На новорічних вітальних листівках часто поміщають зображення годинника. Це не дивно. Адже момент переходу від старого до нового року фіксують за допомогою приладу для вимірювання часу – годинника.
Більше двох століть найточнішими приладами для вимірювання часу були маятникові механічні годинники. Вони стали символом своєї епохи. Якщо в давніх міфах світ виглядав як жива істота, то в XVII – XVIII століттях його порівнювали з годинником, а Бога-творця називали великим годинникарем.
Сьогодні механічні маятникові годинники стали екзотикою. Проблеми їх удосконалення давно перестали бути темами дисертацій чи наукових конференцій. А їх історія сприймається як казка – цікаво, повчально, але дуже далеко від сучасного життя.
Перші механічні годинники – баштові – були споруджені в XIV столітті. До XVI століття вони мали лише одну стрілку – годинну. Їхній механізм рухали гирі, що опускалися, а хід регулювався шпиндельним механізмом.
Цей механізм включав коронну шестерню, яка оберталась навколо горизонтальної осі, вертикально розташований шпиндель (стержень з двома лопатками, розташованими приблизно під кутом 90о) і приєднаний до шпинделя горизонтальний балансир – стержень з розміщеними на ньому вантажами, які можна було переміщувати, щоб регулювати хід годинника. Коли шестерня оберталась, лопатки отримували поштовхи від зубців, в одну чи другу сторону, внаслідок чого балансир здійснював коливання, якими визначався хід годинника. Період коливань залежав від моменту інерції системи шпиндель-балансир, сили поштовхів і тертя. Ці фактори важко було стабілізувати. Зокрема, момент інерції балансира внаслідок його теплового розширення або стиснення змінювався навіть протягом доби. Через це шпиндельні годинники мали низьку точність – не вище ніж півгодини на добу, і їх підводили за сонцем.
Близько 1510 р. нюрнберзький механік П.Хенлейн вперше застосував замість гир сталеву пружину і створив кишеньковий шпиндельний годинник, який був ще менш точним, ніж баштовий, оскільки його хід суттєво залежав від ступеня заведення пружини.
Нову еру в розвитку механічних годинників поклало застосування в них маятника. Це здійснили засновники наукової механіки італієць Галілео Галілей (1564-1642) і голландець Християн Гюйгенс (1629-1695).
У 1583 р. 19-річний Г.Галілей, перебуваючи в Пізанському соборі, помітив, що період коливань люстри залишається незмінним (тобто є ізохронним), коли амплітуда коливань зменшується. Згодом він дослідив, що період коливань маятника пропорційний кореню квадратному з його довжини і не залежить від його ваги. Про це він повідомив у своїй книзі "Бесіди і математичні доведення, що стосуються двох нових галузей науки" (1638 р.). Можна припустити, що Галілей неодноразово міркував над тим, як застосувати маятник для створення точного годинника, але до розробки механізму приступив лише у віці більше 70-ти років, – уже після того як осліп. За вказівками Галілея розробку годинника продовжили його син Вінченцо і учень Вівіані, але невідомо, чи вдалося їм виготовити годинник – залишилися лише креслення, на основі яких згодом виготовили модель годинника.
Спусковий механізм годинника Галілея складався з двох скоб, закріплених на осі маятника, храпового колеса з штифтами і пружини зі штифтом, яка в розігнутому стані не давала колесу повертатися. Коли маятник рухався вліво, верхня скоба піднімала пружину, колесо поверталося і вдаряло по нижній скобі. Маятник, отримавши поштовх, рухався вправо, верхня скоба відпускала пружину, храпове колесо, повернувшись на один зуб, зупинялося. Маятник, зробивши одне коливання, повертався, і цикл починався спочатку.
Незалежно від Галілея маятниковий годинник винайшов Х.Гюйгенс. У 1657 році він отримав на свій годинник патент Нідерландів, а в 1658 р. видав брошуру "Годинник", де описав його конструкцію. У своєму годиннику Гюйгенс використав шпиндельний механізм, який відрізнявся від відомого тим, що коронна шестерня оберталась навколо вертикальної осі, балансиру з вантажами не було, а до шпинделя, розташованого горизонтально, приєднувався маятник. Оскільки коливання маятника відбувалися під дією незмінної сили тяжіння, період коливань був стабільний, що забезпечувало суттєве підвищення точності годинника порівняно зі шпиндельним.
Шпиндельний механізм був менш досконалим, ніж механізм, запропонований Галілеєм. Зокрема, він міг працювати лише у випадку застосування маятника з великою амплітудою коливань. Х.Гюйгенс дослідив, що такі коливання не є ізохронними. Можна було б спробувати розробити новий механізм, який міг би діяти при малих амплітудах коливань маятника, але Гюйгенс вибрав шлях вдосконалення шпиндельного механізму. В результаті експериментальних і теоретичних досліджень він встановив, що ізохронним є маятник, який рухається по циклоїді, а також отримав ще низку результатів, які суттєво розвивали розділ механіки – динаміку.
У 1673 р. Гюйгенс видав працю "Маятниковий годинник", в якій описав конструкції годинників зі звичайним, циклоїдальним і конічним маятниками, вперше в історії науки розглянув питання про центр коливання фізичних тіл, визначення прискорення земного тяжіння за допомогою маятника, дав теорію відцентрової сили, описав механічні та геометричні властивості циклоїди, дослідив еволюти і евольвенти.
Перший годинник з циклоїдальним маятником за проектом Гюйгенса виготовив майстер С.Костер. Такий годинник мав похибку 5-10 секунд за добу.
У 1675 р. Гюйгенс одночасно з Робертом Гуком запропонував використовувати як регулятор коливань систему "баланс – спіраль", яка складається з колеса з масивним металевим ободом, закріпленим на вісі, і тонкої пружини, один кінець якої кріпиться до осі балансу, а другий – до нерухомої опори. Ця система виявилася надто чутливою до зміни температури, бо при зміні температури змінювалась не лише довжина пружини, а й її пружні властивості.
Неможливість добитися стабільного ходу годинника з великою амплітудою коливань маятника, яка необхідна для роботи шпиндельного механізму, змусила майстрів шукати засоби використання коливань з малою амплітудою. Таким засобом став анкерний механізм. У ньому зубці анкера (Anker – німецькою означає якір), який знаходиться на осі маятника, по черзі входять у зчеплення з зубцями ходової шестерні і регулюють її обертання. Перший годинник з анкерним механізмом виготовив у 1671 р. англієць Вільям Клемент (1640-1696).
Анкерний механізм вдосконалив у 1715 р. англієць Джордж Ґрехем (1673-1751), який винайшов невільний анкерний механізм, що має значно менші втрати енергії, ніж механізм Клемента. Використавши цей механізм, Ґрехем створив годинник з точністю ходу 0,1 секунди. Механізм Дж.Ґрехема застосовували в астрономічних обсерваторіях до 1890 р. – майже 200 років.
Дж.Ґрехем кілька років досліджував вплив різних факторів на хід годинника і дійшов висновку, що вирішальну роль має зміна температури. Визначивши коефіцієнти температурного розширення різних металів, Ґрехем винайшов ртутний компенсаційний маятник. Маятник був наповнений ртуттю, яка має коефіцієнт теплового розширення на порядок вищий, ніж залізо. При підвищенні температури довжина маятника зростає. Водночас ртуть піднімається у трубці і компенсує опускання центру ваги маятника.
Одночасно з Ґрехемом над проблемою температурної компенсації маятника працював Джон Гаррісон (1693-1776). У 1726 р. він сконструював решітчастий маятник із поздовжніх залізних і поперечних латунних стержнів. При підвищенні температури через розширення залізних стержнів довжина маятника зростала. Але латунні стержні, розширюючись, викривляли стальні стержні, компенсуючи зростання довжини маятника.
Дж.Гаррісон створив і перший морський хронометр. На це його надихнув білль (закон) Англійського парламенту про премію у 20 тис. фунтів стерлінгів за спосіб визначення довготи з похибкою в 0,5 градуса або 30 миль за час плавання у Вест-Індію (Америку) і назад.
Гаррісон приступив до розробки хронометра в 1726 р. і завершив розробку першого годинника у 1735 р. Годинник приводився в дію двома ходовими пружинами. Його хід визначався двома масивними балансами, які коливалися в протилежних напрямках, за рахунок чого суттєво зменшувався вплив рухів корабля на хід годинника. Гаррісон також розробив новий спусковий механізм, відомий під назвою "коник", засіб автоматичної компенсації дії змін температури на балансові пружини, домігся суттєвого зменшення тертя в механізмі. Цей годинник випробували у травні 1736 р. під час плавання до Лісабона і назад і отримали обнадійливі результати.
Другий, удосконалений, годинник Гаррісон виготовив у 1739 р. На морі його не випробовували, оскільки Англія перебувала у стані війни з Іспанією і була небезпека, що годинник може потрапити до рук ворога.
У 1741 р. Гаррісон розпочав виготовлення свого третього морського годинника, але закінчив його тільки в 1757 р. Тут для компенсації впливу зміни температури на пружність спіралі і на хід годинника було застосовано біметалевий компенсаційний пристрій, який змінював довжину пружини при зміні температури. Цей годинник теж не випробували на морі. У 1759 р. Гаррісон виготовив четвертий морський годинник. У ньому він застосував видозмінений шпиндельний хід і використав низку вдосконалень, розроблених раніше.
З метою проведення випробувань у подорож з цим хронометром 18 листопада 1761 р. на Ямайку на кораблі "Дептфорд" з Портсмута відправився син Гаррісона Вільям. Після 61-денної подорожі годинник відставав приблизно на 9 с. У зворотний шлях корабель вирушив 28 січня 1762 р. і прибув у Портсмут 26 березня 1762 р. Годинник за цей час відстав на одну хвилину і 5 секунд, що відповідало похибці у 18 миль, яка була набагато меншою, ніж 30 миль – похибки, що допускалась для отримання премії в 20 тис. фунтів стерлінгів. Отже, Гаррісон вирішив проблему, яку поставив Англійський парламент, після 36 років роботи!
Однак відповідні інстанції вважили результати непереконливими. Гаррісону виплатили лише 10 тис. фунтів і продовжили випробування. Вони були успішними, але другу половину премії Гаррісон отримав незадовго до смерті – лише після того, як його годинником у 1772-1775 рр. успішно скористався знаменитий Джеймс Кук під час плавання південними морями на кораблі "Резольюшен".
Зрозуміло, що історія годинників не зупинилася на хронометрах Гаррісона. Інші майстри вдосконалювали механізми (тільки анкерних механізмів було винайдено більше двохсот!), розробляли нові матеріали – з близьким до нуля коефіцієнтом лінійного розширення (для маятників) і з мінімальним значенням термоеластичного коефіцієнта (для пружних елементів), створювали нові типи годинників, наприклад, наручні.
У XIX ст. з'явилися електричні годинники, в яких коливаннями маятника керує електрична схема, в середині ХХ століття – електронні, в основі яких підрахунок числа коливань кварцового резонатора електронною схемою.
Сьогодні механічні маятникові годинники за точністю не можуть конкурувати з електронними як прилади для вимірювання часу. Але вони зберігають естетичну цінність, і їх історія, як частина історії людської цивілізації, завжди залишатиметься джерелом надихаючих прикладів.
