Часовая революция


	Часовая революция Все типы древних часов имели существенные недостатки. Солнечные «показывают только светлые часы», писалось на их циферблатах; водяные - не могут работать зимой, вода замерзает; песочные надо было периодически переворачивать; огненные - сгорают. Необходимость иметь простой, универсальный, мало зависящий от внешних условий и работающий автоматически прибор времени привела к идее создания механических часов. Колесные часы представляют собой устройство с самым простым и совершенным видом повторяющегося движения - движения по окружности. Главная задача сводилась к тому, чтобы колесо совершало полный оборот всегда за одинаковый отрезок времени, который можно было бы принять за единицу времени. Появление механических часов произвело резкий скачок, революцию в технике измерения времени. Механические часы считают главным, ведущим изобретением ранней технической цивилизации Западной Европы. Почему? Дело в том, что механические часы - автоматическое устройство с программным управлением. Идеи, использованные при конструировании часов, в дальнейшем дали основу для становления автоматики, робототехники, вычислительной техники. Развитие механических часов шло в двух направлениях, каждое из которых имеет свою историю. Появление башенных часов стимулировало в дальнейшем создание различных стационарных часов как бытового, так и технического, научного назначения. Настенные, напольные, каминные, настольные часы; астрономические часы - хранители времени - это все звенья одной цепи - механические стационарные приборы времени. Второе направление в жизни механических часов получило бурное развитие благодаря необходимости оснащать корабли точными часами, не меняющими свои показания и не останавливающимися в условиях качки, перепадов температуры и давления, повышенной влажности. Создание морских хронометров стимулировало развитие переносных приборов времени - карманных, каретных, наручных, автомобильных, авиационных часов. Механические «колесные» часы, изобретенные неизвестным автором около X века нашей эры (точная дата не известна), продолжают использоваться до настоящего времени несмотря на то, что в XX веке были созданы принципиально новые хронометрические устройства - кварцевые, камертонные, атомные и молекулярные приборы времени. Сведения о времени появления первых механических часов весьма противоречивы. Одни историки говорят, что механические часы были созданы в Византии в VI веке н.э., другие относят это изобретение к X веку и приписывают его испанскому монаху Герберту (впоследствии римский папа Сильвестр II). -------------------------------------------------------------------------------- Первое литературное упоминание о механических часах найдено в «Божественной комедии» Данте Алигьери (1313 -1321 гг.), так воспевшего колесные часы: «И как часы, в которых бой знакомый Нас будит вмиг, как к утрене встает Христа невеста звать нас в Божьи домы, Часы, где так устроен ход, Что звук: динь-динь, как звуки струн на лире» -------------------------------------------------------------------------------- Первые механические часы имели все основные узлы современных приборов времени: двигатель, зубчатую передачу, спусковой регулятор и стрелочный механизм. Двигателем служил груз, подвешенный на веревку, наматывающуюся на барабан. Груз, опускаясь, приводил в движение все элементы механизма часов. Равномерное, с определенной скоростью движение стрелочного устройства обеспечивалось шпиндельным спусковым регулятором, состоящим из ходового колеса с зубьями, нарезанными по торсу, и билянца (биля-нец, регулятор фолио - прототип баланса), представляющего собой коромысло с грузами на концах. Билянец прикреплен к шпинделю, имеющему две палеты (пластинки), расположенные перпендикулярно друг к другу. При вращении ходового колеса билянец колеблется, при этом палеты, поочередно входя между зубьями ходового колеса, обуславливают равномерное прерывистое движение. Билянец шпиндельного регулятора еще не имел пружины (волоска), как в современных часах, и, следовательно, не имел собственного периода колебаний. Точность часов со шпиндельным ходом не превышала четверти часа в сутки. Поэтому ранние механические часы имели только одну часовую стрелку. Несмотря на небольшую точность, многие башенные часы этого периода снабжали курантами, календарями, устройствами, воспроизводящими движение небесных светил, фигур людей или животных. Сохранились документы, датируемые 1364 годом, содержащие чертежи и описание планетарных астрономических часов в Падуе итальянского профессора астрономии и медицины Джиованни Донди. Сложные часы показывали движение Солнца, Луны, Марса, Юпитера, Меркурия, Венеры и Сатурна, содержали вечный календарь, давали возможность определять звездное и среднее солнечное время. Наиболее известными башенными часами раннего периода развития механических приборов времени были часы, сооруженные в 1344-1350 гг. в итальянском городе Падуе, часы Страсбургского собора (Франция), строительство которых было начато в 1352 г., часы на ратуше в Праге, созданные в 1490 г. В 1404 г. первые башенные часы были установлены в московском Кремле монахом Лазарем Сербиным из православного монастыря на священной горе Афон* при правлении Великого князя Василия I, сына Димитрия Донского. Летопись донесла до нас и изображение первых часов России, и сцену их пуска: «В лето 6912, индикта 12*. Князь Великий замыслил часник и поставил его на своем дворе за церковью за Св.Благовещеньем. Сей часник наречется часомерье; на всякий же час ударяет молотом в колокол размеряя и рассчитывая часы ночные и дневные; не бо человек ударяше, но чело-вековидно, самозвонно, страннолепно сотворено есть человеческою хитростью, преизмечтанно и преухещренно. Мастер же и художник сему бяше некоторый чернец, иже от Святыя горы пришеший, родом Сербии, именем Лазарь». -------------------------------------------------------------------------------- Святая гора Афон возвышается на 2033 метра в юго-восточной части греческого острова Айон-Орос в Эгейском море. Эта самоуправляющаяся область Греции находится во владении православного монастырского объединения, состоящего из 20-ти расположенных в скалах мужских укрепленных монастырей (греческих, болгарских, русских, сербских). Первый крупный монастырь (лавра) был основан на горе Афон в 963 году византийским монахом Афанасием. ** 6912 год от Сотворения мира соответствует 1404 году от Рождества Христова. В летописи приведен церковный счет времени: "Великий индиктион" - 532 - летний цикл годов, начинающихся с 1 сентября. По этому циклу на протяжении всех 532 лет рассчитано наступление Пасхи. Таким образом, к 6912 году прошло 12 эр и в 6916 году должна была наступить 13 эра (13 индикт). -------------------------------------------------------------------------------- Благодаря маятнику Почему ранние механические часы отличались небольшой точностью? Дело в том, что шпиндельный ход с билянцем еще не был полноценным регулятором часового механизма. Колебательный механизм - билянец - не имел собственного, постоянного периода колебаний. В солнечных часах равномерность движения теневой стрелки задает само Солнце и движение Земли вокруг своей оси. Создавая механические часы, необходимо было найти такой же равномерный и постоянный процесс, как это придумала природа. И такой механизм был найден! В 1583 году молодой девятнадцатилетний Галилей изучал философию и медицину в Пизе. Однажды в Пизанском соборе любознательный юноша не столько слушал проповедь, сколько любовался движением люстр. Наблюдения за светильниками показались ему интересными. Для исследования колебаний маятников он изготовил опытную установку из свинцовых шариков, укрепленных на тонких нитях. Собственный пульс служил ему хорошим секундомером. Так, экспериментальным путем Галилео Галилей убедился в независимости периода колебаний маятника от величины амплитуды и на основании опытов определил зависимость периода колебания маятника от его длины. Но Галилей в то время был слишком юн, чтобы думать о внедрении в жизнь своего изобретения. И только в конце жизни старый, больной и почти слепой старик вспомнил о своих юношеских опытах. Настольные часы с музыкальным механизмом. Россия. Фирма «Калашников и сын в Москве». Первая половина XIX в; Напольные часы. Мастер Иван Бутеноп. Москва. 1854 г. Настенные часы с компенсационным маятником Гаррисона, ходом типа Грэхэма (оригинальной конструкции), двумя пружинными двигателями, устройством боя, указанием текущего времени и чисел месяца, в деревянном корпусе, с инкрустацией. Мастер Г. Орлов. Россия. 1840-1850-е г. Настенные часы с компенсационным маятником Гаррисона, ходом Грэхэма, двумя гиревыми двигателями с блоками, устройством боя, указанием текущего времени и чисел месяца, в деревянном корпусе, с инкрустацией. Мастер Павел Александрович Кувалдин. Москва. Cep.XIX в. 1. Настенные маятниковые часы с крючковым ходом, двумя гиревыми двигателями, устройством боя. Циферблат предположительно работы Ивана Петровича Кулибина. Нижний Новгород. Конец XVIII в. Механизм изготовлен в Германии в середине XIX в. 2. Напольные часы с компенсационным маятником Гаррисона, ходом Грэхэма, двумя гиревыми двигателями с блоками, устройством боя, указанием текущего времени и чисел месяца, в деревянном корпусе, с инкрустацией. Мастер Василий Божатков. Тула. Середина XIX в. 3. Каминные маятниковые часы, с ходом Броко, двумя пружинными двигателями, устройством боя, в корпусе из камня. Россия. Конец XIX в. Фирма «Павел Буре». Все представленные часы из собрания Политехнического музея. И его осенило - приставить к маятнику счетчик колебаний, и получатся точные часы, так необходимые в эпоху Великих географических открытий! Идея испанца Санто Крууса, высказанная им в 1510 году о перевозке точных часов для определения долготы в открытом море, была хорошо известна. Не было только точных часов, способных работать на корабле в условиях качки и перепадов температуры, влажности и давления. Такие часы, впоследствии названные «морской хронометр», предстояло еще создать. Стремясь помочь морякам, а заодно и выиграть один из долготных призов (В XVI - XVII веках правительства стран Испании, Франции, Англии назначали громадные призы за разработку метода определения долготы в открытом море.), Галилео Галилей в 1641 году, за год до смерти, приступил к созданию маятниковых часов. Но силы были уже не те, ученый смог сделать только чертеж, завершил работу его сын Винченцо. Поскольку следовало хранить тайну, то широкой огласки создание маятниковых часов Галилеем и его сыном не получило. Впоследствии Христиану Гюйгенсу (Huygens 1629-95), нидерландский ученый) всю жизнь необходимо было доказывать, что именно ему принадлежит честь создания первых маятниковых часов. По этому поводу в 1673 году он писал: «Некоторые утверждают, что Галилей пытался сделать это изобретение, но не довел дело до конца; эти лица скорее уменьшают славу Галилея, чем мою, так как выходит, что я с большим успехом, чем он, выполнил туже задачу». Христиан Гюйгенс не просто изготовил очередной тип часов, он создал науку хронометрию. С этого времени в деле конструирования часов был наведен порядок. «Лошадь» (практика) уже не бежала впереди «паровоза» (теории). Идеи Х.Гюйгенса воплощал в жизнь парижский часовой мастер Исаак Тюре. Так увидели свет часы с различными конструкциями маятников, изобретенных Гюйгенсом, - циклоидальными, коническими... Христиан Гюйгенс надеялся использовать маятниковые часы для определения долготы на море. В период 1661 - 1687 годовой сконструировал несколько часов для корабля. Чтобы часы работали при качке и сохраняли вертикальное положение, их установили на конструкцию с кардановым подвесом. Результаты испытаний морских часов Гюйгенса с маятником показали, что они вели себя неплохо при штиле, а в шторм и при сильной качке их показания были ненадежными. В 1674 году Гюйгенс отказался от использования маятника в морских часах. 1. Хронометр морской с термометром Реа-мюра, в деревянном футляре. Корпус часов укреплен в футляре на кардановом подвесе. Механизм: биметаллический баланс Кульбер-га с добавочной компенсацией конструкции Пиля, хронометровый ход с пружиной покоя, пружинный двигатель с фузеей. Мастер Берн-гард Пиль (Pihl Bernhardt). Санкт-Петербург. Середина XIX в. 2. Механизм морского хронометра с разрезным компенсационным балансом Ирншоу с добавочной компенсацией конструкции Вирена, хронометровым ходом с пружиной покоя, пружинным двигателем с фузеей. Мастер Иван Вирен. Санкт-Петербург, 1880-1881 гг. 3. Хронометр морской в деревянном футляре. Корпус часов укреплен в футляре на кардановом подвесе. Механизм: разрезной компенсационный баланс Кульберга, хронометровый ход с пружиной покоя, пружинный двигатель с фузеей. Мастер Иван Вирен. Санкт-Петербург, 1875-1877 гг. Часы с маятником можно сделать очень точными, а точные часы нужны не только на корабле. В астрономических обсерваториях ученые наблюдают за Солнцем или за звездами в определенные мгновения их появления на небосводе. До следующего наблюдения солнечное или звездное время необходимо хранить. В прошлые века, пока не изобрели кварцевые, молекулярные и атомные приборы времени, для хранения времени использовали маятниковые часы. Сколько изобретений с тех пор было сделано как известными учеными, так и безвестными «самоучками»! Если точные часы нужны не для качающегося в океане корабля, а для стационарного объекта, расположенного на земле, то гораздо лучше для этих целей изготавливать часы с маятником. Для получения большей точности отсчета времени при изготовлении часов для обсерваторий по возможности учитываются и устраняются все источники погрешности, а для работы хронометрического устройства создаются наиболее благоприятные условия. В часах самым главным элементом является маятник. Двигатель и шестеренки являются передаточным механизмом, стрелки - индикатором, указывающим устройством, а отмеряет время маятник. Поэтому в астрономических часах стараются создать возможно лучшие условия для работы маятника: сделать постоянной температуру помещения, устранить толчки, ослабить сопротивление воздуха, уменьшить механическую нагрузку. Как правило, астрономические часы, заключенные в колбу с пониженным давлением, помещают в глубокий подвал, защищенный от сотрясений. После Галилея и Гюйгенса часы с маятником прошли свой трехвековой путь развития. Какие же задачи стояли перед изобретателями? Точность, точность и еще раз точность! От чего, прежде всего, зависит точность? Сердцем часов, как уже было сказано, является маятник. Поэтому именно о маятнике, его комфорте, нужно заботиться в первую очередь. Вспомним знаменитую формулу Христиана Гюйгенса для определения периода колебания маятника при малых амплитудах: T=2?v l/g Основной в этой формуле является длина - «L». Металлический маятник при изменении температуры окружающей среды станет чуть длинней, или короче, а часы будут спешить или отставать. Поэтому вначале подумали о создании маятников, длина которых не зависела бы от температуры. Практически одновременно, около 1725 года, два великих английских мастера -Георг Грэхэм и Джон Гаррисон создали термокомпенсационные маятники разных конструкций - первый с ртутной компенсацией, второй - биметаллический, решетчатый. В 1895 году английский ученый Чарльз Эдуард Гильом изготовил сплав - инвар, обладающий таким низким коэффициентом линейного расширения, что для маятников, произведенных из этого сплава, требуется совсем незначительная компенсация. Британский часовой институт присудил Гильому за это открытие золотую медаль. Но маятник сам по себе - это еще не часы. Его нужно связать с часовым механизмом, прежде всего для выгоды самого маятника. Если его вовремя не «кормить», не поставлять ему энергию от двигателя, он быстро остановится. Маятник нужен остальным деталям часов. Его равномерное движение передается на все звенья хронометрического устройства: зубчатые колеса, стрелки, и часы показывают правильное время. Этот узел часов - самый главный, называется спусковой регулятор. Здесь конструктор должен проявить мастерство, для того чтобы маятник колебался как можно более свободно и не останавливался. Несвободный шпиндельный ход, используемый и в ранних башенных часах, и в часах Гюйгенса, находился практически в постоянной кинематической и динамической связи с осциллятором, и его применение тормозило развитие маятниковых часов. В свободных спусковых регуляторах такая связь продолжается на малом отрезке времени - при освобождении колесной зубчатой передачи и в процессе передачи импульса на осциллятор. Первый после шпиндельного ход, позволивший намного повысить точность часов, изобрел в 1715 году английский часовой мастер Георг р. Ход, названный его именем, состоял из ходового колеса и анкера. На оси анкера располагался поводок «вилка», через который осуществлялась связь с маятником. Часы для физических и астрономических измерений должны были быть сконструированы так, чтобы их индикатор имел секундную стрелку, которая бы одним скачком отмеряла целые секундные интервалы. Этому требованию очень хорошо удовлетворял анкерный спуск Грэхэма с маятником длиной 984 мм. Секундная стрелка в часах Грэхэма была установлена непосредственно на удлиненном валу спускового колеса. За годы существования часового дела были созданы сотни различных видов спусковых механизмов, десятки конструкций маятников, усовершенствовано множество деталей, влияющих на точность, надежность и долговечность приборов времени. И вот настал XX век, англичанин Вильгельм Шорт изобрел астрономические электромеханические часы с аналогичным названием - часы Шорта с двумя маятниками - «рабочим (рабским)» и «свободным». Это электрочасовая система, где «свободному» маятнику созданы все условия для точной работы, его даже поместили в колбу с разряженной атмосферой (почти вакуум). Второй же маятник, «рабочий», управляемый свободным, совершал синхронно с ним вынужденные колебания. От первого маятника зависит точность часов. Второй выполняет всю вспомогательную работу, связан со стрелочной индикацией. Часы Шорта по тем временам давали поразительную точность - ± 1 секунду за три, а отдельные экземпляры за пять лет! Думали, что точнее маятниковые часы изготовить невозможно, и решили, что эволюция маятниковых приборов времени завершена. В мае 1946 года часового мастера и механика точных танковых приборов Шестой танковой армии Феодосия Михайловича Федченко направили на работу в Харьковский государственный институт мер и измерительных приборов. Там в 1949 году в лаборатории времени перед талантливым инженером поставили задачу - изыскать возможность увеличения точности хода часов Шорта. Федченко решил, прежде чем совершенствовать часы английского мастера, вернуться к истокам и основательно изучить труды великого Гюйгенса. -------------------------------------------------------------------------------- Федченко, часы, высокоточные маятниковые часы с изохронизирующим подвесом и электромагнитным возбуждением колебаний маятника. Маятник часов с медным грузом на инварной штанге помещен в вакуумную барокамеру. Изохронизм обеспечивается подвесом, конструкция которого обусловливает уменьшение длины маятника при увеличении амплитуды его колебаний. Колебания маятника поддерживаются короткими электромагнитными импульсами, сообщаемыми ему в моменты равновесия. Форма медного груза и место его упора выбраны так, что температурные изменения размеров груза не влияют на период колебаний маятника. Термокомпенсирующие элементы маятника размещены на подвесе и ниже груза, что обеспечивает термокомпенсацию при переменном градиенте температуры. Ф.ч. отличаются наивысшей для маятниковых часов точностью и надежностью. Вариация их хода составляет 0,2-0,3 мс/сут. Ф.ч. применяются в качестве хранителей времени и для изучения вариаций силы тяжести. Появились в конце 50-х - начале 60-х гг. Названы по имени их изобретателя Ф.М.Федченко. Б.С.Э, том 27,1977 г. -------------------------------------------------------------------------------- Харьковский изобретатель установил, что еще в 1673 году Христиан Гюйгенс в «Трактате о часах» практически все поведал о том, как делать маятниковые часы. Оказывается, для того, чтобы часы были точными, необходимо, чтобы центр тяжести маятника в пространстве описывал не дугу окружности, а часть циклоиды, кривой, по которой движется точка контура колеса, катящегося по дороге. В этом случае колебания маятника будут изохронными, не зависящими от амплитуды. Сам Гюйгенс, теоретически все обосновавший, пытался достичь цели, делая тысячи изобретений, но к идеалу не приблизился. Последователи Гюйгенса, в том числе и Шорт, повышали точность другим путем - максимально изолировали маятник от внешних влияний, помещая точные часы глубоко в подвал, в вакуум, где минимально изменяется вибрация, температура. Федченко захотел осуществить мечту Гюйгенса и создать изохронный маятник. Говорят, что все гениальное - просто. Так и Федченко всего лишь подвесил маятник на три пружины: две длинные - по бокам и одну короткую - в середине. Казалось бы, ничего особенного, но на пути к открытию проведены тысячи опытов. Были перепробованы пружины толстые и тонкие, длинные и короткие, плоские и с переменным сечением. Пять долгих лет терпеливой и кропотливой работы, неверие коллег - на него уже просто перестали обращать внимание. И вдруг - счастливый случай благодаря элементарной ошибке в сборке подвеса. Несколько винтов плохо закрутили, и подвес повел себя так, что маятник начал совершать изохронные колебания. Опыты проверяли и перепроверяли, все оставалось по-прежнему. Трехпружинный подвес маятника решал задачу Гюйгенса - при изменении амплитуды колебаний, период оставался неизменным. На изобретенный Ф.М. Федченко трехпружинный подвес маятника 18 марта 1955 года выдано авторское свидетельство № 100085. Часам Федченко посвящена целая статья в Большой Советской Энциклопедии. Можно ли сделать маятниковые часы еще точнее? Наверное, можно, но зачем? В те же годы, когда Федченко разрабатывал свои часы, начали появляться приборы времени принципиально новых конструкций - кварцевые, молекулярные, атомные, а затем и лазерные часы. Точность этих хронометрических систем на несколько порядков выше любых электромеханических часов. Так что именно Феодосии Михайлович Федченко поставил последнюю точку в эволюции маятниковых часов. Таким образом, от Галилея и Гюйгенса до Федченко около трехсот лет развивались и совершенствовались часы с маятником. Уникальные изделия знаменитых механиков XVIII - XX веков позволили создать каталоги многих тысяч звезд, определить координаты различных планет, астероидов и комет, обеспечить первые успешные запуски искусственных спутников. Навсегда вписаны в мировую историю имена создателей высокоточных астрономических маятниковых часов. Это известные ученые, инженеры, изобретатели: Рифлер, Шорт, Федченко. Неслучайно, что изобретателями первых маятниковых часов были астрономы Г. Галилей и X. Гюйгенс. Существует мнение, что одним из показателей уровня технического развития страны является состояние ее службы точного времени.