Часы. От гномона до атомных часов

Шпиндельный спусковой механизм с коротким кольцевым билянцем, жестко насаженным на палетном валу (так называемый «кухшванц»), сохранил свой вид и положение в часовом деле в течение нескольких столетий. Когда же на переломе XVI и XVII вв. Галилей занялся изучением свойств маятника, перед хронометрией открылся путь для революционных изменений. В 1657 г. голландский физик и математик Христиан Гюйгенс изготовил первые маятниковые часы, в которых маятник был использован действительно в качестве осциллятора. Идея Галилея, осуществленная Гюйгенсом, сильно повысила тогдашнюю точность механических часов. Суточная погрешность, колебавшаяся у маятниковых часов в широких пределах — в зависимости от качества часов от 15 до 60 мин, — упала у часов Гюйгенса до 10 с, хотя шпиндельный спуск остался, по существу, таким же, как у часов с билянцем. Шпиндельный спуск не очень подходил для маятниковых часов. Созданный первоначально для билянца, он требовал большую амплитуду — 20° и больше. Несмотря на это, он благодаря своей сравнительной простоте очень быстро распространился и на маятниковые часы, а в некоторых странах он сохранялся вплоть до начала XIX в., т.е. намного позднее, чем были изобретены современные спусковые механизмы. В стремлении приспособить шпиндельный спусковой механизм к условиям, предъявляемым маятником, некоторые часовщики постепенно изменяли взаимный угол между налетами до 40°. Одновременно с этим и наклон зубьев спускового колеса изменялся настолько, что оно все больше теряло свое первоначальное сходство с королевской короной. Эти изменения в геометрии спускового механизма преследовали еще одну цель — ограничить неблагоприятное влияние отхода спускового колеса.

Недостатки, связанные с большой амплитудой маятника при шпиндельном спуске, сознавал уже Гюйгенс, который создал для своих маятниковых часов в 1673 г. пружинную подвеску с двумя направляющими циклоидальными поверхностями. Эти поверхности имели своей задачей изменять во время колебания длину маятника, а с ним и продолжительность колебания. Попытки Гюйгенса получить колебания одной и той же продолжительности с помощью изменения длины маятника были правильны, ибо исходили из математического расчета, но на практике это не привилось[11], поскольку новые анкерные спуски, которые быстро заменили шпиндельный спуск, строились для маятниковых часов, наоборот, в расчете на малые амплитуды.

Несмотря на свою кажущуюся простоту, шпиндельный спусковой механизм обладал еще и другими теневыми сторонами, которые принуждали часовых дел мастеров искать иные формы этого механизма. Нет сомнения, что крупнейшей проблемой здесь было, особенно в отношении крупных железных башенных часовых механизмов, изготовление спускового колеса. Прежние кузнечные методы, которые использовались при изготовлении деталей крупных часов, оставили некоторые характерные признаки в виде соединений, сваренных в огне, клиновидных соединений разъемных деталей, склепанных трубочных трибов и т.п. Такое спусковое колесо изготовлялось из плоской полосы железа, свернутой в горячем виде в круг и сваренной в огне. Другой производственной трудностью было соблюдение вертикального положения палетного вала относительно спускового колеса.

Рис. 10. Двухрычажный спусковой механизм Шевалье де Бетуне

Лучшее решение спускового механизма напрашивалось в виде системы параллельных валов с плоским спусковым колесом, имеющим зубцы на своей торцовой поверхности. Важным шагом было создание группы храповых спусковых механизмов. Самый старый из них — двухрычажный храповой механизм, созданный Шевалье де Бетуном. Такой спусковой механизм, схема которого приведена на рис. 10, изготовлял примерно в 1727 г. для своих часов парижский часовой мастер Антуан Тиоу (1692-1767), автор часто упоминаемого сочинения «Трактат о хронометрии» (Traite d'horlogerie) от 1741 г. На валу правого рычага с винтом для задания взаимного положения палет здесь имеется вилка. Гиря на левом плече другого рычага удерживает внутренние плечи обоих рычагов в постоянном контакте. Двухрычажный спусковой механизм имел много конструктивных вариантов. Некоторые из них были довольно сложны и вносили в механизм нежелательные силы трения.

Другой парижский часовщик — Йоганн Баптист Дютертр (1715-1792) — изготовил аналогичный спусковой механизм с двумя маятниками, качающимися в противоположных направлениях. Каждый из них крепился на валу с одной палетой. Синхронизацию времени зацепления обеих палет на общем для них храповом колесе обеспечивали два зацепляющихся друг с другом зубчатых сегмента, насаженные на палетных валах.

Существенное упрощение спускового механизма дало изобретение «английского крюка» в 1666 г. Робертом Гуком, профессором геометрии и секретарем Королевской академии в Лондоне. Его идею детально разработал примерно на 10 лет позднее английский часовщик Вильям Клемент, работавший в Лондоне в 1670-1696 гг. В его мастерской была создана первая пригодная к использованию форма реверсивного анкерного спуска.