Механические часы
Механические часы — первый в истории автомат, получивший широкое распространение. Совершенствуя его, механики и учёные сделали много изобретений и открытий. Старейшие в мире механические часы, о которых имеются достоверные сведения, — это первые башенные часы Вестминстерского аббатства в Лондоне, построенные в 1288 г.
Сложный механизм
До открытия антикитерского механизма часы считались самым сложным техническим устройством, созданным человечеством до начала Нового времени. Часы вобрали в себя конструкторские идеи, воплощённые в разных механизмах прошлого, и потребовали от механиков решения новых технических задач.
О Вестминстерских часах 1288 г. известно мало, но, вероятно, это был трёхколёсный механизм с однострелочным циферблатом, приводимый в движение силой тяжести гири. В таких колёсных башенных часах выделяют 6 главных узлов:
- двигатель (гиря);
- передаточный механизм из зубчатых колёс (шестерёнок);
- регулятор (билянец);
- спуск;
- стрелочный механизм;
- механизм завода.
Шестерёнки с востока
Зубчатая передача, используемая в мельницах, была слишком громоздка и примитивна, чтобы лечь в основу сложного часового механизма. Считается, что идея механических часов пришла в Европу с Востока — уже в VIII в. арабы делали сложнейшие шестерёнчатые (т. е. с зубчатой передачей) механизмы для клепсидр с двигающимися фигурками и боем. Тонкости устройства зубчатой передачи мог донести до европейцев механик-монах Герберт (будущий римский папа Сильвестр II), изучавший в Испании арабские астрономические приборы и клепсидры.
Гиря с запада
Герберту приписывают создание в 1000 г. первых часов, движущей силой которых была не струя воды, как в клепсидре, а тяжёлая гиря. Об использовании гири как двигателя Герберт мог узнать из описания механизма открывания дверей Герона. Если Герберт и был создателем первых механических часов (что не подтверждено), в X в. его идея не прижилась. Но в конце XIII в. механизм с двигателем-гирей появился в Вестминстерских часах, и по их образцу были устроены десятки колёсных башенных часов XIII-XV вв. Объёмный механизм с большой и тяжёлой гирей на длинном канате требовал вместительного корпуса — поэтому-то часы и помещались в башнях. Канат гири наматывался на гладкий деревянный вал. Гиря тянула канат вниз, разматывая его и вращая вал. На вал насаживали главное зубчатое колесо, сцепленное с шестерёнками передаточного механизма, передающими вращение вала стрелке.
Но под воздействием силы тяжести груз опускается не равномерно, а с ускорением: чем ближе к земле, тем быстрее падает гиря и скорее вращается вал. Следовательно, все шестерёнки вращаются с ускорением, двигая стрелку часов всё быстрее и быстрее, и каждый следующий час получается короче предыдущего. Так время не измерить.
Часам от весов
Средневековые механики ничего не знали об ускорении, но на практике увидели, что нельзя доверять ход часов только силе падения груза. Нужно снабдить механизм регулятором — устройством, сводящим ускорение на нет. Идею подсказали рычажные весы. Издавна заметили, что, если в чашки весов положить равный груз и вывести весы из равновесия, коромысло весов будет довольно равномерно раскачиваться.
С каждым разом плечи коромысла будут подниматься и опускаться с меньшим размахом (амплитудой), но период (длительность) колебаний коромысла останется неизменной. За первую минуту плечи весов качнутся столько же раз, сколько и за каждую последующую до полной остановки. Механики придумали использовать равные периоды колебаний коромысла для преобразования плавного вращения вала во вращение прерывистое, когда колесо делает равные подвижки за равные промежутки времени. В часах коромысло называется билянцем (фолио) — это стержень-рычаг с равными грузиками на концах.
Шпиндельный спуск
Для поддержания колебаний регулятора-билянца и связи его с передаточным шестерённым механизмом служил спусковой механизм — шпиндель с двумя лопатками, которые располагались под углом 90° друг к другу и вклинивались между зубцами коронного (храпового или ходового) колеса. Коронное колесо, вращаемое колёсной передачей от вала, вращало и шпиндель, воздействуя на его лопатки. Одновременно на шпиндель воздействовали колебания билянца, к центру которого он также был прикреплён.
Как только одно плечо билянца опускалось, шпиндель поворачивался, и одна из его лопаток входила в зацепление с зубцом коронного колеса, тормозя его вращение. Однако, когда плечо билянца поднималось, поворачивая шпиндель в обратном направлении, лопатка под давлением колеса отпускала зубец и давала колесу провернуться. Но тут же другая лопатка вклинивалась между следующими зубцами, снова останавливая колесо. Так в соответствии с постоянностью периодов колебания билянца лопатки шпинделя в равные промежутки времени поочередно останавливали и отпускали колесо. Регулируя вращение коронного колеса, билянец в то же время получал от него энергию движения, не позволяющую его коромыслу вернуться в состояние равновесия и остановиться.
Стрелки и завод
Прерывистое движение храпового колеса делало прерывистым и движение вала, и всех шестерёнок, включая ту, что вращала стрелку. Эта единственная часовая стрелка за сутки обходила циферблат с 24 делениями, указывая текущий час. В Средневековье этого было достаточно — минутами время тогда не мерили.
В первых часах не было механизма завода. Как только тяжёлая гиря опускалась, обслуге часов приходилось с помощью системы блоков снова поднимать её на высоту башни, преодолевая сопротивление всех зубчатых колёс, проворачиваемых в обратном направлении.
Маятник с якорем
В начале XVII в. итальянский физик, астроном и механик Галилео Галилей предложил в качестве часового регулятора использовать маятник, период колебания которого, в отличие от билянца, строго постоянен. В 1657 г. маятниковые часы сконструировал голландский астроном Х. Гюйгенс. Часы Гюйгенса с новым спуском-поводком вместо шпиндельного спуска ошибались всего на 10 секунд в сутки. С такой точностью минутная стрелка, появившаяся в часах ещё в XVI в., стала оправдывать своё назначение.
В 1676 г. революцию в часовом деле произвело изобретение английского часовщика В. Клемента — анкерный (якорный) спуск. Насаженный на ось маятника якорь, раскачиваясь вместе с маятником, двумя своими палетами (концами) поочередно сцеплялся с зубьями коронного колеса, подчиняя его вращение периоду колебаний маятника. Одновременно якорь через палеты получал толчки от коронного колеса и, передавая их маятнику, поддерживал его колебание. Появление маятниковых часов с анкерным спуском решило проблему точности стационарных (не переносных) часов.
Сила пружины
В XVII в. уменьшение размера часовых шестерёнок позволило уменьшить и мощь двигателя — гири стали менее длинными и тяжёлыми, и часы смогли «жить» не только в башнях, но и в небольших напольных, настольных или настенных корпусах. Двигатель-гиря был хорош для любых неподвижных часов, а компактный двигатель, работающий в любом положении, появился ещё в 1430 г.
Механики тогда придумывали фигурки-автоматы, двигающиеся от пружинных двигателей, и часовщики стали использовать идею пружинных двигателей в часах. Пружиной служила упругая стальная лента, свернутая вокруг неподвижного стержня внутри незакреплённого барабана. Лента стремилась раскрутиться, один её конец был прикреплён к стержню и неподвижен, зато другой, прикреплённый к внутренней стенке барабана, толкал стенку барабана и вращал его. Барабан крутило надетое на него главное часовое колесо, заменяя вал с гирей. Пружинный двигатель исправно работал в любом положении.
Баланс при любых условиях
Маятниковые часы не положишь в карман и на корабле не установишь — тряска и качка будут сбивать колебания маятника. В XVI в. часовщики изобрели регулятор в виде колёсика-маховика, а Гюйгенс в 1674 г. снабдил этот маховичок спиральной пружинкой. Оба конца пружинки были жёстко прикреплены — один к корпусу часов, другой к маховичку. Как только маховичок закручивали, сцепленная с ним пружинка, стремясь вернуть себя в нейтральное положение, тянула его обратно.
В обратном вращении маховик по инерции перекручивал пружинку, а та тянула его назад. Так маховичок крутился туда-сюда, создавая периодические колебания, подобные колебаниям маятника. Но, в отличие от маятника, этот балансирный регулятор (балансир) работал в любом положении. Маховичок приводил в движение сцепленную с ним анкерную вилку, а через неё палеты анкера.
Всё вместе
Пружинный двигатель, балансир и надёжный анкерный спуск открыли дорогу созданию миниатюрных механизмов: карманных часов, морских хронометров, точных измерителей времени для контроля научных опытов и для астрономических наблюдений. Механики продолжали совершенствовать регуляторы, спуски и двигатели часов на протяжении многих веков, пока в XX в. не появились принципиально новые устройства для измерения времени: кварцевые, электронные, молекулярные, атомные и лазерные часы.
Развитие идеи
У первых башенных часов было много недостатков. Простой трёхколёсный часовой механизм быстро ломался из — за того, что разница в числе зубцов между большим ведущим колесом и малыми ведомыми колёсами была слишком большой и шестерёнки сильно бились друг о друга. Увеличив число переходных шестерёнок в зубчатой передаче, часовщики сделали её более плавной, и часы стали служить дольше. Это также позволило делать шестерёнки миниатюрнее, ведь нагрузка на каждую из них стала меньше. Из-за нечёткой периодичности колебаний билянца и ненадёжности шпиндельного спуска башенные часы шли неточно, за сутки ошибаясь на четверть часа и более.
Добиться точности от билянцевого регулятора со шпиндельным спуском не удавалось. Нужно было искать им замену. Башенные часы нельзя было перемещать — при любом колебании или наклоне билянец останавливался, спуск заедал, а гиря, отклоняясь, неравномерно крутила вал. Такие часы — недотроги не годились для корабельной качки, а этот прибор был необходим морякам для высчитывания географической долготы. Часам требовались менее «капризные» регулятор и двигатель.