С.Михаль "Часы.
От гномона до атомных часов",
Знание/НиТ<< Опоры | Оглавление | Сигнальные устройства (будильники) >>
Приводные механизмы часов
Регулировка хода часов. Влияние температуры воздуха
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 с1.
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 1oC. 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 1oC.
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.
Точность маятниковых часов на астрономических обсерваториях зависела также от влияний восходящих потоков воздуха и при изменениях барометрического давления. Возникающая при этом барометрическая погрешность устранялась либо тем, что часовой механизм помещали в пространстве с частичным вакуумом (это одновременно ограничило влияние воздействия указанных сил), либо с помощью анероидного компенсатора – манометрической коробки с компенсаторным грузом, закрепленным на маятнике.
Балансовый осциллятор более чувствителен к воздействиям температуры, чем маятник.
Барометрическая погрешность баланса достигает около 0,2 с в сутки при изменении давления воздуха примерно на 0,01 Па. Изменение температуры на 1oC у обычных часов с латунным балансом и бронзовым волоском вызывает суточное изменение хода часов по меньшей мере на 10 с.
Неблагоприятные влияния изменений температуры на ход балансовых осцилляторов учитывали уже старые часовщики, которые изыскивали способ борьбы с этим влиянием.
Рис. 31. Изменение формы баланса с биметаллическим ободом:
а – при повышенной температуре, б – при средней температуре, в – при пониженной температуре
Биметаллическая система, широко применяемая для маятников, нашла большое применение и для балансов, главным образом в виде биметаллических балансов с ободом, изготовленным из сварных стальных и латунных лент (рис. 31). У часов с обычным, некомпенсированным по температурам балансом увеличивался при повышении температуры момент инерции баланса, и часы тогда начинали отставать. Однако у биметаллического баланса под влиянием различной степени расширения стали и латуни обод прогибается в месте шва свободными концами вовнутрь, диаметр баланса уменьшается, ход часов ускоряется, в силу чего температурная погрешность компенсируется. При понижении температуры происходит противоположный процесс. Такой баланс мог удовлетворительно исправлять температурную погрешность всего осциллятора, а потому присоединенный к нему волосок не компенсировался. Известны различные виды компенсационных балансов для морских хронометров – биметаллический баланс Ирншау, построенный им в 1790 г., и баланс Шарля Эдуарда Гильома, изготовленный из латуни и ферроникеля и др.
В 1775 г. Берту открыл так называемую вторичную ошибку, оставшуюся у компенсационных балансов и проявляющуюся в суточном изменении хода часов в пределах от 2 до 5 с. Причиной этого был нелинейный характер расширения материалов баланса с изменением температуры. Берту установил, что биметаллический компенсационный баланс может точно устранить влияние температурного расширения лишь при двух определенных температурах, тогда как в диапазоне между ними возникает именно эта вторичная погрешность.
Закаленные стальные волоски, впервые изготовленные Жаном Целанисом Лутцом в 1847 г., которые раньше использовались для биметаллических балансов, страдали рядом недостатков. Они корродировали, и на них влиял земной магнетизм. Достоинствами же их были сравнительно малое внутреннее трение и малый расход энергии на упругую деформацию.
Шарль Огюст Пейлар (1840 - 1895) изобрел в 1877 г. в качестве побочного продукта при производстве платины неокисляющийся немагнитный сплав палладия с температурой плавления 1550oC. В то же время англичане производили эксперименты с волосками из стекла и золота. Изобретение Пейлара имело бесспорно большое значение для внедрения новых материалов в часовое производство, но это изобретение затмили дальнейшие изобретения Гильома, касающиеся ферроникелевых сплавов. Целью экспериментов Гильома было создание биметаллического баланса без вторичной погрешности. Ферроникелевый сплав, подходящий для такого баланса, содержал 42% никеля. В 1897 г. Поль Перре изготовил из этого сплава волосок, который имел намного меньшие изменения упругости в зависимости от температуры, чем сталь. После многих лет дальнейших экспериментов был создан, наконец, в 1913 г. опять-таки благодаря Шарлю Эдуарду Гильому новый температурно-стабильный материал элинвар (название произошло от сокращенных слов elasticite invariable) с содержанием хрома от 10 до 12%. Этот ферроникелевый сплав хотя и имел постоянный модуль упругости, но слишком сильно снижал амплитуду колебаний баланса и был очень чувствителен к магнитному полю. Другими его недостатками были мягкость и легкая деформируемость.
Несмотря на это, все же такая передача функций температурной компенсации с баланса на волосок привилась, так что в нынешнем часовом производстве применение компенсационных волосков – обычное дело. Исключением являются хронометры, где до сих пор сохранился биметаллический баланс с цилиндрическим стальным волоском. Нынешние наручные часы имеют компенсационные волоски из специальных ферроникелевых сплавов, известных под торговыми названиями "ниварокс", "изовал" и т.п., и гладкий монометаллический баланс, которые не участвуют в компенсации температурных влияний.
В историческом обзоре развития многих сплавов следует упомянуть эксперименты М.Р. Штрауманна из Вальденбурга, который использовал для баланса температурную анизотропию (различную степень растяжимости материала в разных направлениях) цинковых сплавов, достигаемую их надлежащей обработкой. Этими новыми материалами удалось еще более понизить температурную погрешность часов.
Балансовый осциллятор является весьма сложным устройством. Наряду с температурой и барометрическим давлением на стабильность его полуколебаний воздействует еще ряд других факторов, среди которых есть и неизохронная погрешность, возникающая при непостоянстве амплитуды баланса. Укажем для полноты изложения хотя бы на главные источники неизохронной погрешности, вызываемой нестабильностью амплитуды. Наряду с переменным импульсом спускового механизма это бывают колебания упругости волоска, влияние формы его крепления на концах, изменение зазора в замке регулировочной стрелки, градусника, изменение положения центра тяжести волоска и др.
Исследуя детальнее форму плоских волосков, мы должны обратить внимание в некоторых случаях на особую форму их концевой кривой. Волосок с особой формой закругления носит наименование волоска с кривой Бреге по имени самого создателя. Это, по существу, обычный плоский волосок, последний внешний виток которого несколько приподнят над остальными витками и сформирован в особую кривую, компенсирующую вредное переменное влияние крепления волоска в колодке и на мостике баланса.
Точная регулировка хода переносных часов и при хороших регуляторах с компенсационными элементами является весьма трудным делом, поскольку при изменении положения баланс, осциллятор и часовой механизм непрерывно подвергаются изменяющимся влияниям, например влиянию силы тяжести баланса и волоска или различного трения цапф в опорах при горизонтальном и вертикальном положениях механизма. Чтобы устранить неправильности хода, вызываемые положениями механизма, Бреге создал специальное устройство "турбиллион". Принцип его работы состоял в размещении спуска с осциллятором в особой клетке, которая постоянно вращалась вокруг вала секундного колеса со скоростью одного оборота в минуту. Этим способом Бреге исключил влияние силы тяжести баланса и волоска при изменении положения часов. Производство турбиллионов достигло высокого уровня в Швейцарии. Известны турбиллионы Фредерика-Луи Фавре-Булле (1770 - 1849), Эрнеста Гвинарда (1879) и, наконец, одного из главных позднейших производителей этих приборов Альберта Пеллатона-Фавре (1832 - 1914) и его сына Джеймса.
В 1894 г. Бэйн Бонниксен из Ковентри изобрел другой вариант турбиллиона – карусель, которая отличалась от турбиллиона Бреге главным образом скоростью вращения клети. Первоначально клеть со спуском в каруселях Бонниксена вращалась вокруг вала секундного колеса один раз в 52,5 мин, но у новейших типов время оборота сократилось до 39 мин.
1 В последнее время с целью повышения точности часов стали применять более высокочастотные балансы с периодом полуколебаний до 0,1 с. (Прим. науч. ред.)
<< Опоры | Оглавление | Сигнальные устройства (будильники) >>
|
Публикации с ключевыми словами:
история астрономии - время - Часы
Публикации со словами: история астрономии - время - Часы | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
