ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

Рис. 161. Часы на башне здания Метрополитен Лайф (Нью-Йорк)

ет часы и четверти часа: для часов загорается 88 белых ламп, для четвертей — 56 красных; общая мощность всех ламп 16,262 кВт. Одной из особенностей часов является набор колоко­ лов, которые бьют часы и четверти с 8 ч утра до 6 ч вечера, В конторе смотрителя здания находятся часы, контролирующие механизм башенных часов и регулирующие службу времени все­ го здания. Башенные часы приводятся в действие электричест­ вом и имеют автоматический завод.

Одни из самых больших часов США — часы над зданием за­ вода «Колгей компани» в г. Джерси. Их огромный циферблат, имеющий 11,5 м в диаметре, весит 6 т. Длина минутной стрелки 6 м, механизм приводится в действие гирей в 800' кг. Стрелки освещаются лампами накаливания, каждую цифру отмечают яр­ кие красные лампы. Минутные деления, которые находятся на расстоянии 108 см друг от друга, также отмечены электрически­ ми лампами.

Следует также остановиться на часах Феликса Мейера (НьюЙорк), созданных в 70-е годы XIX в. Они показывали местное время в часах, минутах и секундах, день недели, месяц, время года, знаки зодиака, движение Земли вокруг Солнца и вокруг собственной оси, движение планет вокруг Солнца и фазы Луны. Часы показывали также поясное время Вашингтона, Сан-Фран­ циско, Чикаго, Каира, Мельбурна, Константинополя, Пекина, Лондона, Парижа, Берлина, Вены и Петербурга. Четверть часа

встает фигура Джорджа Вашингтона и протягивает правую руку

Маятник как регулятор хода наиболее широкое применение получил в разнообразных часах бытового назначения (настен­ ных, напольных, настольных, каминных и т. д.). Здесь примене­ ние маятника не создает технических проблем, которые бы нуж­ дались в особом освещении. Интерес представлял бы только вопрос об эволюции стилей внешнего художественного оформле­ ния этих часов. Но эта специальная тема, тесно связанная с ис­ торией искусства и технической эстетикой, в нашей работе почти не рассматривается.

Глава II

РАЗВИТИЕ КАРМАННЫХ ЧАСОВ

В 1674 г. по проекту Гюйгенса парижским часовщиком Тюре были изготовлены часы переносного типа, где была применена в качестве регулятора система баланс — спираль с собственным периодом колебания (рис. 162), в дальнейшем получившая ши­ рокое применение для устройства карманных часов.

Шпиндельный ход, сохраненный в карманных часах, продол­ жал применяться и после Гюйгенса. С самых ранних образцов и до 80-х годов XIX столетия шпиндельный ход в своих существен­ ных чертах почти не изменялся (рис. 163). Ходовое колесо 1 вра­ щается в направлении, показанном стрелкой, зуб 3 только что сообщил импульс нижней палете 2 и баланс, имея запас кинети­ ческой энергии, продолжает вращаться в том же направлении, преодолевая давление зуба 4 на верхнюю палету 5. Когда кине­ тическая энергия баланса будет поглощена сопротивлением зу­ ба 4, он начнет двигаться в обратном направлении под действи­ ем упругости волоска 6, а когда нижняя палета минует зуб 3, упадет на следующий зуб. Этот цикл повторяется снова и снова.

В свете современных данных можно утверждать, что Роберт Гук раньше Гюйгенса применил систему баланс — спираль в ка­ честве регулятора хода часов [204, 133—136]. Если Гюйгенс не может считаться первым изобретателем регулирующего устрой­ ства баланс —спираль, то, во всяком случае, его заслуга в том, что он создал с таким регулятором модель часов, которая стала исходной для дальнейшего развития и усовершенствования кон­ струкции часов. При сохранении в часах Гюйгенса старого шпин­ дельного хода имел место отход назад ходового колеса, оказы­ вавший дестабилизирующее действие на их ход. Устранением этого дефекта и стали прежде всего заниматься часовщики Анг­ лии и Франции. Однако все их старания избавиться от этого де­ фекта, сохранив шпиндельный ход, не увенчались успехом, пока не был изобретен в 1695 г. Томасом Томпионом цилиндровый ход, который после его усовершенствования Георгом Грагамом в 1725 г. стал широко применяться в часах взамен шпиндельного хода.

Развитие карманных часов после Гюйгенса

Основная схема устройства карманных часов после Гюйгенса не претерпела существенных изменений: пружинный двигатель, колесная передача, спусковой механизм (ход), регулятор, стре­ лочный механизм продолжали применяться по их прямому на­ значению. Однако они в течение XVIII—XIX вв. подвергались существенным конструктивным изменениям и усовершенствова-

Рис. 162. Балансовые часы Гюйген­ са со спиральной пружиной

Рис. 163. Балансовые часы Гюйгенса с шпиндельным ходом

нию. Применение вспомогательных механизмов, таких, как бое­ вой и сигнальный механизмы, календарное устройство, ремонтуарный механизм и другие, не изменило основную схему часов, а только дополнило ее.

Пружинный двигатель. От заводной пружины зависит не только опреде­ ленное усилие, достаточное для приведения механизма часов в действие, но и определенная продолжительность хода часов от одной заводки. В карманных часах, относящихся ко времени Гюйгенса и несколько позже, применялась хо­ довая пружина, которая позволяла иметь запас завода на 12—15 часов. При­ мерно с ,1690 г. стало возможным обеспечивать в этих часах завод на 24 часа. В настоящее время часы заводятся на 36—40 часов.

В ранних карманных часах не было заводного барабана. Пружина была открытой, навивалась на заводной валик, а наружный ее конец прикреплялся к стойке. Применение барабана создало более нормальные условия для работы заводной пружины (уменьшило потери на трение, способствовало концентриче­ скому развертыванию витков, сохранению формы плоской спирали и посто­ янства смазки витков пружины и т. д.).

С заводом часов связаны три отдельных устройства: ограничитель завод­ ки пружины, указатель состояния и времени заводки пружины и устройство для поддержания хода часов во время завода ходовой пружины. Ограничение работы заводной пружины на средних ее витках необходимо для того, чтобы она могла действовать лишь на пологом участке кривой спуска пружины. Достигалось это механически при помощи так называемых остановов, чаще всего с помощью мальтийского креста. Этими остановами снабжалось неболь­ шое количество выпускаемых часов (не более 5%); большинство часов обхо­ дилось без них.

В наиболее точных карманных часах с пружинным заводом применялась фузея. С ее помощью вращающий момент, передаваемый на ходовое колесо, становится постоянным. Но применение в карманных часах фузеи усложняло

их конструкцию. Отказаться от нее стало возможным после того, как удалось значительно повысить качество изготовляемой заводной и балансовой пружи­ ны, особенно когда они стали изготовляться более однородными, без примесей, ухудшающих их качество. В США, Франции и Швейцарии отказались от при­ менения фузеи в начале XIX в. В Англии продолжали применять это устройст­ во по традиции вплоть до второй половины XIX в.

Для повышения ходовых качеств пружины (постоянство движущей ее си­ лы и крутящего момента) имело значение улучшение ее механических свойств и технологии изготовления, рациональный выбор геометрических размеров пружины (толщины, ширины, длины).

Английский часовщик Джон Гаррисон в 1734 г. изобрел и ввел в употреб­ ление устройство с двойным храповым механизмом 1, 2 с собачками 3, 4 для поддержания хода часов во время завода ходовой пружины 5 (рис. 164). В карман­ ных часах с неподвижным барабаном это устройство применяется и теперь; но оно не требуется при использовании заводного ба­ рабана, вращающегося в ту же сторону, в какую вращается и валик при заводе пру­ жины. В этом случае остановки часов во время завода не произойдет.

Зубчатая передача. Основная задача пере­ даточного механизма — передавать энергию от пружинного двигателя системе колес, три­ бов и в особенности регулятору, которому это необходимо для поддержания его коле­ баний. В зубчатой передаче должно быть по возможности меньше трения, нужная точ­ ность и постоянство передаточного отноше­

ния. Для обеспечения этих условий имеет большое значение применение особо­

а гипоциклоида, очерчивающая ножку зуба, превращается в радиальную пря­ мую. Часовое зацепление, как я циклоидальное, допускает получение больших передаточных отношений, доходящих до 10 и даже до 12 для одной сцепляю­ щейся пары. Там, где величины передаточных отношений небольшие (например, в барабанных и заводных колесах), профили зубцов очерчиваются по эволь­ венте.

Основа принципа действия колесной передачи заключается в том, что ко­ лесо, имеющее большой диаметр, делает меньше оборотов, а колесо меньшего диаметра (в данном случае триб) делает во столько раз больше оборотов, во сколько раз его диаметр меньше диаметра большего колеса. Колесо и триб должны иметь одинаковый шаг зацепления. Зубчатая пара работает правильно в том случае, если профиль зубцов не нарушен и глубина зацепления выполне­ на надлежащим образом.

Теоретические исследования для создания особого часового зацепления с помощью кривых (циклоиды, эпициклоиды, гипоциклоиды) были начаты уче­ ными еще в XVII в. Дезарг был первым, кто предложил для профилирования зубцов использовать эпициклоиду. Датский астроном Рёмер в 1675 г. указал

на целесообразность применения для этой цели циклоиды. В конце этого же века над созданием особого часового зацепления работал также Лагир. Осно­ вываясь на работах последнего, Камус в 1735 г. внес значительный вклад в разработку часового зацепления. В часах Камуса за профиль зубца приняты гипоили эпициклоиды [192, 120—126].

В XVIII в. теория эвольвентного зацепления получила надлежащую тео­ ретическую разработку в трудах Леонарда Эйлера. Способ зацепления, раз­ работанный Эйлером', обладает многими преимуществами по сравнению с циклоидальным, или часовым, зацеплением [192, ,139], но, как указывалось выше, область его применения в часовой механике весьма ограниченна.

Совершенствование методов и средств деления и нарезки зубцов часовых колес и трибов происходило крайне медленно [303]. Самые ранние сведения о применении специальных технических средств для механического воспроизве­ дения зубчатого зацепления относятся только ко второй половине XVII в. В 1670 г. Роберт Гук изобрел и применил станок для нарезки зубцов часовых колес. В первой половине XVIII в. было сделано также ряд попыток использо­ вать технические средства для нарезки часовых зубчатых колес. В 1720 г. шварцвальдский часовщик М. Леффлер изобрел для этой цели особое приспо­ собление. Около 1750 г. швед X. Полемс изобрел станок для нарезки зубчатых колес, а англичанин Хиндли усовершенствовал изобретение Гука. В России подобные станки были изобретены и изготовлены Андреем Нартовым. Однако при применении примитивных технических средств неизбежны были ошибки в шаге и в делении зубцов колеса, которые были трудно устранимы. Применение фрезерных станков хотя и намного улучшило технологию нарезания зубцов, но и в этом случае как вследствие систематических ошибок делительного кру­ га станка, так и вследствие небрежности при фрезеровании могли быть ошиб­ ки в шаге и в делении. Только применение зуборезных автоматов открыло большие возможности для устранения подобных ошибок.

Фрезы для очень мелких зубчаток нередко имеют не циклоидальный, а приближающийся к циклоидальным кривым круговой профиль, что также при­ водит к неправильной форме зуба. Однако такие колеса при работе с доста­ точно хорошими трибами притираются и дают в конце концов удовлетвори­ тельное зацепление.

Камневые опоры. В самом начале XVII в. в Англии в карманных часах на­ чали применяться опоры из драгоценного камня — рубина. Инициатором Их введения считается Николай Фацио (1664—,1753). Ему вместе с Пьером и Яко­ вом Дефобром в l704 г. был выдан патент на это изобретение. Однако вскоре приоритет Фацио начал оспариваться. Стало известным более раннее примене­ ние камня в старинных карманных часах Игнатия Гуггенфорда. Однако более близкое знакомство с этими часами показало, что там камни употреблены бы­ ли скорее в качестве декоративного украшения, а не опорных деталей.

После того применение камней в часах стало расширяться, особенно во франции и Англии. Но затем их распространение задержалось из-за того, что изготовление, часовых камней английские мастера на целое столетие сделали секретом.

Впоследствии, уже в XIX столетии, этот метод был разработан более ,подробно известным французским ученым Понселе, имя которого он часто и носит.

В Швейцарии производство часовых камней было организовано в Ла-Шо- де-Фоне Ингольдом только в 1825 г., и с этого времени оно получило большое распространение, особенно в 1850—1855 гг. Однако и тогда не было соответст­ вующих предпосылок для развития массового производства часовых камней, но это стало возможным после появления синтетических рубиновых камней, изготовляемых по особой технологии. Этот метод разработали швейцарцы Фреми и Верней в 1902 г.

Для производства синтетических камней применялся боксит, представляю­ щий собой мягкую каменную породу. Он добывался в Швейцарии, главным образом в районе Ле-Бьо (департамент Буш-дю-Рон), и применялся также для получения алюминия. Боксит подвергался ряду химических реакций. Крис­ таллы алюминия очищались в электрических печах. Химически чистый алюми­ ний после кристаллизации, которая происходила в пламени кислородно-водо­ родных горелок при 1800° С, превращался в синтетический белый сапфир. При добавлении к нему окислов хрома получался красный рубин грушевидной формы. Эти рубины распиливались на пластинки толщиной 8 мм, затем утон­ чались и разбивались на куски разнообразной формы. Из сырья получалось 4% пригодных часовых камней, отходы достигали 96%.

Часовые камни из искусственного рубина обладают высокой твердостью и износостойкостью, хорошо обрабатываются, поддаются полированию, не окисляют и не разлагают часовое масло, имеют красивый внешний вид. Приме­ нение палет, импульсных камней, опор для цапф и осей из искусственного ру­ бина уменьшает потери на трение и износ деталей, как и в случае применения смазки часовым маслом трущихся поверхностей. Камневые опоры длительное время удерживают эту смазку, что также способствует стабильной работе ме­ ханизма.

Спусковой регулятор (ход). Большое значение для повышения точности хода карманных часов имело введение взамен шпиндельного хода более усо­ вершенствованных ходов — сперва цилиндрового хода без отхода назад ходо­ вого колеса и с трением на покое, затем дуплексного и виргульного ходов.

В 1750—1850 гг. часовщики увлекались изобретением все новых и новых ходов, отличных по своему устройству. Было изобретено свыше двухсот ходов, из которых лишь немногие получили распространение. Сонье в своем «Руко­ водстве по часовому делу» (Париж, 1861) отмечает, что из большого количест­ ва появившихся ходов, так или иначе ставших известными, к тому времени удержались не более 10—15. К 1951 г. их количество вообще свелось к двум, если считать, что ход, применяемый в хронометрах, мало пригоден для кар­ манных часов. Причиной такого резкого уменьшения количества ходов, оказав­ шихся годными к применению в современных карманных и наручных часах, был успех, достигнутый в применении там свободного анкерного хода.

три витка. Со временем было установлено, что ход часов становится более точным, если размеры баланса и спирали подобраны так, чтобы они давали строго определенное число колебаний в единицу времени. Диаметр баланса должен быть возможно большим, но сам баланс — не слишком легким, по­ скольку очень легкий баланс подвержен вредным влияниям, как и баланс ма­ лого диаметра. Практически установлено, что в карманных часах лучшие ре­ зультаты с цилиндровым ходом получаются тогда, когда диаметр спирали ра-

вен радиусу баланса, имея при этом 8—9 витков. Для анкерных ходов, имею­ щих значительно большую амплитуду колебаний баланса, длина спирали существенно увеличивается, число ее витков берется от 11 до 13. Длина спира­ ли должна увязываться с амплитудой колебания баланса. Хотя более эластич­ ной оказывается тонкая спиральная пружина с большим числом витков, но большее число витков создает опасность соприкосновения одного витка с дру­ гим, что приводит к неправильному ходу часов.

До середины XVIII в. на проблему температурной компенсации системы баланс — спираль не обращали должного внимания. Только когда часовщики Англии и Франции занялись конструированием морских часов, пригодных для определения долготы, стали разрабатывать и эту проблему. Французский хро­ нометрист Фердинанд Берту установил, что изменение силы упругости волоска из-за температурных изменений оказывает наибольшее влияние на величину погрешности хода часов и составляет 82% от ее суммарной величины.

Вконце XVIII в. проблема температурной компенсации системы баланс — спираль была решена посредством создания биметаллического разрезного ба­ ланса, который стал применяться с течением времени не только в хронометрах, но и в карманных часах.

Вкарманных часах применяются два вида спирали: плоская спираль с концевыми кривыми и без них. Концевые кривые могут исправлять погрешно­ сти хода часов как от изменения их положения, так и от неизохронности коле­

баний системы баланс — спираль. Спирали без концевых кривых свертываются и развертываются эксцентрически. В результате возникает смещение центра тяжести спирали по отношению к оси вращения баланса, что отрицательно сказывается на точности хода карманных часов.

Для регулирования периода колебания баланса путем изменения действу­ ющей длины спирали в карманных часах имеется приспособление, называемое градусником. Конец последнего витка спирали до закрепления его в колодку свободно проходит между штифтами градусника, которые, охватывая его, оп­ ределяют конец действующей длины спирали. Передвигая указатель градус­ ника в ту или другую сторону по шкале, нанесенной на поверхности мостика, мы удлиняем или укорачиваем действующую длину, изменяя таким образом ход часов.

Применение градусника в карманных часах было уже известно в середи­ не XVIII в. (в частности, И. П. Кулибину).

Стрелочный механизм составляет пятую отдельную кинематическую цепь после пружинного двигателя, основной колесной передачи, спускового меха­ низма (хода) и регулятора баланс — спираль. Стрелочный механизм (рис. 165), передающий движение от основной колесной передачи к стрелкам, состоит из системы зубчатых колес и трибов. Минутный триб в стрелочной передаче яв­ ляется основной деталью, обеспечивающей движение стрелочного механизма; он насажен на центральную ось. От этого триба минутное (вексельное) колесо передает движение на часовое колесо, имеющее зубчатый венец и гладкую цилиндрическую втулку, на которой плотно сидит часовая стрелка. Минутная стрелка, сидящая на втулке минутного триба, делает один оборот за один час. В стрелочной передаче передаточное отношение обычно равно 12.

Характерным признаком стрелочной передачи является то, что ее колеса и трибы не имеют собственных осей. Минутный триб сопряжен с центральной

осью фрикционно, часовое колесо вращается на втулке минутного триба, ми­ нутное (вексельное) колесо и триб — на штифте, прикрепленном к платине.

Весьма долго карманные часы были с одной часовой стрелкой. Примене­ ние двух стрелок в течение долгого времени не требовалось и не находило одобрения. Минутная стрелка в дополнение к часовой сначала появилась в крупных часах вскоре после применения в них маятника и особенно после вве­ дения анкерного хода. Англичанин Даниил Кваре применил в 1670 г. в своих часах минутную стрелку, сидящую на одной оси с часовой, или концентриче­ ски расположенную минутную стрелку. Это переняли многие английские ча­ совщики.

Однако имеются свидетельства о применении минутной и даже секундной стрелки задолго до этой даты. В Нюрнбергском музее и теперь можно видеть крупные часы, относящиеся к 1550 г., с минутной и секундной стрелками, что свидетельствует о том, что техниче­ ская проблема применения в часах минутной и секундной стрелок была уже тогда решена, но не дает основания думать, что употребле­ ние таких стрелок было характер­ ным для раннего периода развития часового дела.

такое же расположение, как теперь. Около того же времени лондонский физик и врач Джоя Флойе имел карманные часы с одной только секундной стрелкой («пульсомер»), чтобы считать пульс своих пациентов. Имеются свидетельства о таком же применении секундной стрелки и во Франции. Но было еще очень

Во второй половине XVIII в. точность хода карманных часов стала значи­ тельно повышаться вследствие нововведений в технике измерения времени (камневые опоры, более совершенный ход, чем шпиндельный, и т. д.). В связи с этим и под влиянием развивавшейся потребности в более точном отсчете времени на циферблате часов появилась минутная стрелка. Поскольку это было нововведением, минутные стрелки старались популяризировать: минутные деления стали обозначать арабскими цифрами в отличие от римских для ча­ совых делений. Если раньше часовые римские цифры были большого размера,

то после введения минутных стрелок арабские цифры стали делать более рель­ ефными, выделяющимися. И только после того, как люди свыклись с наличием двух стрелок, цифры свели к одной системе.

Переход от отдельных разрозненных попыток к применению в карманных часах секундной стрелки был завершен только во второй половине XIX в. од­ новременно с массовым применением свободного анкерного хода, камневых опор и температурной компенсации системы баланс — спираль, а также в свя­ зи с возраставшей актуальностью применения часов с наиболее точным ходом и отсчетом времени.

Механизм завода часов и перевода стрелок. Применение в карманных ча­ сах завода и передвижение стрелок без ключа с помощью вращения заводной головки имеет свою историю.

Почти до середины XIX в. большинство карманных часов заводилось по­ средством ключа, который своим квадратным отверстием на время завода сое­ динялся с валом барабана, а в остальное время хранился на цепочке рядом с часами. Такой способ завода применяется и в настоящее время для стенных часов и морских хронометров. Перевод стрелки часов производился этим же ключом через квадратную часть стержня триба минутной стрелки, или стрелка передвигалась рукой.

До 1800 г. было несколько попыток найти способ избежать ключевого за­ вода. Одной из них явилось применение автоматического завода (о чем см. ниже). После 1790 г. стали применяться особые устройства для завода без ключа, основанные на принципе действия насоса. Кнопка, выступавшая нару­ жу, была соединена с осью ходовой пружины либо зубчатой рейкой, либо цепью. Благодаря особому включению храпового колеса ось ходовой пружины могла вращаться только тогда, когда кнопку нажимали вовнутрь или, наобо­ рот, когда ее вытягивали. Завод ходовой пружины посредством вытягивания кнопки осуществлялся через особую пружинку, действием которой цепь нама­ тывалась вокруг храпового колеса, связанного с механизмом завода. Действие завода было аналогично действию насоса. Хотя введение завода вращением особой заводной головки справедливо приписывается Бреге, но только старин­ ной и довольно известной фирме Луи Одемара в Брасусе (Швейцария) уда­ лось в первой четверти XIX в. наладить в больших количествах производство карманных часов с таким ходом.

В Англии в 1820 г. был выдан патент Т. Престу на применение завода вращением особой заводной головки, что нашло применение в карманных ча­ сах Джона Арнольда (рис. 166). Однако в Англии эта конструкция не поль­ зовалась особой популярностью ввиду того, что завод мог осуществляться только через вращающийся барабан, а не через фузею, которой еще долго продолжали снабжать английские карманные часы. Но после усовершенство­ вания этого изобретения был создан бесключевой завод на принципе исполь­ зования для этого качающегося рычага. Этот механизм для завода и перевода стрелок был создан Густавом Гугонином в 1855 г. и стал пользоваться особым успехом среди изготовителей часовых механизмов в Ланкашире, особенно для применения в карманных часах высокого качества. Такой ход мог применять­ ся и в часах, снабженных фузеей.

Первые карманные часы, в которых была применена особая заводная го­ ловка для завода и перевода стрелок (так, как это делается теперь), были изобретены Андрианом Филиппом (1815—1894) в Швейцарии в 1842 г. Изо-