма­ лым коэффициентом линейного расширения (от 0,0000010 до 0,0000030). В Англии был создан сплав сходного состава, который теперь и используется.

Когда требуется высокая точность, инварный стержень необходимо комби­ нировать с компенсационной трубкой из латуни или из другого материала. Коэффициент расширения компенсационной трубки должен быть в определен­ ном соотношении с коэффициентом расширения данного инварного стержня. Длина трубки может быть рассчитана, если известны коэффициент линейного расширения данного инварного стержня и компенсационного материала труб­ ки. Поэтому трубка должна подгоняться к каждому маятнику в отдельности.

Линза А маятника (рис. 153) представляет собой цилиндр, поддерживае­ мый на 2,5 см ниже его центра компенсатором В и покоящийся на верхнем его конце. Компенсатор опирается на регулировочную гайку С, которая по стержню маятника может перемещаться по резьбе D. Регулировочная гайка на конце снабжена фланцем для регулировки положения линзы.

Некоторые ранние маятники с инварным стержнем имели не только обыч­ ную металлическую линзу, но нередко снабжались и инварной линзой, однако для практических целей этого не требуется. Латунная линза или линза из мяг­ кой стали вполне достаточна даже в том случае, когда требуется обеспечение высокой точности хода часов.

Период колебания маятника можно регулировать, поднимая или опуская линзу, которая находится на его стержне, действуя на компенсатор поворотом гайки. Каждому повороту гайки соответствует определенное изменение приве-