Часы (прибор)

Часы (далее Ч), прибор для измерения текущего времени (в секундах, минутах, часах). Ч (прибор) относятся к категории "приборов времени", куда входят также хронометр, секундомер, таймер, реле времени и комбинированные приборы, например Ч (прибор) с секундомером. Для измерения времени можно использовать равномерное поступательное или вращательное движение и периодические колебания; мерилом времени в этих случаях будет соответственно пройденный путь (или перемещение), угол поворота или число колебаний.

Первым устройством, с помощью которого человек измерял время, были солнечные Ч (прибор) Уже в середине 3-го тысячелетия до н. э. в качестве простейших Ч (прибор) использовался гномон. В Древнем Египте и Греции время отсчитывали по солнечным Ч (прибор) с горизонтальными или вертикальными циферблатами (рис. 1). В Самарканде в 1-й половине 15 в. Улугбек построил солнечные Ч (прибор) высотой около 50 м. В средние века в Европе значительное распространение получили Ч (прибор) с вертикальным циферблатом. Такие Ч (прибор), например, сохранились в Москве на здании Историко-архивного института и старом здании МГУ. Наряду с солнечными Ч (прибор) уже во 2-м и 1-м тыс. до н. э. в Индии, Египте, Китае и Греции строились водяные Ч (прибор), которые показывали время и днем, и ночью. Простейшие водяные Ч (прибор) представляли собой сосуд со шкалой, проградуированной в единицах времени. В сосуд капля за каплей поступала вода из наполненного до краев (из внешнего источника) резервуара. Постоянство давления воды в резервуаре обеспечивало равномерное наполнение сосуда и равномерное повышение уровня воды в нем, отмечаемое по шкале. Около 150 до н. э. Ктесибий создал водяные Ч (прибор) (рис. 2), ставшие прототипом Ч (прибор), которые применялись во многих странах вплоть до 18 в. Равномерное движение положено в основу функционирования и некоторых других типов Ч (прибор), в том числе песочных.

Первое упоминание о механических Ч (прибор) содержится в византийской антологии (конец 6 в.). Одни историки приписывают изобретение механических Ч (прибор) Пацификусу из Вероны (начало 9 в.), другие — монаху Герберту (впоследствии папа Сильвестр ), якобы в 996 сделавшему гиревые башенные Ч (прибор) для г. Магдебурга, которые не были механическими Ч (прибор) в современном понимании. Скорее всего это были водяные Ч (прибор) с использованием механизмов для приведения в действие дополнительных устройств, например механизма боя Ч (прибор), но не отсчета времени. Достоверно известно, что простые по конструкции механические башенные Ч (прибор) были построены в Милане в 1335; в 1348—64 Донди в Италии создал Ч (прибор), которые наряду с отсчетом времени воспроизводили движение Солнца, Луны и пяти планет; в 1354 были установлены Ч (прибор) Страсбургского собора с курантами, календарем и движущимися фигурами. В России первые башенные Ч (прибор) были сделаны в 1404 в Московском Кремле монахом Лазарем Сербиным; они имели гиревые двигатели, механизм боя, планетарный механизм. В 15—17 вв. башенные Ч (прибор) начали устанавливать во многих городах России.

В 14 в. появились первые механические Ч (прибор) со шпиндельным спуском (рис. 3). По сравнению с водяными Ч (прибор) шпиндельные Ч (прибор) были более совершенными, но все же точность их хода не превышала 0,5 ч в сутки; до 16 в. они имели одну лишь часовую стрелку. Около 1510 нюрнбергский механик П. Хенлейн впервые применил вместо гирь стальную пружину и создал карманные Ч (прибор) со шпиндельным механизмом. Из-за несовершенства пружин и самого шпиндельного механизма, не имеющего собственного периода колебаний, показания этих Ч (прибор) сильно зависели от степени заводки пружины. В 1525 Я. Цех из Праги предложил фузею, или улитку, — приспособление для выравнивания усилия пружины во времени, что позволило повысить точность пружинных Ч (прибор) Шпиндельные Ч (прибор), хотя и имели невысокую точность, отличались высокой надежностью и просуществовали до конца 19 в.

Огромное значение для повышения точности Ч (прибор) имело открытие Г. Галилеем изохронности малых колебаний маятника, т. е. независимости периода его колебаний от амплитуды. Галилей около 1640 предложил новый спусковой механизм, напоминающий современный хронометровый, но его идея не получила практического воплощения. Изобретателем современных механических Ч (прибор) по праву считается Х. Гюйгенс, который в 1657 применил маятник в качестве регулятора Ч (прибор) Маятниковые Ч (прибор) даже с несовершенным шпиндельным механизмом позволили снизить погрешность за сутки до 5—10 сек. В 1675 английский часовщик У. Клемент предложил заменить шпиндельный механизм на крючковый, представляющий собой простейшую разновидность анкерного спускового механизма (см. Анкер). Такой механизм сохранился до наших дней в простейших маятниковых Ч (прибор) типа ходиков (рис. 4). Новый шаг в совершенствовании Ч (прибор) связан с именем англичанина Дж. Грагама, который изобрел несвободный анкерный механизм, имеющий значительно меньшие потери энергии, чем крючковый механизм Клемента. В 1675 Гюйгенс предложил в качестве регулятора колебаний использовать систему "баланс—спираль". Баланс — это колесо с массивным металлическим (обычно латунным) ободом, укрепленное на стальной оси; спираль — тонкая пружина, один конец которой крепится к оси баланса, а другой — к неподвижной опоре. Выведенная из состояния покоя система "баланс — спираль" совершает колебания вокруг своей оси; момент инерции баланса и жесткость спирали определяют период колебаний системы. Такая колебательная система обладает собственным периодом колебаний; она достаточно надежна при переноске и транспортировке Ч (прибор) В связи с применением балансового регулятора в Ч (прибор) с пружинным двигателем потребовалось дальнейшее совершенствование спусковых механизмов. До конца 19 в. в карманных Ч (прибор) широко применялся изобретенный Грагамом в начале 18 в. цилиндровый механизм. Со 2-й половины 19 в. получил распространение свободный анкерный механизм, до сего времени применяющийся во всех переносных, в том числе наручных и карманных, Ч (прибор) В связи с повышением точности часовых механизмов в конце 17 в. в карманных Ч (прибор) устанавливают минутные стрелки, а примерно с 1760 в Ч (прибор) стали применять секундные стрелки.

Значительное влияние на точность хода маятниковых, особенно балансовых, Ч (прибор) оказывает изменение температуры окружающей среды. Погрешность хода маятниковых Ч (прибор) за сутки при изменении температуры на 1°С за счет изменения длины маятника при стальном стержне составляет 0,5, а при деревянном — 0,2 сек; для балансовых Ч (прибор) со стальной спиралью около 11 сек, в основном за счет изменения ее жесткости. В середине 18 в. было создано несколько типов маятников, температурная погрешность которых устранялась методом компенсации. Температурная компенсация балансового регулятора, основанная на применении биметалла, была предложена в 1761 французским часовым мастером П. Леруа. Такие балансы с компенсационными грузами по ободу применяются в современных морских хронометрах. Русский механик И. П. Кулибин в конце 18 в. предложил оригинальную конструкцию биметаллического баланса. В конце 19 — начале 20 вв. швейцарский физик Ш. Э. Гильом создал материалы с близким к нулю коэффициентом линейного расширения (для маятников) — инвар, и с минимальным значением термоэластического коэффициента (для часовых спиралей) — элинвар. Использование этих материалов в Ч (прибор) в сочетании с компенсационными устройствами практически устранило температурные воздействия на ход механических Ч (прибор) Так, например, Ч (прибор) с маятником из инвара даже без компенсационного устройства имеют температурную погрешность хода за сутки менее 0,05 сек на 1°С, а наручные Ч (прибор) со спиралью из элинвара — менее 0,5 сек, что вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к Ч (прибор) широкого потребления.

В России в 18 в. над совершенствованием Ч (прибор), в частности спускового механизма и способов температурной компенсации, работали выдающиеся механики Кулибин, Т. И. Волосков, инженер Л. Сабакин. Кулибин создал ряд уникальных Ч (прибор), в том числе хранящиеся в Эрмитаже Ч (прибор) в форме яйца, с фигурами, автоматически выполняющими во время боя сложные движения; карманные планетарные Ч (прибор) с семью стрелками, показывающими часы, минуты, секунды, дни недели, месяцы, фазы Луны, восход и заход Солнца. В 19 в. в России успешно работали над совершенствованием Ч (прибор) механики Д. И. Толстой, И. П. Носов; часовщики братья И. Н. и Н. Н. Бутеноп в 1851—52 полностью реконструировали куранты Спасской башни Московского Кремля (см. Кремлевские куранты).

По назначению Ч (прибор) можно разделить (условно) на бытовые и специальные. В зависимости от условий использования различают бытовые Ч (прибор) наручные, карманные, настольные, настенные, уличные, башенные. В зависимости от назначения выделяют специализированные Ч (прибор) для подводного плавания, дорожные, антимагнитные и др. Имеется большая группа Ч (прибор) специального, служебного назначения: сигнальные, табельные, процедурные, программные и др. По типу колебательных систем, используемых в современных Ч (прибор), различают маятниковые, балансовые, камертонные, кварцевые и квантовые часы. Поскольку в Ч (прибор) поддержание колебаний и индикация могут выполняться от разных энергетических источников и разными способами, то различают механические, электромеханические (или контактные), электронно-механические (или бесконтактные) и электронные Ч (прибор) (например, кварцевые с цифровой индикацией на жидких Особо выделяют синхронные или, как их иногда называют, электрические Ч (прибор), работающие от сети переменного тока. Такие Ч (прибор) по существу являются вторичными, а роль первичных Ч (прибор) выполняет генератор электростанции. Первичными Ч (прибор) могут быть также обычные Ч (прибор), как правило, повышенной точности, от которых с минутными или полуминутными интервалами по проводам передаются электрические импульсы вторичным Ч (прибор)

Наиболее распространены (70-е гг. 20 в.) механические Ч (прибор) с механическим (пружинным, гиревым) приводом. Основные узлы современных механических Ч (прибор) (рис. 5) — двигатель, система колес, ход или спусковой механизм, регулятор, стрелочный механизм и механизм заводки Ч (прибор) Пружина (двигатель) вращает барабан 1 (внутри которого она находится) и через него систему колес 2—5, частота вращения которых определяется периодом колебаний системы "баланс — спираль" 6—7. Числа зубьев колес и период колебаний баланса подбирают так, чтобы колесо 2 делало один оборот в час, а колесо 4 — один оборот в минуту; на их осях могут устанавливаться соответственно минутная и секундная стрелки. Практически же минутная стрелка закрепляется не на самой оси колеса 2, а на трибе 9, позволяющем переводить стрелку независимо от колес 2—5. Колесо 2 через передачу 9—11— 12 приводит в движение колесо 10, на котором крепится часовая стрелка. При заводке вращение головки 15 (через вал 14, муфту 18 и колеса 17, 19 и 20) сообщается валу, на который наматывается пружина. При переводе стрелок вытягивают головку 15, муфта 18 с помощью рычагов 16 отводится от триба 17 и вступает в зацепление с переводными колесами 13, вращение которых сообщается стрелкам. Современные Ч (прибор) оснащают часто дополнительным механизмом, показывающим числа и дни недели, а в крупных часах и месяцы. В наручных Ч (прибор) часто применяют противоударные устройства, предохраняющие их механизм от поломок. Все большее распространение получают наручные механические Ч (прибор) с автоматическим подзаводом, в которых на механизме Ч (прибор) со стороны крышки расположен свободно качающийся груз в виде неуравновешенного сектора. При ношении Ч (прибор) на руке груз качается и через колесную передачу с реверсивным устройством подзаводит пружину; за 10—12 часов пружина получает завод, обеспечивающий ход Ч (прибор) в течение 20 и более часов. Потребитель освобождается от необходимости заводить Ч (прибор) и, что особенно важно, они работают при более постоянном значении усилия заводной пружины, в результате чего Ч (прибор) имеют более высокую точность хода.

Первые попытки применения электрических устройств в Ч (прибор) относятся к 30—40-м гг. 19 в. Первоначально получили распространение электромеханические маятниковые и балансовые Ч (прибор), в которых завод осуществлялся с помощью электромагнита, электродвигателя и т.д. Большое значение для дальнейшего развития электромеханических Ч (прибор) имели работы швейцарских часовщиков М. Гиппа и Л. Бреге, создавших Ч (прибор) с электроприводом. В электромеханических Ч (прибор) с электроприводом источник питания через контакты, управляемые маятником или балансом, периодически подключается к приводу, в результате чего в спусковом регуляторе устанавливаются автоколебания. Роль двигателя таких Ч (прибор) выполняет сама колебательная система, движение которой с помощью спец. механизма преобразуется в прерывистое вращательное движение стрелок.

До середины 20 в. электромеханические Ч (прибор) были в основном крупногабаритными, маятникового, реже балансового типа. На усовершенствование конструкции малогабаритных, и прежде всего наручных, электромеханических балансовых Ч (прибор) значительное влияние оказало появление малогабаритных и энергоемких источников тока, миниатюрных контактов. В начале 50-х гг. 20 в. появились балансовые наручные электромеханические Ч (прибор), выпущенные фирмами во — "Лип" (Lip), в США — "Гамильтон" (Hamilton), электрическая цепь которых при подаче импульса балансу замыкалась механическими контактами.

Замена механических контактов электронными ключами на транзисторах, туннельных диодах, интегральных микросхемах решила проблему повышения надежности электронно-механических Ч (прибор) Современные наручные электронно-механические балансовые Ч (прибор) имеют точность хода ±15 сек в сутки, потребляют около 10 мка от источника тока напряжением 1,3—1,5 в. Такие Ч (прибор) с традиционными колебательными системами (осцилляторами) — маятником или "баланс — спиралью" — в отличие от контактных Ч (прибор) иногда называют бесконтактными. Быстродействие электронных устройств и возможность управлять ими при малых амплитудах осцилляторов обусловили развитие камертонных и кварцевых Ч (прибор), обладающих высокой точностью.

В 70-х гг. 20 в. получили широкое распространение наручные и настольные камертонные Ч (прибор) с автономной работой без смены батареи от 1 до 2 лет при точности хода ±2 сек в сутки. Первый камертонный регулятор с контактным прерывателем был создан А. Гийе в 1915. В 1919 У. Эклс и Ф. Джордан (Великобритания) и А. Абрахам и Э. Блох ( предложили схему лампового камертонного регулятора с электромагнитной системой привода. Камертонные регуляторы на транзисторах для наручных Ч (прибор) впервые были изготовлены фирмой "Булова уотч компани" (Bulova Watch Со) в США в 1950; в СССР камертонные Ч (прибор) были выпущены в 1962 на 2-м Московском часовом заводе. В этих Ч (прибор) применен храповой механизм для преобразования колебаний камертона во вращение стрелок. Одна из схем электромеханических камертонных Ч (прибор) представлена на рис. 6. При колебаниях камертона в обмотке освобождения наводится эдс, которая открывает транзистор, в результате чего в импульсную обмотку поступает ток от источника питания. Частота колебаний камертона — 360 гц.

В электронно-механических Ч (прибор) с относительно высокочастотными (порядка 32 кгц) кварцевыми осцилляторами электрические импульсы спускового регулятора управляют работой шагового или синхронного электродвигателя или синхронизируют работу двигателей постоянного тока. В этих случаях схема управления состоит из электронного делителя частоты, схемы формирования импульсов и усилителей. Большинство кварцевых Ч (прибор) имеет шаговый электродвигатель. Регулировка хода Ч (прибор) осуществляется с помощью триммера в цепи кварцевого генератора. Впервые схема кварцевых Ч (прибор) была предложена В. А. Маррисоном (Великобритания) в 1929; в конце 70-х гг. такие Ч (прибор) выпускают многие фирмы, например в Швейцарии "Патек Филипп Эбош" (Patek Philippe Ebauches), "Омега" (Omega); в США — "Гамильтон"; в Японии — "Сэйко" (Seiko). Высокотемпературная стабильность, повышенная добротность и устойчивость кварцевых генераторов к внешним динамическим воздействиям обеспечивают точность бытовых малогабаритных электронно-механических Ч (прибор) около 2 сек, а в крупногабаритных прецизионных — 0,001 сек в сутки.

Кварцевые наручные Ч (прибор) получили распространение благодаря возможностям современной технологии изготовления полупроводников и созданию интегральных микросхем. Ч (прибор) с электронной схемой и цифровой индикацией на жидких кристаллах или светодиодах называются электронными. Электронная часть этих Ч (прибор) содержит, кроме кварцевого генератора, делители частоты (счетчик), дешифраторы (рис. 7а). В СССР выпускаются (1977) кварцевые часы как со стрелочной, так и с цифровой индикацией (рис. 7б).

Для согласования показаний группы Ч (прибор) применяются системы единого времени. Они состоят из первичных высокоточных Ч (прибор) и группы вторичных Ч (прибор), соединенных с первичными каналами связи. Первичные Ч (прибор) управляют работой вторичных Ч (прибор), которые могут быть обычными электромеханическими Ч (прибор) или счетчиками электрических импульсов. Для повышения точности и надежности системы единого времени вторичные Ч (прибор) часто делают автономными (самостоятельно идущими), ход которых периодически корректируется или синхронизируется сигналами точного времени от первичных Ч (прибор)

Современные Ч (прибор) обеспечивают широкий диапазон по точности в зависимости от практических потребностей измерения времени. Так, например, эталоны, используемые, в частности, при космических исследованиях, имеют относительную погрешность около 10^¾13; высокоточные маятниковые Ч (прибор) порядка 10^¾11; кварцевые морские хронометры 10^¾8 (т. е. точность их хода составляет несколько тысячных долей сек за сутки); наручные кварцевые часы имеют точность хода в пределах 2 сек в сутки, камертонные и балансовые электронно-механические Ч (прибор) до 15 сек в сутки; механические бытовые Ч (прибор) высокого качества до 5 сек, а среднего качества 30—60 сек в сутки; механические будильники 1—1,5 мин в сутки.

Лит.: Аксельрод З. М., Теория и проектирование приборов времени, Л., 1969; Дроздов Ф. В., Приборы времени, М., 1940; Баутин Н. Н., Динамические модели свободных часовых ходов, в кн.: Памяти А. А. Андронова, М., 1955; Шполянский В. А., Чернягин Б. М., Электрические приборы времени, М., 1964; Константинов А. И., Флеер А. Г., Время, М., 1971; Andrade J. . С., Horlogerie et chronométrie, ., 1924; Defossez L., éorie générale d`horlogerie, t. 1, Le Chaux-de-Fonds, 1950; Haag J., Les mouvements vibratoires, t. 1. ., 1952.

В. И. Денисов, Б. М. Чернягин.

		Новости 22.12.2024 21:47:47

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.