Станислав Михаль - Часы. От гномона до атомных часов

Рис. 23.Схема передачи силы в механических часах

Другим неприятным фактором является понижение груза при каждом скачке спускового колеса, сопровождаемое потерей его потенциальной энергии. Это особенно чувствительно проявлялось у больших башенных часов, где масса груза составляла 100 кг и больше. Поднимание таких тяжелых грузов являлось физически тяжелым делом, и, кроме того, большие силы, которые возникают при этом в зубьях передачи, вызывают их быстрый износ.

Кроме своей простоты, грузовой привод имел перед пружинным приводом то большое преимущество, что в первом можно было сравнительно легко накапливать большое количество энергии. Сам приводной механизм образовывался ведущим валом с канатным барабаном или цепным колесом (рис. 24), храповиком и свободно вращающимся ведущим колесом с защелкой, предотвращающей возвратное движение. У самых старых часов цепные барабаны первоначально были деревянными, гладкими. На них наматывались пеньковые канаты с каменными, а позднее — металлическими грузами. Для более поздних часов XIX в. применялись металлические цепи. В таких случаях часы имели металлические канатные барабаны с пазами для витков каната. Меньшие настенные часы имели груз, подвешенный на струнах из овечьих кишок, а дешевые часы XIX и XX вв. имели грузы на металлических звеньевых цепочках. Цепные звездочки были, правда, намного уже, чем канатные барабаны, но передача силы на них была несовершенной ввиду непрерывно изменяющегося трения между зубьями звездочки и звеньями цепи при ее неудачной отмотке. Для удлинения хода часов между двумя заводками приходилось размещать часы на большой высоте, в самых высоких этажах зданий, в башнях или же применять системы роликов. Правда, одного ролика было недостаточно для увеличения продолжительности хода вдвое, но для развития нужной приводной силы был необходим груз удвоенной массы.

Рис. 24.Привод грузом: а — струнный ( 1 — ведущее колесо, 2 — защелка, 3 — храповое колесо, 4 — струнный цилиндр); б — цепной ( 1 — ведущее колесо, 2 — храповое колесо, 3 — защелка, 4 — пружина защелки, 5 — цепное колесо-звездочка)

Хорошие маятниковые часы, приводимые грузом, имели точный ход. Их суточная погрешность колебалась в пределах нескольких секунд или даже десятых долей секунды. Для точного измерения времени необходимо было, чтобы ход часов был абсолютно равномерным. Приводная сила должна была быть постоянной, не изменяться даже в течение тех коротких моментов, когда часы заводились. Поэтому у старых астрономических регуляторов мы встречаемся со специальным дополнительным механизмом, в задачу которого входило обеспечение постоянства приводной силы во время заводки часов.

Стремление к приоритету побуждало некоторых часовщиков создавать интересные конструкции привода, некоторые до сих пор привлекают внимание коллекционеров старых часов. Одной из таких конструкции являются пилообразные часы, в которых часовой механизм вместе с футляром, заполненным свинцом, является грузом. Приводную силу здесь передает длинная зубчатая рейка через триб и передаточный механизм на спусковой механизм часов. Известны так называемые цилиндровые часы, также приводимые собственным весом. Против момента силы тяжести, приводящей цилиндрическую втулку часов в движение по наклонной поверхности, действует силовой момент массивного сегмента внутри часов. Эти часы называли также гравитационными, и мы возвратимся к ним в главе, посвященной необычным типам часов.

Пружинный привод, который стали применять в часовом ремесле в XV и XVI вв., открыл путь к всестороннему использованию механических часов. Этот вид привода до сих пор преобладает у массовых часов, но в последнее время он постепенно вытесняется иными источниками энергии в электрических и электронных часах.

Пружинный привод механизма возник вне области часового дела. Уже в средние века кузнецы и слесари изготовляли подвижные фигурки. Пожалуй, самым старым примером их может быть железный петух, установленный на первых башенных часах в 1354 г. в Страсбурге. Возрождение принесло повышенный интерес к полуавтоматическим приборам и, конечно, побудило тогдашних часовщиков заняться идеей использования стальной пружины для привода часового механизма. В некоторых литературных источниках говорится о том, что первые пружинные часы появились примерно около 1430 г. К этому времени относятся сообщения о часах, изготовленных Пьерром Ломбартом из Монза и Еганом Паулином из Брюгге для герцога Филиппа III Доброго, о которых мы уже упоминали.

Пружины часов XVI в. нельзя ни в какой степени сравнивать с современными пружинами, изготовляемыми из катаной стали с содержанием углерода чуть более 1%, и с пружинами из специальных сплавов с добавками кобальта, хрома, никеля и т.п. Высокие нагрузки материала сопровождаются у каждой пружины стойкими деформациями, которые влияют на точность хода часов. В отличие от грузов (гирь) здесь приводная сила пружины изменяется также с изменением числа ее витков. Приводная сила после резкого начального падения через несколько часов хода начинает понижаться медленнее и более равномерно, за исключением короткого периода перед тем, как часы останавливаются из-за того, что приводная сила снова начинает быстро понижаться. Эта характеристика относится главным образом к пружинам, изготовляемым в настоящее время. У старых часов кривая приводной силы была еще менее равномерной, поскольку качество и обработка стали были тогда значительно хуже. И, кроме того, сравнительно грубая поверхность пружины, всаженной в неподвижный держатель пружины (барабан), вызывала большое трение и понижала эффективность пружины. Поэтому простейшие старые пружинные часы и не могли обходиться без вспомогательного механизма для выравнивания приводной силы.

Рис. 25.Компенсатор силы заводной пружины «улитка»: 1 — барабан пружины, 2 — завиток, 3 — струна (цепочка), 4 — пружина завитка, 5 — рычаг завитка, 6 — палец завитка

Самым распространенным компенсатором приводной силы пружины была так называемая «улитка» (рис. 25), размещаемая между барабаном пружины и часовым механизмом. Сила привода барабана пружины переносилась на улитку струной из овечьих кишок или тонкой плоской металлической цепочкой, состоящей из многих склепанных звеньев. При заведенной пружине струна обматывала все витки завитка и при разматывании наматывалась на гладкий барабан держателя пружины. Радиус отматывания на улитке постепенно увеличивался по мере уменьшающейся силы пружины, так что конечная приводная сила оставалась примерно одинаковой. Изготовление цепочек к улиткам относилось к самым тонким профессиональным операциям у часовщиков и зачастую поручалось только женщинам. Одна такая цепочка имела от 500 до 800 звеньев. Однако в целом между струнным и цепочечным стабилизаторами не было существенного различия. Вначале струнные стабилизаторы старого типа имели закругленные пазы на завитке, а у цепочечных компенсаторов профиль паза был граненым. Изобретение улитки приписывалось многим часовщикам, в том числе, явно несправедливо, и Якубу Цеху, по всей вероятности, первому чешскому производителю портативных пружинных часов. Однако эта идея безусловно более стара, мы с ней встречаемся, например, у нюрнбергского часовщика Петра Генлейна. По форме улитки можно также приближенно определить возраст тех или иных часов. Ранние конструкции XVI и XVII вв. имели стройные высокие улитки, а по мере уменьшения толщины часового механизма в целом становилась более плоской и улитка и возрастал угол вершины ее конуса. Формы улиток зависели также от качества тогдашних пружин. Пружины дешевых часов XVIII в. не отличались высоким качеством, их приводная сила подвергалась значительным изменениям, и для компенсации этой силы требовалась плоская улитка с большим сужением.