На новогодних поздравительных открытках часто помещают изображение часов. Это не удивительно. Ведь момент перехода от старого к новому году фиксируют с помощью прибора для измерения времени - часов.
Более двух веков точными приборами для измерения времени были маятниковые механические часы. Они стали символом своей эпохи. Если в древних мифах мир выглядел как живое существо, то в XVII - XVIII веках его сравнивали с часами, а Бога-творца называли великим часовщиком.
Сегодня механические маятниковые часы стали экзотикой. Проблемы усовершенствование давно перестали быть темами диссертаций или научных конференций. А их история воспринимается как сказка - интересно, поучительно, но очень далеко от современной жизни.
Первые механические часы - башенные - были построены в XIV веке. К XVI века имели только одну стрелку - часовую. Их механизм двигали гири, опускались, а ход регулировался шпиндельным механизмом.
Этот механизм включал коронную шестерню, которая вращалась вокруг горизонтальной оси, вертикально расположенный шпиндель (стержень с двумя лопатками, расположенными примерно под углом 90 °) и присоединен к шпинделя горизонтальный балансир - стержень с размещенными на нем грузами, которые можно было перемещать, чтобы регулировать ход часов . Когда шестерня вращалась, лопатки получали толчки от зубцов, в одну или другую сторону, в результате чего балансир осуществлял колебания, которыми определялся ход часов. Период колебаний зависел от момента инерции системы шпиндель-балансир, силы толчков и трения. Эти факторы трудно стабилизировать. В частности, момент инерции балансира в результате его теплового расширения или сжатия менялся даже в течение суток. Поэтому шпиндельные часы имели низкую точность - не выше полчаса в сутки, и их подводили за солнцем.
Около 1510 нюрнбергский механик П.Хенлейн впервые применил вместо гирь стальную пружину и создал карманный шпиндельный часы, которые были еще менее точным, чем башенный, поскольку его ход существенно зависел от степени заведения пружины.
Новую эру в развитии механических часов положило применения в них маятника. Это осуществили основатели научной механики итальянец Галилео Галилей (1564-1642) и голландец Христиан Гюйгенс (1629-1695).
В 1583 гг. 19-летний Г.Галилей, находясь в Пизанском соборе, заметил, что период колебаний люстры остается неизменным (то есть изохронным), когда амплитуда колебаний уменьшается. Впоследствии он исследовал, что период колебаний маятника пропорционален корню квадратному из его длины и не зависит от его веса. Об этом он сообщил в своей книге "Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки" (1638). Можно предположить, что Галилей неоднократно размышлял над тем, как применить маятник для создания точных часов, но к разработке механизма приступил только в возрасте более 70 лет, - уже после того как ослеп. По указаниям Галилея разработку часов продолжили его сын Винченцо и ученик Вивиани, но неизвестно, удалось ли им изготовить часы - остались только чертежи, на основе которых впоследствии изготовили модель часов.
Спусковой механизм часов Галилея состоял из двух скоб, закрепленных на оси маятника, храпового колеса со штифтами и пружины со штифтом, которая в разогнутом состоянии не давала колесу возвращаться. Когда маятник двигался влево, верхняя скоба поднимала пружину, колесо возвращалось и ударяло по нижней скобе. Маятник, получив толчок, двигался вправо, верхняя скоба отпускала пружину, храповое колесо, вернувшись на один зуб, останавливалось. Маятник, сделав одно колебание, возвращался, и цикл начинался сначала.
Независимо от Галилея маятниковые часы изобрел Х. Гюйгенса. В 1657 году он получил на часы патент Нидерландов, а в 1658 издал брошюру "Часы", где описал его конструкцию. В своих часах Гюйгенс использовал шпиндельный механизм, который отличался от известного тем, что коронная шестерня вращалась вокруг вертикальной оси, балансира с грузами не было, а к шпинделя, расположенного горизонтально, присоединялся маятник. Поскольку колебания маятника происходили под действием неизменной силы тяжести, период колебаний был стабилен, что обеспечивало существенное повышение точности часов по сравнению с шпиндельным.
Шпиндельный механизм был менее совершенным, чем механизм, предложенный Галилеем. В частности, он мог работать только в случае применения маятника с большой амплитудой колебаний. Х. Гюйгенса исследовал, что такие колебания не являются изохронными. Можно было бы попытаться разработать новый механизм, который мог бы действовать при малых амплитудах колебаний маятника, но Гюйгенс выбрал путь совершенствования шпиндельного механизма. В результате экспериментальных и теоретических исследований он установил, что изохронным является маятник, который движется по циклоиде, а также получил еще ряд результатов, которые существенно развивали раздел механики - динамику.
В 1673 Гюйгенс издал труд "Маятниковые часы», в которой описал конструкции часов с обычным, циклоидальные и коническим маятниками, впервые в истории науки рассмотрел вопрос о центре колебания физических тел, определения ускорения земного притяжения с помощью маятника, дал теорию центробежной силы, описал механические и геометрические свойства циклоиды, исследовал эволюты и эвольвенты.
Первые часы с циклоидальные маятником по проекту Гюйгенса изготовил мастер С.Костер. Такие часы имел погрешность 5-10 секунд в сутки.
В 1675 Гюйгенс одновременно с Робертом Гуком предложил использовать в качестве регулятора колебаний систему "баланс - спираль", которая состоит из колеса с массивным металлическим ободом, закрепленным на оси, и тонкой пружины, один конец которой крепится к оси баланса, а второй - к неподвижной опоры. Эта система оказалась слишком чувствительной к изменению температуры, так как при изменении температуры менялась не только длина пружины, но и ее упругие свойства.
Невозможность добиться стабильного хода часов с большой амплитудой колебаний маятника, которая необходима для работы шпиндельного механизма, заставила мастеров искать способы использования колебаний с малой амплитудой. Таким средством стал анкерный механизм. В нем зубцы анкера (Anker - немецки означает якорь), который находится на оси маятника, поочередно входят в зацепление с зубцами ходовой шестерни и регулируют ее вращения. Первые часы с анкерным механизмом изготовил в 1671 англичанин Уильям Клемент (1640-1696).
Анкерный механизм усовершенствовал в 1715 англичанин Джордж Грэхем (1673-1751), который изобрел несвободный анкерный механизм, имеющий значительно меньшие потери энергии, чем механизм Клемента. Использовав этот механизм, Грэхем создал часы с точностью хода 0,1 секунды. Механизм Дж.Ґрехема применяли в астрономических обсерваториях до 1890 гг. - Почти 200 лет.
Дж.Ґрехем несколько лет исследовал влияние различных факторов на ход часов и пришел к выводу, что решающую роль играет изменение температуры. Определив коэффициенты температурного расширения различных металлов, Грэхем изобрел ртутный компенсационный маятник. Маятник был наполнен ртутью, которая имеет коэффициент теплового расширения на порядок выше, чем железо. При повышении температуры длина маятника растет. В то же время ртуть поднимается в трубке и компенсирует опускания центра тяжести маятника.
Одновременно с Ґрехемом над проблемой температурной компенсации маятника работал Джон Гаррисон (1693-1776). В 1726 он сконструировал решетчатый маятник с продольных железных и поперечных латунных стержней. При повышении температуры из-за расширения железных стержней длина маятника росла. Но латунные стержни, расширяясь, искажали стальные стержни, компенсируя рост длины маятника.
Дж.Гаррисон создал и первый морской хронометр. На это его вдохновил билль (закон) Английского парламента о премии в 20 тыс. Фунтов стерлингов за способ определения долготы с погрешностью в 0,5 градуса или 30 миль за время плавания в Вест-Индию (Америку) и обратно.
Дж. ГаррисонГаррисон приступил к разработке хронометра в 1726 г.. И завершил разработку первых часов в 1735 Часы приводился в действие двумя ходовыми пружинами. Его ход определялся двумя массивными балансами, которые колебались в противоположных направлениях, за счет чего существенно уменьшался влияние движений корабля на ход часов. Гаррисон также разработал новый спусковой механизм, известный под названием "конек", средство автоматической компенсации действия изменений температуры на балансовые пружины, добился существенного уменьшения трения в механизме. Эти часы испытали в мае 1736 г. Во время плавания в Лиссабон и обратно и получили обнадеживающие результаты.
Второй, усовершенствованный, часы Гаррисон изготовил в 1739 На море его испытывали, поскольку Англия находилась в состоянии войны с Испанией и была опасность, что часы могут попасть в руки врага.
В 1741 г.. Гаррисон начал изготовление своего третьего морского часов, но закончил его только в 1757 году. Здесь для компенсации влияния изменения температуры на упругость спирали и на ход часов было применено биметаллический компенсационный устройство, менял длину пружины при изменении температуры. Эти часы тоже не испытали на море. В 1759 Гаррисон изготовил четвертый морской часы. В нем он применил видоизмененный шпиндельный ход и использовал ряд усовершенствований, разработанных ранее.
С целью проведения испытаний в путешествие с этим хронометром 18 ноября 1761 на Ямайку на корабле "Дептфорд" из Портсмута отправился сын Харрисона Уильям. После 61-дневного путешествия часы отставал примерно на 9 с. В обратный путь корабль отправился 28 января 1762 и прибыл в Портсмут 26 марта 1762 Часы за это время отстал на одну минуту и 5 секунд, что соответствовало погрешности в 18 миль, которая была меньше, чем 30 миль - погрешности допускалась для получения премии в 20 тыс. фунтов стерлингов. Итак, Гаррисон решил проблему, которую поставил Английский парламент, после 36 лет работы!
Однако соответствующие инстанции вважилы результаты неубедительными. Харрисону выплатили только 10 тыс. Фунтов и продолжили испытания. Они были успешными, но вторую половину премии Гаррисон получил незадолго до смерти - только после того, как его часами в 1772-1775 гг. Успешно воспользовался знаменитый Джеймс Кук во время плавания южными морями на корабле "Резольюшен".
Понятно, что история часов не остановилась на хронометрах Гаррисона. Другие мастера совершенствовали механизмы (только анкерных механизмов был изобретен более двухсот!), Разрабатывали новые материалы - с близким к нулю коэффициентом линейного расширения (для маятников) и с минимальным значением Термоеластичная коэффициента (для упругих элементов), создавали новые типы часов, например, наручные .
В XIX в. появились электрические часы, в которых колебаниями маятника руководит электрическая схема, в середине ХХ века - электронные, в основе которых подсчет числа колебаний кварцевого резонатора электронной схеме.
Сегодня механические маятниковые часы по точности не могут конкурировать с электронными как приборы для измерения времени. Но они сохраняют эстетическую ценность, и их история, как часть истории человеческой цивилизации, всегда будет оставаться источником вдохновляющих примеров.
