Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2007 № 04

К началу XVI века точность измерения координат резко возросла, и настала необходимость значительно повысить точность измерения времени. И если в древнейшие времена астрономы пользовались песочными и водяными часами с механизмом, приводящим в движение стрелку (на рисунке 1 вы видите водяные часы со стрелочным циферблатом, подаренные Гаруном аль-Рашидом Карлу Великому в 799 году), то где-то около 800 года нашей эры папа римский Сильвестр II изобрел колесные часы, работающие от гири.

Рис. 1. Часы Карла Великого.

Изобретатели потратили немало сил для создания тормозных устройств, способных обеспечить плавное и точное движение гири, а значит, точный ход таких часов. Часы со стрелками украсили главные площади множества городов Европы, но для астрономических целей точность их хода была недостаточна. Так, датский астроном Тихо Браге (1546–1601) был вынужден во время наблюдений проверять свои, точнейшие по тем временам, часы каждые пятнадцать минут. В 1642 году астроном Ричиолли в течение нескольких ночей отсчитывал число колебаний маятника за промежуток времени между прохождением звезд Спика и Арктур через небесный меридиан. Он насчитывал от 3214 до 3216 колебаний за ночь, и это свидетельствовало о ценности маятника как исключительно точного средства измерения времени.

Но независимо от него об этом свойстве маятника знал и Галилео Галилей. Еще в 1636 году он предложил соединить маятник с механическим устройством, отсчитывающим число колебаний и выдающим его значение при помощи стрелки. Иными словами, он предложил маятниковые часы.

Наступившая слепота помешала ему завершить работу, а его сын Винченцо в разгар работы над часами умер от лихорадки, и маятниковые часы изобрел заново в 1657 году голландский физик Христиан Гюйгенс. Вот как они работали (рис. 2).

Рис. 2. Механизм часов Гюйгенса.

Механизм часов вращала веревка с гирей. Маятник был связан с механизмом при помощи зубчатого колеса и крючка (рис. 3).

Рис. 3. Механизм отклонения маятника.

Когда маятник отклонялся вправо, левая половина крючка цеплялась за зуб колеса и останавливала его движение. При отклонении маятника влево колесо начинало двигаться и подталкивало маятник. Таким образом, маятник мог колебаться неограниченно долго.

Гюйгенс построил двое часов, ход которых за сутки расходился всего лишь на 5 секунд. Получение столь высокой точности навело ученого на мысль о пригодности его часов для определения координат кораблей. В самых общих чертах это можно пояснить так.

Предположим, направление движения корабля совпадает с направлением движения Земли. За время движения корабля земной шар совершает поворот, который складывается с движением корабля. В результате восход Солнца наступит для него несколько раньше. По различию этого времени можно определить перемещение корабля вдоль параллели в градусах. Это и будет изменением его географической долготы.

Мореплавание в те годы набирало силу. Точное определение координат кораблей стало одной из главных проблем, сдерживавших его развитие. Естественно, что после открытия X. Гюйгенса спрос на часы резко возрос. Поскольку маятниковые часы не могут работать на корабле из-за качки, Гюйгенс решил использовать балансирный механизм — крутильный маятник, представлявший собою колесо с плоской спиральной пружиной на оси. Он получал энергию от зубчатого колеса при помощи такой же практически скобки, как применялась на маятниках (рис. 4).

Рис. 4. Балансирный механизм Гюйгенса.

По такой схеме английский часовых дел мастер Гаррисон в 1761 году изготовил судовой хронометр, который после полугодового плавания дал отклонение всего в 90 секунд.

Дальнейшее повышение точности морских часов требовало устранить влияние качки. Этого достигли, установив их в подвесе Кардана. В этом устройстве часы в силу своей инерции оставались в покое, а палуба корабля при качке как бы поворачивалась вокруг них по трем осям. При повышении точности стационарных часов большие трудности создавали колебания температуры, которые изменяли длину маятника и соответственно период его колебаний.

Вначале шли по пути поиска металлов с минимальным коэффициентом температурного расширения. И оказалось, что меньше всего температура влияет на… дерево. Мятники дешевых, но достаточно точных часов стали делать из пихты. Однако у дерева был свой недостаток: на него влияла влажность. Для часов особо высокой точности был создан компенсационный маятник, состоящий из центрального стержня с перемычкой на конце (рис. 5).

Рис. 5. Компенсационный маятник.

На ней укреплялись два стержня, идущие вверх, а к ним крепились соединенные с грузом стержни, идущие вниз. Если температура маятника снижалась, то за счет этого центральный стержень тянул груз вверх, а два ближайших к нему стержня — вниз. Подбирая сорта металла с различными коэффициентами теплового расширения, удалось получать маятники, на которые температура практически не влияла. Но проблемы оставались.

К концу завода пружины часов амплитуда и период колебаний маятника уменьшались, часы начинали отставать. В стремлении повысить точность хода изобретатели создали немало механизмов, способствующих сохранению постоянства амплитуды. Но работы шли и в ином направлении. Создавались маятники, период колебаний которых от амплитуды не зависел вообще. Их называют «таутохронными», что в переводе с греческого означает «равновременные».

Первую и самую изящную конструкцию такого маятника предложил сам X. Гюйгенс (рис. 6).

Рис. 6. Таутохронный маятник.

Такой маятник делают гибким у точки подвеса. При каждом колебании он огибает один из шаблонов особой формы. В результате груз немного поднимается и движется уже не по окружности, а по кривой, называемой циклоидой. Свойства ее удивительны. Если, например, построить снежную гору такой формы, то сани, стартующие с любой ее точки, окажутся внизу за один и тот же промежуток времени. То же самое, хоть он и не скользит, а движется под действием натяжения нити, происходит и с грузом маятника. Здесь важно лишь то, что тело движется по циклоиде. Такой маятник при любой амплитуде качается с одной и той же частотой.