ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

между двумя заданными температурами хронометр уходит вперед, и при вся­ кой температуре, выходящей за пределы двух заданных температур, хроно­ метр отстает. Например, ход хронометра, отрегулированный при 0 и 30°, оста­ ется постоянным только при наличии этих температур, называемых темпера­ турами компенсаций. При других температурах, лежащих Между данными

при температурах компенсации 0 и 15°, то при 30° он отстанет по крайней мере на 4 с. Существование такой погрешности хода хронометров с компен­ сацией на температуру было впервые открыто в 1832 г. выдающимся англий­ ским часовщиком Эдуардом Джоном Дентом. Эти погрешности получили на­ звание «аномалии Дента», или «вторичной ошибки» компенсации.

ным отображением кривой падения момента инерции баланса. Для этого требуется, чтобы момент инерции уменьшался с

возрастанием температуры быстрее, чем по линейному закону.

Для устранения вторичной ошибки от компенсации было предложено большое число конструкций балансов с добавочной, или вторичной (вспомо­ гательной) , компенсацией.

Вопрос о теоретических основах температурной компенсации рассмотрен в нашей статье [81, 190—194].

Применение устройств для вторичной компенсации не привело к жела­ тельным результатам. Наличие подобного устройства в механизме часов вызы­ вало появление новых погрешностей хода из-за того, что увеличивалась де­ формация обода под действием центробежной силы и происходило увеличение трения о воздух или давления воздуха на ход часов. Вследствие этого в рус­ ском флоте приказом по Морскому министерству совершенно не допускались к употреблению хронометры, имеющие вторичную компенсацию, и все они переделывались с целью устранения таких компенсационных устройств.

Совершенно новый подход к проблеме компенсации стал возможен после того, как Шарль Гильом открыл возможность использования ферроникелевых сталей для хронометров. Изучая ферроникелевые сплавы, он в 1899 г. открыл инвар (35,7% никеля, 64,3% железа), имеющий практически нулевой коэффи­ циент линейного расширения. Это позволило перейти к изготовлению балан-

ричную) . Благодаря своему совершенству интегральные балансы вытеснили в морских хронометрах все другие системы балансов — громоздкие сложные и ненадежные в отношении обеспечения вторичной компенсации.

Наблюдения над ходом хронометров с балансом без вторичной компен­ сации и с интегральным балансом Гильома, произведенные в Невшательской обсерватории, показали, что в первом случае погрешность хода чаще всего составляла 2,2 с (с опережением), тогда как во втором случае она не превы­ шала 0,25 с опережения. Баланс Гильома, следовательно, уменьшил вторич­ ную ошибку на 90%. Кроме того, он обладает большей устойчивостью, чем баланс сталь — латунь. Но при применении баланса Гильома погрешность хода все же не могла быть окончательно устранена.

Гильом на этом не остановился. Он искал разрешения проблемы компен­ сации посредством применения особой самокомпенсирующейся спирали и мо­ нометаллического неразрезного баланса. Первый, кто указал на эту возмож­ ность, был Поль Перри — швейцарский часовщик из Ла-Шо-де-Фоне. Около 1895 г. он изобрел специальный ферроникелевый сплав и нашел, что если соединить латунный монометаллический баланс со спиральной пружиной, из­ готовленной из сплава с содержанием 72% стали и 28% никеля или же с со­ держанием никеля от 43,5 до 44%, но с балансом, мало подверженным дей­ ствию температуры, то может быть достигнута весьма удовлетворительная самокомпенсация системы баланс — спираль. За свое изобретение Перри по­ лучил патент во многих странах (немецкий патент за № 98544). В России привилегия на это изобретение была выдана только в 1900 г.

Для изготовления спиралей из сплава, изобретенного Перри, был орга­ низован в г. Флерье (Невшательский кантон) одной акционерной компанией специальный завод. Однако эти спирали имели крупные недостатки (большая вторичная ошибка, значительное внутреннее трение в материале спирали и др.), вследствие чего свободные колебания баланса быстро затухали. Такие спирали были трудны в изготовлении, так как незначительные изменения в пропорции сплавов влекли за собой изменения термоэластического коэффи­ циента. Поэтому изобретение Гильомом в 1910 г. сплава элинвар (феррони­ кель с добавлением углерода, хрома и вольфрама), упругие свойства которого не зависят от изменения температуры, явилось весьма важным и своевремен­ ным. Применение спирали из этого сплава в часах массового производства позволило перейти к монометаллическому балансу и подвергнуть коренной реконструкции биметаллический баланс.

Но до настоящего времени не удается получить элинвар с неизменными термоэластическими коэффициентами, поэтому сохранилась необходимость в доводке компенсации до требуемого значения температурного коэффициента. Но при монометаллическом балансе такая возможность исключена, поэтому возникает потребность в балансе особой компенсации, позволяющей регули­ ровать его компенсационное свойство.

Выдающийся швейцарский часовщик П. Детисгейм предложил для элинварной спирали баланс монометаллический и не разрезной, но для возмож­ ности регулирования все же снабдил его парой коротких металлических пла­ стинок, назначение которых заключается в устранении возможных ошибок в ходе регулировки. Описание этого баланса П. Детисгейм опубликовал в 1921 г. в швейцарском часовом журнале «Спираль элинвар и баланс хроно­ метра с компенсационным аффиксом» [246].

пающие над поверхностью обода (биметаллические дуги расположены во впадине, головки винтов для регулировки центра тяжести не выступают над поверхностью обода). Этим устранено влияние центробежной силы, устранено, насколько возможно, трение о воздух и т. д. Недостатком этого баланса явля­ ется чувствительность к магнетизму, что ограничивает возможности его при­ менения. Баланс Детисгейма не получил большого распространения и исполь­ зовался лишь в хронометрах фирмы самого изобретателя.

Другим направлением разрешения проблемы регулировки хода хроно­ метра с монометаллическим балансом является создание дифференциального баланса. Он был изобретен Ш. Воле еще в 1910 г., но не мог иметь практи­ ческого значения, пока не появились ферроникелевые сплавы более высокого качества, чем элинвар. Обод дифференциального баланса Воле (рис. 224) сплошной, неразрезной, что очень выгодно для уменьшения действия центро­ бежной силы. Отличительной чертой этого баланса является также то, что его обод из одного металла с разными коэффициентами линейного расшире­ ния. Компенсационная способность баланса зависит в основном от разности

Рис. 223. Баланс Детисгейма

1 — обод; 2 — перекладина; 3 — винты обода; 4 — регулировочные винты; 5 — дополни­ тельные биметаллические дуги; 6 — линия спая дуг; 7 — винты крепления; 8 — компенса­ ционные винты; 9 — свободные отверстия

Рис. 224. Дифференциальный баланс Воле

1 — обод; 2 — перекладина; 3 — компенсационные винты; 4 — ось; 5 — двойной ролик; 6 — эллипс; 7 — свободные отверстия

коэффициентов линейного расширения обода и перекладины; она составляет 20x10-6 мм.

Однако получить таким методом удовлетворительные результаты компен­ сации долго не удавалось. Это стало возможным лишь после того, как в 1928 г. швейцарский ученый Р. Штрауман нашел особым образом обработан­ ные материалы для увеличения разности коэффициентов линейного расшире­ ния обода и перекладины, что и обеспечило практическое применение диффе­ ренциального баланса.

В 1941 г. Вильям О. Беннет (США) получил на дифференциальный ба­ ланс патент. Этот баланс, как и баланс Воле, имел перекладину и обод из разных металлов. Баланс соединен с волоском особого сплава. Во время вто­ рой мировой войны 1939—1945 гг. адмиралтейство США заказало фирме «Га­ мильтон» несколько тысяч хронометров с дифференциальным балансом. Заказ был выполнен.

Хронометр фирмы «Гамильтон» изготовлен из следующих сплавов: обод —

Изохронизация колебаний системы баланс—спираль

Со времени изобретения хронометра становится актуальной проблема повы­ шения стабильности и точности его хода. Решить эту проблему, ориентируясь только на знания, приобретенные опытом, без обращения к теории, оказалось невозможным.

Одной из сложных и важных проблем в ряду других была проблема изохронизации колебаний спирали; часовых дел мастерам с ней приходилось иметь дело каждый раз, когда перед ними вставал вопрос о подборе изохрон­ ной спирали. Хотя еще П. Леруа сформулировал правильно принцип изохронизации, по которому «в каждой волосной спирали достаточной длины суще­ ствует определенная длина, при которой все колебания, большие и малые, являются изохронными», но он оставался на уровне эмпирического правила — критерия, пока не получил подтверждения со стороны теории. Только после этого стал возможен подход к реализации принципа Леруа не путем «проб и ошибок», а объективно научным.

Для теоретического обоснования принципа Леруа наибольшее значение имели труды Э. Каспари [233]. Он пришел к тем же выводам, что и Берту, 100 лет до того писавший, что для изохронности плоской спирали требуется, чтобы она была возможно большей длины и имела большое число витков малого диаметра. Каспари впервые дал выражение для погрешности периода, вносимой плоской спиралью без концевых кривых, и указал на возможность изохронизации колебательной системы при целом числе витков (+-1/4 витка). Впоследствии Каспари учел поправку на влияние хода механизма и установил значение суммарных углов изохронных спиралей. Он нашел, что на каждом витке спирали имеется не одна (как указывал П. Леруа), а две точки, могу­ щие обеспечить изохронность колебаний. Большое внимание он уделил раз-

работке вопроса о влиянии расположения точек крепления спирали на изо­ хронизм собственных колебаний баланса, установил зависимость периода ко­ лебаний от амплитуды с учетом смещения точек крепления концов спирали и числа витков. Эти вопросы стали предметом внимания таких ученых, как М. Резаль и Гроссманы. Первый дал некоторые уточнения выводов Каспари [286], а вторые исследовали траектории центра тяжести спирали и дали ре­ комендации по выбору угла между точками крепления.

следовательно, длины спирали, находящейся в паре с балансом. В связи с этим появилась необходимость предотвращения излишнего напряжения спи­ рали и сохранения заданного ему положения иметь спирали с более чем с 8—9 витками. Длина спирали не должна быть и излишней, потому что избы­ точный вес вредит точности хода.

Первым часовщиком-хронометристом, отошедшим от традиции примене­ ния в хронометрах плоской спирали, был Джон Арнольд. Он, как известно,

всвоих карманных и настольных хронометрах применил спиральную пружину цилиндрической формы с наружной концевой кривой, называемую гелико­ идальной. Этому примеру вскоре последовали многие мастера-хронометристы. Однако геликоидальная форма спирали оказалась неудобной для применения

вкарманных хронометрах и в карманных часах, поскольку для расположения такой достаточно длинной спиральной пружины требовалось изготовлять часы больших габаритов. Поэтому во всех карманных часах в паре с балансом по необходимости продолжали применять плоские спирали.

Последние при колебании баланса раскручиваются и закручиваются, и центр тяжести спирали постоянно перемещается около оси вращения баланса. По этой причине в опорах увеличивается трение и возникает добавочный момент на колодке спирали. Чтобы уменьшить влияние добавочного момента и совместить центр тяжести спирали с осью вращения, внешние и внутренние концы спирали в настоящее время выполняются по определенным концевым кривым. Концевые кривые уменьшают влияние смещения центра тяжести ба­ ланса со спиралью относительно оси вращения во времени хода часов.

Концевые кривые. Найденная Арнольдом геликоидальная форма спираль­ ной пружины изготовлялась им с изгибом концов спирали во внутрь. Позже он нашел, что для обеспечения изохронного колебания спирали достаточно изготовлять концевые кривые над или под витками спирали при условии обеспечения достаточной длины волоска.

Нельзя не отметить одного курьезного совпадения: балансовые пружины геликоидальной формы еще до Арнольда были применены Гаррисоном в его морских часах № 1 (1735 г.) и № 2 (1739 г.). В них имелись концевые кри­ вые и такое же свертывание спирали, на которые Арнольд позже получил патент. Правда, гаррисоновские геликоидальные пружины работали на рас­ тяжение, а не на кручение. Концевые кривые предназначались для сосредо­ точения силы растяжения на конце пружины.

Арнольд и его соперники по часовому искусству продолжали совершен­ ствовать метод изготовления концевых кривых спиралей, но достигнутые на этом пути успехи держались в большом секрете и ничего не сообщалось о том, как и почему были достигнуты те или иные результаты.

А.Д. Бреге (1747—1823) в 1802 г. впервые применил в часах плоскую

Рис. 225. Брегетированные спирали

балансовую пружину с наружными концевыми кривыми. В его честь плоские спирали с такими кривыми получили название брегетированных («Spiral Brequet»). В этой спирали внешний виток приподнят на 0,3—0,5 мм и располо­ жен над плоскостью спирали; конец концевой кривой, работающей в штифтах градусника, является дугой окружности, проведенной радиусом из центра оси баланса.

Брегетированные спирали (рис. 225) отличаются простотой и легкостью изготовления и до сих пор применяются в карманных часах. Некоторая труд­ ность имеется лишь в определении длины, которую спираль должна иметь.

Применение концевых кривых позволило намного улучшить изохронность колебаний системы баланс — спираль. Благодаря применению концевых кри­ вых удалось устранить погрешности в ходе часов, обусловленные перемеще­ нием центра тяжести спирали относительно оси вращения баланса при рас­ кручивании и закручивании спирали. Спираль с концевыми кривыми могла теперь двигаться во все стороны совершенно равномерно.

Изобретения Арнольда и Бреге носили эмпирический характер и не имели теоретического обоснования. Теоретическое изучение и объяснение действия балансовой пружины и баланса при жизни Арнольда и Бреге только начи­ налось. Можно, в частности, назвать математические исследования этой про­ блемы, осуществленные Георгом Атвудом, результаты которых изложены в его труде [224].

Эта работа не касалась вопроса о концевых кривых, поэтому высококва­ лифицированные мастера и после появления этой работы вынуждены были производить изгиб концевых кривых путем проб и ошибок, пока у них не возникло стремление найти определенную закономерность в формах изгиба

шему солидной физико-математической подготовкой. Он взялся за эту задачу и блестяще ее решил. Результаты исследований он в 1861 г. изложил в книге «Мемуары о регулируемой спирали» [280].

Разработкой теории концевых кривых Филлипс поставил искусство ре­ гулировки хода часов на научную основу. «Только начиная с работ Филлипса, т. е. с момента, когда математик, инженер высшей квалификации,—пишет Лосье,— перестал видеть в часовом деле особое специальное искусство и пы­ тался применить к нему принципы прикладной механики, часовое дело стано­ вится наукой» [196, 65].

Филлипсу удалось установить математические условия, которым должны удовлетворять внешние концевые кривые Бреге, чтобы совершенно уничто­ жить смещение спирали и ее центра тяжести и обеспечить расположение цент­ ра тяжести спирали на оси вращения баланса как в свободном, так и в де­ формированном состоянии. Э. Филлипс установил, что концентрическое раз­ вертывание и свертывание спирали и изохронное колебание баланса возмож­ ны при определенных условиях.

Концевые кривые, кроме погрешности изохронизма, исправляют также и погрешности хода, обусловливаемые различным положением часов в простран­ стве. Определяя положение центра тяжести внешней концевой кривой, фор­ мулы Филлипса не отражают самих кривых. Он вычертил множество конце­ вых кривых, отвечающих условиям, приведенным в его «Записках о регули­ руемой спирали». Эти кривые теоретически совершенно правильные, но не все одинаково удовлетворяют практическим требованиям регулировки системы баланс — спираль.

Э. Филлипс опубликовал свои «Мемуары» как ученый-математик для уче­ ных. Ю. Гроссман на основе его теории разработал форму внутренней кон­ цевой кривой. Последняя вместе с колодкой оказывает на баланс не меньше влияния, чем внешняя концевая кривая. Директор часовой школы в Безансоне М. Л. Лосье изложил теорию концевых кривых так, чтобы она могла получить практическое применение в кругах часовых мастеров [276]. Теоре­ тические правильные концевые кривые применяются только в самых точных часах. Причина, несомненно, заключается в том, что внутренняя концевая кривая, несмотря на все ее высокие достоинства и совершенства, трудна в из­ готовлении и регулировании.

Говоря не о теоретических, а о практических возможностях применения концевых кривых Филлипса, следует иметь в виду следующее замечание Лосье: «Филлипс установил теоретические условия, которым должна удовлетворять спираль, чтобы быть изохронной, но изохронная спираль не обусловливает изохронности самих часов. Случается, что регулировщик, устраняющий влияние изменения в «ходе», вынужден уничтожить изохронизм спирали, а следова­ тельно, и изменить концевые кривые; при этом он отступает от теоретических данных, так как ему изохронная спираль не нужна. Но это далеко не ума­ ляет значения теории Филлипса, напротив, подтверждает ее поразительным образом» [196, 35].

Нелинейность спирали объясняется неоднородностью упругих свойств ма­ териала спирали. Это вместе с добавочным моментом, создаваемым спиралью (когда точки крепления ее внутреннего и внешнего концов не лежат на одной прямой), является основной причиной неизохронности собственных колебаний системы баланс — спираль.

Значительная погрешность хода часов связана с самой колебательной системой, с характеристикой свойств спирали и с ее геометрическими разме­ рами. Поэтому оценивать качества материала спирали требуется не только по технологическим свойствам и температурному коэффициенту, но и по ее упругим свойствам. Будучи нелинейной функцией угла закручивания, восста­ навливающий момент может быть также различным. Однако следует подчерк­ нуть, что, как правило, система баланс — спираль является колебательной системой с малой нелинейностью.

Эдуард Филлипс

Для повышения точности хода часового механизма необходимо приме­ нять спирали с определенным числом витков, соблюдая угловое смещение точек крепления внутреннего и внешнего концов спирали, руководствуясь тео­ рией спирали Ж- Гаага [263]. В своей работе он доказал, что: 1) выводы П. Леруа,- Э. Каспари, Э. Филлипса и Ю. Андрада представляют собой част­ ные случаи этой теории; 2) подбором числа витков можно изменить траек­ торию центра тяжести спирали в нужном направлении; 3) подбором угла смещения спирали можно устранить погрешности хода при горизонтальном положении часов.

Неуравновешенность баланса вызывает изменение периода колебания ба­ ланса, особенно в тех случаях, когда ось баланса расположена горизонтально. Неуравновешенность баланса имеет место, когда он насажен на ось эксцент­ рично, либо когда ввернуты более тяжелые винты только с одной стороны,

либо обод в разных местах имеет разную толщину или ширину. Избыточный вес на той или иной стороне обода или смещение центра тяжести создает дополнительный момент, который в зависимости от величины амплитуды и положения центра тяжести будет различно влиять на ход часов. Погреш­ ность в ходе часов при различном их положении оси баланса носит название позиционной погрешности. Она особенно значительна в тех часах, где внеш­ няя концевая кривая выполнена неправильно или ее совершенно нет.

На основе экспериментальных и теоретических исследований Э. Филлипс установил, что период колебания при неуравновешенном балансе зависит от амплитуды. Например, при положении центра тяжести баланса выше оси вращения часы при амплитуде менее 220° будут отставать, при амплитуде, равной 220°, идти точно, а при амплитуде более 220° — спешить. При посто­ янной амплитуде, равной 220°, часы будут идти точно даже тогда, когда центр тяжести расположен ниже оси баланса, но в этом случае при амплитуде ме­ нее 220° часы будут спешить, а при амплитуде 220° — отставать. Результаты своих исследований Э. Филлипс опубликовал в специальной статье [281]; ее оценка дана в классическом труде Сонье [290, 784].

Особо следует остановиться на выводах, полученных Юлием и Германом Гроссманами в результате исследования ими влияния на ход часов изменения положения часов с горизонтального на вертикальное (на горизонтальное по­ ложение оси баланса). При этом условии, по их мнению, на изменение хода часов могут влиять две причины: изменение величины зазора между спиралью и штифтами градусника и изменение трения цапф.

«Если часы спешат в вертикальном положении,— утверждают Ю. и Г. Гроссманы,— то прежде всего надо убедиться, нет ли большого зазора меж­ ду спиралью и штифтом градусника. Обнаружив такой зазор, нужно его устранить» [257, ч. 2, 141]. И далее: «В том случае, если наружный виток не имеет допустимого зазора между спиралью и штифтами градусника и часы все же в вертикальном положении имеют другой ход, чем в горизонтальном, из-за увеличения трения в цапфах баланса. Это имеет своим следствием умень­ шение амплитуды колебания баланса н перемещение точки крепления конца пружинного витка. В связи с этим наблюдается замедление хода часов» [257, ч. 2, 189].

Для надежного обеспечения единообразия в ходе часов при всех изме­ нениях их положения Бреге изобрел особый ход, известный под названием «турбилион» (tourbillon), или «вихревой ход». Он снабжен механизмом, ко­ торый при своем вращении каждый раз делает один оборот за минуту с не­ изменным постоянством и при всех положениях часов. Сходное устройство, называемое «каруселью» (carrusel), было изобретено Бониксеном; там за 52'/2 минуты баланс со спуском поворачивается один раз. В часах с ходом тур­ билион и карусель самой чувствительной частью является механизм хода, который несколько раз в сутки принимает различные положения, независимо от того, какое положение будет придано самим часам.

Хронометр с ходом турбилион успешно изготовлял в конце XIX в. из­ вестный русский часовщик И. В. Толстой. Однако такой способ устранения влияния неуравновешенности на суточной ход часов очень сложен и в на­ стоящее время применяется редко. Благодаря использованию специальных при­ боров контроля хода в настоящее время возможно быстрое и достаточное устранение неуравновешенности узла баланса.