Четыре шага к точности

В прошлом номере мы рассуждали о новых конструкциях часов, которые предложили в 2006 году ведущие компании. Однако в той статье речь шла в основном о маркетинговых аспектах новинок и почти ничего не говорилось собственно о технических инновациях. А они того более чем заслуживают.

--------------------------------------------------------------------------------

Современные часы — сплав науки и технологий, один из самых точных приборов, которые сумел создать человек. Борьбу за точность на протяжении многих столетий вели лучшие мастера и ученые. Теоретическая база хронометрии была разработана еще несколько столетий назад. И еще в середине XX века был достигнут предел в совершенствовании механических часов. Все выпускавшиеся часы имели вполне приемлемую точность и надежность, а любое незначительное улучшение параметров требовало непропорционально большого увеличения стоимости механизма. Казалось, совершенствовать в часах больше нечего. Однако не зря говорят, что в тихом омуте черти водятся. Новые технологии позволили воплотить то, о чем мастера XVIII—XIX веков не могли даже мечтать, и на фоне стабильности, граничащей с застоем, вдруг взметнулся целый фонтан новый идей и конструкций. Некоторые, наиболее интересные из них, мы упоминали в прошлом номере. Теперь настало время подробнее рассказать об этих конструкциях, их особенностях и преимуществах.

Новый материал - новые принципы
Плоская спираль, используемая до настоящего времени в колебательных системах балансовых часов, имеет два существенных недостатка: колебания обладают заметной температурной нестабильностью и они неизохронны — ход часов изменяется при изменении амплитуды колебаний системы «баланс-спираль». А она непостоянна, так как зависит от момента пружинного двигателя часов, который падает по мере роспуска пружины, а также от смены положения часов в пространстве и при изменении в силу этого трения в опорах баланса.

Работы по уменьшению температурной нестабильности хода часов до самого последнего времени шли по пути создания сплавов с малой зависимостью модуля упругости от температуры. В разработке таких материалов достигнут серьезный прогресс, но спирали из этих сплавов не дешевы и, кроме того, очень тяжело добиться одинаковых свойств даже среди спиралей, изготовленных из металла одной плавки. В силу этого уже давно идут поиски термостабильных упругих материалов другой природы (не металлических).

Создание спирали Spiromax фирмы Patek Philippe стало значительным прорывом в этом направлении. Она сделана из керамического материала на основе кремния, который обладает рекордной термостабильностью. Но новый материал весьма хрупок, и спираль из него невозможно ни брегетировать, ни закрепить традиционным способом. Patek Philippe блестяще справилась с обеими этими проблемами.

Для изохронизации колебаний необходимо обеспечить строго концентрическое свертывание и развертывание спирали. В простейших спиралях концентрическая форма, которую спираль имеет в положении равновесия баланса, заметно нарушается при его колебаниях. В точках заделки концов спирали возникают дополнительные моменты реакции опоры, которые нарушают концентричность спирали, как бы выпячивая ее, что приводит к неизохронности колебаний. При этом неизохронная составляющая хода часов особо заметна при больших амплитудах, которые необходимо поддерживать в часах для сохранения их надежной работы при носке.

Решение проблемы было найдено в особом искривлении концевых кривых. Их форму, которая обеспечивает концентрическое сжатие-расширение пружины, более двухсот лет назад вычислил Филипс. Однако по его расчетам выходило, что внешняя кривая должна была заворачивать к центру спирали, пересекая другие витки. Подобное решение широко применялось в тех конструкциях часов, где можно было сделать спираль не плоской, а цилиндрической — например, в морских хронометрах. Способ, как можно использовать кривую Филипса в плоской спирали карманных часов, предложил Бреге: он поднял последний виток спирали над остальными и уже после этого завернул его внутрь. Спирали такой формы получили название «брегетированных».

Брегетировать спираль из хрупкого материала невозможно. И проблема изохрони-зации в спирали Spiromax решена иным, предельно простым средством: на небольшом участке вблизи внешнего конца толщина спирали увеличена, и в этом опасном месте «выпучивания» она просто не гнется и сохраняет концентричность.

Не менее оригинально и просто решена и вторая задача: крепление внутреннего конца спирали. Традиционные для металлов пайка или расчеканка здесь также неприменимы. Вместо этого на спирали образована специальная треугольная деталь крепления, которая насаживается на ось баланса.

Следует отметить, что при этом новая спираль весьма технологична. Она выполняется методом гальванопластики — путем «электровытравливания» в тонкой керамической пластинке всей области, не покрытой защитным фотолитографическим изображением спирали. При этом, естественно, используется групповая технология и за одну операцию изготавливаются несколько сотен спиралей.

Меньше угол - меньше возмущение
Изохронность колебаний системы «баланс-спираль» нарушается не только внутренними факторами, такими как моменты реакции в точках крепления концов спирали и воздействие на баланс силы тяжести при неуравновешенности баланса. Помимо этого на баланс всегда действуют внешние силы, создаваемые спуском. Это действие неизбежно, ибо спуск необходим, чтобы пополнять энергию системы «баланс-спираль», расходуемую на преодоление трения в опорах баланса, преодоление аэродинамического сопротивления воздуха и трения в материале спирали.

Характер влияния спуска на неизохронные свойства колебательных систем был открыт знаменитым английским математиком и астрономом Дж. Эри (G. Airy) в 1827 г. и был сформулирован в виде теоремы, получившей впоследствии название «теоремы Эри», играющей основополагающую роль в теории часов. Она гласит: «Импульс, направленный к положению равновесия, уменьшает ход часов; импульс, направленный от положения равновесия, увеличивает ход часов, а действующий в положении равновесия — не изменяет ход часов».

Исходя из этого проектировщики Ulysse Nardin создали новый спуск, конструкция которого обеспечивает передачу балансу подталкивающего импульса значительно ближе к положению равновесия. Они сумели уменьшить «угол подъема», то есть суммарный угол освобождения и импульса до 30° вместо обычных 52—55°, а угол сдвига импульса относительно положения равновесия составил всего 5°, что обеспечило значительное повышение точности часов.

Здесь представлена схема хода нового спуска Ulysse Nardin и расположение углов освобождения и импульса при этих полуколебаниях, а также эпюры изменения формы моментов, передаваемых на этих фазах системе «баланс-спираль» в традиционном швейцарском анкерном спуске и спуске Ulysse Nardin.

При освобождении баланс теряет небольшую долю своей энергии на освобождение колеса 1, а затем получает на этапе прохождения угла импульса значительно большую порцию энергии от колеса 2. При следующем полуколебании процесс повторяется аналогично.

Характер вносимой при этом неизохронности отражают кривые. Неизохронная составляющая уменьшается с ростом амплитуды, поскольку при этом скорость прохождения балансом положения равновесия возрастает и он быстрее проскакивает угол подъема. Очевидно, что при этом сокращается время взаимодействия баланса со спуском и вносимые последним возмущения уменьшаются.

Аналогичное происходит и при уменьшении самого угла импульса и угла подъема в целом: баланстакже быстрее проскакивает зону соприкосновения со спуском. Поэтому зависимость неизохронной составляющей от амплитуды для спуска часов Ulysse Nardin выражена слабее по сравнению с неизохронной кривой для обычных средних часов.

Три идеи
Компания Audemars Piquet использовала в новом калибре АР 2899 сразу два прогрессивных узла: оригинальный псевдохронометровый спуск, сообщающий балансу один импульс за период колебаний, и систему из двух соосно расположенных плоских спиралей вместо традиционной бретегированной.

Новый спуск состоит, как традиционный свободный анкерный спуск, из ролика на оси баланса с импульсным камнем, ходового колеса, предохранительного V-образного устройства и анкерной вилки с камневыми палетами, по форме близкой анкерной вилке так называемого «бокового анкерного хода». В этом спуске передача импульса происходит непосредственно с ходового колеса на импульсный камень один раз за период колебаний баланса. Последнее обеспечивается тем, что ходовое колесо имеет профиль храпового колеса и при движении баланса в одну сторону зуб колеса своей пологой поверхностью проскальзывает по левой палете, не вызывая срабатывания спуска, в то время как при обратном движении баланса правая палета упирается в крутой отвесный склон ходового колеса, поворачивает его и освобождает для передачи импульса. Возможность подобного взаимодействия обеспечивается тем, что камневые палеты расположены не в плоскости вилки, как обычно, а перпендикулярно этой плоскости, и при работе спуска в соприкосновение с зубцами ходового колеса входят вертикальные участки палет. При традиционном расположении палет такой спуск не мог бы работать, ибо траектория движения его палет пересекает траекторию движения зубцов ходового колеса.

Что касается использования включенных встречно и повернутых на 180° друг относительно друга двух спиралей, то такая система создания возвращающего момента системы «баланс-спираль» известна, но ранее не находила своего применения в наручных часах. Она, безусловно, обеспечивает уменьшение неизохронной составляющей хода, вносимой спиралями, но не исключает ее полностью.

Возможность практически полной изохронизации (во всяком случае — в диапазоне возможных рабочих амплитуд) открывает совместное использование обеих рассматриваемых новинок. Этого удается добиться в силу того, что неизохронные составляющие хода часов, обусловленные воздействием спуска и нелинейностью возвращающего момента системы спиралей, имеют противоположную зависимость от амплитуды. Первая (тонкие черные кривые) падает с ростом амплитуды, в то время как вторая (толстая черная кривая) — растет. Выбирая соответствующее значение угла сдвига в конструкции такого спуска можно обеспечить такую суммарную неизохронную составляющую, которая будет весьма слабо зависеть от амплитуды и обеспечит почти полную изохронизацию колебаний в этих часах.

Таким образом, в конструкции калибра Audemars Piguet 2899 сразу три особенности:

— две включенные навстречу друг другу спирали, компенсирующие вносимые погрешности;

— один импульс вместо двух в традиционном спуске, что снижает воздействие спуска на изохронность колебаний системы «баланс-спираль»;

— возможность подстроить момент передачи импульса так, чтобы неизохронная составляющая почти не зависела от амплитуды.

Без скольжения
Несколько раньше трех рассмотренных конструкций, в 2000 году, Omega освоила выпуск часов с спуском Co-Axial. Такое название он получил из-за двух соосных и жестко закрепленных колес С и D, При движении по часовой стрелке импульс передается напрямую от зубца на спусковом колесе D импульсному камню J. При движении в обратную сторону импульс передается от зубца на спусковой шестерне С через импульсный камень G и хвост вилки на рубиновый штифт К. После каждого импульса спусковое колесо D блокируется палетами покоя F и Н, позволяя балансу закончить свое движение.

Основное преимущество коаксиального спуска становится ясно при сравнении его с обычным швейцарским анкерным спуском. При вращении анкерного колеса его зубец передает импульс, скользя по наклонной плоскости палеты и толкая ее вверх из точки А в точку С. Из-за того, что зубец колеса и палета двигаются почти перпендикулярно, в точке соприкосновения возникает значительное трение. Это трение стараются уменьшить применением специальной смазки. Но смазка, решая одни проблемы, создает другие: она чувствительна к изменениям температуры и влажности, достаточно быстро стареет, высыхает. Все это снижает точность и стабильность хода часов.

В противоположность этому коаксиальный спуск передает энергию, обеспечивая всем компонентам только круговое движение. Зубец спускового колеса падает на поверхность импульсной палеты в позиции А, передвигает палету в положение В и затем отходит от нее в положении С. Очень короткое скользящее движение значительно уменьшает площадь контакта и трение в спуске. Работа спуска похожа на работу колесной передачи с зацепляющимися зубцами, на нее не влияет смазка и, как следствие, обеспечивается стабильный ход в течение длительного времени.

Хорошо забытое новое
Следует отметить, что спуски такого типа появились не сегодня. Они давно известны и использовались в действующих часах. Например, в книге Н.Н. Пипунырова «История часов» («Наука», 1982 г.) на странице 231 представлен свободный ход Рифлера для маятниковых часов, применяемых и сегодня в ряде служб времени. С целью формирования одного импульса за период колебания маятника этот спуск использует такой же узел в виде двух соосных жестко связанных колес: импульсного верхнего с «английским» профилем зубца и нижнего освобождения с храповым профилем. Этот узел во многом схож со спуском Co-Axial. Аналогичные спуски использовались и в балансовых часах. Например, в той же книге на странице 181 представлен так называемый дуплексный ход Дютертера, еще более похожий на Co-Axial. У него те же два соосных колеса большого и малого диаметра с тем же «английским» профилем и один толкающий палец на ролике баланса. Ну и, конечно, стоит отметь спуск Роберта Робина, который очень похож на конструкцию Audemars Piguet.

Таким образом, идеи, лежащие в основе новых конструкций, равно как и общие положения теории хронометрии, не новы. Однако в момент своего изобретения данные конструкции были крайне трудоемки в изготовлении и ненадежны, что и послужило причиной их вытеснения более простым в производстве и регулировке швейцарским анкерным спуском. Но сегодня, благодаря появлению новых материалов и технологий, идеи оказались воплощены в жизнь на совершенно новом уровне.