Станислав Михаль - Часы. От гномона до атомных часов

Верхом совершенства в строительстве свободных электромагнитных маятников, примененных на практике, были электрические часы В.Х. Шортта. Его часы со сводным маятником, установленные впервые в 1921 г. на обсерватории в Эдинбурге, были в принципе построены на идее конструкции Рудда, развитой путем усовершенствования обоих синхронизированных маятников, работавших с 30-секундным интервалом между импульсами привода. Часы Шортта стали в период между обеими мировыми войнами обязательной принадлежностью всех крупных астрономических обсерваторий мира. Из наблюдения за ходом трех часов Шортта, установленных последовательно в 1924, 1926 и 1927 гг. в Гринвичской обсерватории, вычислили среднесуточную общую погрешность в 1/300 с, что приблизительно соответствует ошибке в 1 с в год. Точность, достигнутая свободным маятником Шортта, вызвала надежды на возможность измерений изменения продолжительности оборота Земли. В 1931 г. это привело к пересмотру абсолютной единицы времени — звездного времени — с учетом нутации земной оси. Отсюда происходила ошибка, которой до сих пор пренебрегали и которая достигала при своем максимуме 0,003 с в сутки. Новая скорректированная абсолютная единица времени была позднее названа средним звездным временем. Результаты, достигнутые часами Шортта, были в течение многих лет — вплоть до появления кварцевых часов — непревзойденными по точности [16] В СССР были созданы и успешно эксплуатировались маятниковые часы Федченко (типа АЧФ-3) с точностью, в 10 раз более высокой, чем часы Шортта. (Прим. науч. ред.) .

Часы Шортта явились вершиной использования возможностей маятника как осциллятора часов, хотя и тогда не использовали все имевшиеся к тому времени возможности. И здесь был необходим некоторый, точно управляемый силовой импульс, который, несмотря на все принимавшиеся меры, оставался источником дестабилизирующих влияний на маятник и остальной механизм часов. Эти дестабилизирующие влияния пытались после Шортта устранить некоторые другие конструкторы.

В 1925 г. Ферре построил свой свободный маятник с фотоэлектромагнитным приводом, а через два года появился маятник Шулера с электродинамическим приводом. В теоретическом отношении наиболее разработанным было решение Томлинсона в 1933 г. Г.А. Томлинсон первым использовал сугубо электрические элементы — фотоэлемент, управляющий схемой чувствительного электронного реле на радиолампах. Это реле выполняло роль переключателя электромагнитных импульсов для маятника. Достоинством решения Томлинсона было то упрощение, при котором отпал вспомогательный маятник, и то обстоятельство, что при электрически посылаемом бесконтактным способом импульсе можно по сравнению с прежними механическими средствами существенно ограничить интерференционные влияния на маятник. Следующим бесспорным достоинством была малая инерция светового контакта, что хотя бы частично компенсировало недостаток часов Томлинсона — чувствительное электромагнитное реле. Хотя маятник Томлинсона и не получил большого практического применения, его главным теоретическим вкладом был показ возможности отхода от электромагнитных систем в сторону современных схем с электронным управлением.

К разряду электрических часов относятся также те хронометрические устройства, у которых в качестве единицы времени используется период измерения напряжения электрической сети, централизованно управляемые хронометрические системы, состоящие из главных управляющих, первичных, часов и большого количества управляемых, вторичных, часов, с которыми мы встречаемся в виде городских уличных часов и т.п.

Главной частью часов первой группы является синхронный двигатель, питаемый переменным током сети частоты 50 Гц и напряжением 220 и 120 В. Двигатель приводит через передаточный элемент либо стрелочный, либо цифровой индикатор с механическим или с электрооптическим преобразователем.

Централизованно управляемые хронометрические системы работают с часами, которые можно было бы назвать электромеханическими часами. Главные управляющие или маточные часы имеют механический часовой механизм со спуском Грагама, инварным маятником и электрическим заводом [17] В настоящее время в качестве первичных часов используются, как правило, кварцевые часы. (Прим. науч. ред.) . Переключающее устройство, расположенное непосредственно в главных часах, посылает через полуминутные или минутные интервалы с помощью дифференциального реле во вторичные часы с поворотным или колеблющимся анкером сигналы времени в виде управляющих импульсов тока. Вторичные часы являются лишь электромеханическими счетчиками импульсов тока и тем самым счетчиками интервалов времени.

В ЧССР в последние годы [18] Это относится к 70-м годам. (Прим. науч. ред.) работают над принципом беспроволочной передачи информации о времени. Институт радиотехники и электротехники Чехословацкой Академии наук в Праге разработал новый метод радиопередачи данных о времени. В сотрудничестве с предприятием «Праготрон», автором механической части этого оборудования, были построены сначала первые четыре хронометрические системы. Три из них были введены в действие в начале 1978 г. фирмой «Праготрон» и сданы в центре Праги в опытную эксплуатацию. Данные о времени передаются с помощью пяти импульсов либницким радиопередатчиком ОМА на частоте 50 кГц. Мощность этого передатчика достаточна для передачи данных о времени на расстояние до 2000 км. В случае перерыва в работе передатчиков радиочасы автоматически переходят на автономный режим, в котором они работают в качестве самостоятельной единицы, выводящей данные о времени от встроенных в них электронных часов, управляемых кварцевым осциллятором. Передатчик контролирует ход часов через регулярные отрезки времени и в случае выхода из строя источника электроэнергии устанавливает на цифровом индикаторе за 2-3 мин передачу правильных данных о времени. Беспроволочная передача данных о времени имеет большое будущее, в чем мы убедимся при рассмотрении перспектив дальнейшего развития хронометрических приборов.

Эксперименты с созданием первых электрических хроноскопов и хронографов начались в то же время, когда Бэйн и Гипп начали строить свои электромеханические часы. В 1840 г. Чарлз Уитстон вместе с Соутом и Пардэем построили электромагнитный кнопочный хроноскоп, управляемый электрическим сигналом, подаваемым с места регистрируемого события. Через два года после этого Уитстон испробовал свой усовершенствованный электрический хроноскоп в Кэмпденн Хилл Обсерватри для измерения скорости выстреленного снаряда и при свободном падении тел. Его хроноскоп работал тогда с точностью в 1/6 с.