ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

мени произошла революция» [29, 172]. Этот новый эталон час­ тоты и времени стал входить во всеобщее употребление с 1958 г.

После 1945 г. были достигнуты значительные успехи в при­ менении электричества и электроники для создания новых при­ боров времени, таких, как контактные магнитоэлектрические и электромагнитные наручные часы, электронно-механические наручные часы, бесконтактные балансовые с транзистором, камертонные и кварцевые. Благодаря быстрому развитию мик­ роэлектроники и прежде всего интегральных схем с 1967 г. по­ лучили развитие кварцевые наручные часы, которые постепен­ но становятся часами бытового назначения. Точность кварцевых наручных часов в 100 раз (на два порядка) выше точности обычных балансовых часов.

Эволюция интегральных схем в настоящее время находится на пороге радикальных технических достижений.

Атомные часы, электрические и электронно-механические на­ ручные часы имеют много общего. Можно говорить об извест­ ной преемственности между этими видами часов, причем прой­ денная эволюция обязана развитию радиотехники, электроники и достижениям в различных областях науки.

Глава I

ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАЯТНИКОВЫХ И БАЛАНСОВЫХ ЧАСОВ

Изобретение электрических часов. В самом конце XVIII в. были предприняты попытки использовать возможность переда­ чи статического электричества на расстояние. Однако получен­ ные результаты имели весьма малую практическую ценность, пока в 1800 г. Алессандро Вольта не изобрел элемент, получив­ ший название Вольтова столба.

Самое раннее известие о создании электрических часов от­ носится к 1830 г., когда профессор физики Веронского университета (Италия) Замбони создал часы, подробности устройства которых, к сожалению, не дошли до нас. Сохранились лишь све­ дения, что колебательное движение маятника часов поддержизалось при помощи последовательных электростатических при­ тяжений и отталкиваний металлической линзы маятника между гвумя полюсами элемента Замбони, обладающего большей эдс по сравнению с элементом Вольта. По свидетельству про­ фессора де-ла-Рива, часы Замбони были выставлены в 1832 г. в промышленном отделе Societe des Arts в Женеве [350, 231].

В результате открытия Эрстеда в 1820 г., работ Ампера и других ученых было создано учение об электромагнетизме. Пер-

пульс тока вторичным часам ежесекундно. Однако при этом ход часов нарушался, так как давление в момент контакта было значительным. Уитстон пытался преодолеть этот недостаток пу­ тем устройства цепи с электромагнитной связью.

В другом варианте его электрочасов маятник приводился в действие от завода ключом. Отличие этих часов от обыкновен­ ных заключалось в том, что здесь маятник использовался еще в качестве электромагнитного генератора. В маятник вместо линзы был вставлен намагниченный цилиндрический стальной стержень. При передвижении стержня в магнитном поле в лег­ ких стальных дисках циферблата вторичных часов возбуждался ток. Вращение этих дисков вызывало вращение стрелок. Сталь­ ными дисками циферблата электрические импульсы посылались ежесекундно.

Таким образом, маятник выступал в роли генератора соот­ ветствующей частоты, а вторичные часы были как бы двигате­ лем, приводимым в действие током. Маятник выполнял не свой­ ственные ему функции, что создавало крайне неблагоприятные условия для его работы. Маятник, раскачивающийся в магнит­ ном поле, испытывал сопротивление своему колебанию, и в нем не всегда получались достаточной силы электрические импуль-

сы, чтобы управлять стрелками часов. Эта система позволяла преодолеть трудности осуществления контакта, но чрезмерно нарушался свободный ход маятника.

Прав Хоуп-Джонс, давший отрицательную характеристику часам Уитстона. «Мы не сомневаемся в том, — пишет этот ав­ тор, — что Уитстон изучал Галилея, Гюйгенса, что он был зна­ ком с теорией маятника, с достижениями Томпиона, Гаррисона, Мюджа и Арнольда, которые жили и работали до него, в веке, предшествовавшем его веку. Но такого безжалостного вмеша­ тельства в свободу маятника было бы достаточно для того, что­ бы они перевернулись в своих гробах» [365, 20].

Часы Уитстона были установлены в Королевском обществе

в1873 г., но ими перестали пользоваться уже вскоре после смер­ ти изобретателя [365, 22].

После Уитстона нерациональное использование маятника в электрических часах продолжалось в течение довольно долгого времени. Маятник рассматривался только как источник энергии, необходимой для замыкания цепи, и когда какой-либо изобре­ татель пытался осуществить лучшее контактное устройство, он использовал в этих целях маятник, хотя это было связано с на­ рушением элементарных законов его колебаний. Немалую роль

вэтих неудачах играло то, что многие изобретатели электроча­ сов на раннем этапе их развития не обладали достаточными знаниями в часовом деле. Первые значительные успехи в созда­ нии электрических часов были достигнуты тогда, когда за это дело взялись часовщики, знакомые с электротехникой, такие, как Александр Бен, Матиас Гипп и др.

Процесс развития электрохронометрии в XIX в. был весьма медленным и малообнадеживающим. Даже в начале XX в. име­ лось немало специалистов, связанных с часовым делом, которые не верили в возможность дальнейшего прогресса электрохроно­ метрии. Лорд Гримторп писал, что у него нет «никаких основа­ ний допускать, что можно прямо электричеством поддерживать

точный ход часов в течение длительного времени» [256, 162]. В новом издании своей книги Гримторп указывает причину, вследствие которой электрические часы не обеспечивают необ­ ходимую точность: «Всякий, кто приступает к конструированию электрических часов, должен иметь в виду, что время от време­ ни происходят изменения в напряжении тока, поступающего от источника тока. А это сказывается на точности хода часов»

[256, 165].

Все эти затруднения были преодолены в ходе дальнейшего развития электрохронометрии.

Развитие маятниковых и балансовых часов с электрическим приводом прямого действия

Маятниковые часы Бена. Появление самых ранних часов с электрическим приводом прямого действия связано с именем английского часовщика Александра Бена (1811—1877). В 1837 г. он приехал в Лондон из Эдинбурга, чтобы поступить на работу в качестве часового мастера. Это случилось в тот са­ мый год, когда Кук и Уитстон получили патент на электротеле­ графный аппарат.

Александр Бен был не только квалифицированным часов­ щиком, но и талантливым изобретателем, интересовавшимся до­ стижениями науки. После того как ему удалось устроиться на работу, он систематически посещал лекции в Политехническом институте и всецело отдался изобретательской работе. Знаком­ ство с электромагнитными машинами направило мысль Бена на поиски того, как электричество может быть использовано в той области техники, которая была ему, как часовщику, ближе всего.

Бен стал работать над созданием электрического буквопеча­ тающего телеграфа («печатание информации вместо указания ее знаками») и над созданием электрических часов. «К июню

кто мог бы материально помочь мне в реализации моих изобре­ тений» [329, 6]. Основная мысль Бена в области электрохроно­ метрии заключалась в устройстве нескольких вторичных (с ци­ ферблатом) часов с единым управлением от первичных, или главных, часов так, чтобы они могли показывать одно и то же время в различных местах. В библиотеке Лондонского патент­ ного бюро сохранились чертежи Бена вместе с подробными описаниями по меньшей мере десяти его изобретений, относя­ щихся к созданию электрической системы часов, приводимой в действие последовательным включением и выключением тока, осуществляемых движением маятника и баланса. Наряду с этим известны изобретения Бена, связанные с созданием печа­ тающего телеграфного аппарата и устройством железнодорож­ ной электросигнализации через токопроводящие рельсы и кон­ тактные башмаки. Он набросал также план осуществления нового принципа передачи штриховых изображений и печатного материала на расстояние по проводам и без проводов, в кото­ ром предвосхищал некоторые идеи современного телевидения. По тому значению, какое имеют изобретения Бена, его имя мо­

на, и он дал средства, чтобы Бен окончил свои модели. Букво­ печатающий аппарат он купил у Бена. Интерес, проявленный к изобретению электрических часов в Англии, показывает, что общественность придавала этому большое значение.

Бен получил патент на изобретенные им электрические часы в октябре 1840 г. На основании этого Бена считают первым изо­ бретателем электрочасов в Англии, так как здесь до него по­ добный патент никому не выдавался.

Описание и характеристика патента Бена довольно подроб­ ны и охватывают вторичные импульсные часы и разные способы продвижения в них стрелок импульсами тока, реализуемыми движением качающегося маятника или колебательным движе­ нием баланса. Здесь также имеется описание маятниковых ча­ сов с электрическим приводом прямого действия, которые мо­ гут управлять вторичными (импульсными) часами.

Механизм первых главных часов, описанных в этом патенте, приводился в действие грузом, а регулятором хода служил се­ кундный маятник.

На рис. 231 показана схема устройства одних из таких электрических часов. На ней изображены секундный маятник 2 и трое вторичных часов в цепи /. Часовой механизм на фигуре не показан. Стержень маятника несет хомутик с металлическим пальцем 4 для осуществления контакта. Палец с трущимся контактом проходит по изолятору с металлической вставкой 3, прикрепленной к раме. При каждом размахе маятника происходит замыкание контактов цепи, после чего посылается импульс тока в цепь вторичных часов, соединенных последовательно, чтобы передвигать стрелки импульс за им­ пульсом.

Маятниковые часы Бена 1843 г. с электрическим приводом прямого дей­ ствия, т. е. с маятником, сохраняющим свое колебание под действием электро­ магнита, можно видеть на рис. 232. В качестве источника электрической энер­ гии в часах был применен так называемый земляной элемент /, 2, состоящий из медной и цинковой пластин, зарытых в сырую землю. Затем имеется два закрепленных циферблата вторичных часов 3, 4. Маятниковый груз 7 пред­ ставляет собой многовитковую массивную катушку из изолированной про­ волоки. Катушка расположена между полюсами двух постоянных подково­ образных магнитов 8, прикрепленных к раме. Электрический контакт осуще­ ствлялся маленьким шариком, установленным на стержне маятника. При ка­ чании маятника шарик попеременно касался левой или правой пластины 5, 6. При колебании маятника влево шарик падал на пластину 5, замыкая цепь; тогда маятник мог быть притянут вправо и получить импульс, который в то же время передавался на все циферблаты в цепи. Когда маятник двигался влево, шарик падал на другую металлическую пластину 6, которая, не имея электрического контакта, прерывала цепь. Этот цикл повторялся при каждом переменном размахе маятника. Часы Бена заслужили похвалу и за ориги­ нальность, но устройство контакта и прерывателя было неудачным. Поэтому Бен вынужден был этот контакт усовершенствовать.

Рис. 231. Схема электрических часов Бена 1840 г.

Рис. 232. Маятниковые часы с электрическим приводом прямого действия Бе­ на 1843 г.

Рис. 233. Часы Бена 1845 г.

а — принципиальная схема; б — устройство часов; в — детали контакта

ными магнитами. Полюсы магнитов обращены к катушкам С и С1 которые соединены последовательно (рис. 233, б). Поэтому при пропускании через них тока одна катушка притягивает линзу, в то время как другая отталкивает ее.

На стержне маятника укреплен штифт D, назначение которого состоит в том, чтобы при колебании маятника передвигать по кронштейнам Н и Н1 контактную скобу В.

Это устройство в увеличенном виде приводится на рис. 233, в. Кронштей­ ны Н и Н1 имеют сверху цилиндрические выступы-контакты G и G1 из золота, А и А1 из агата. На выступах имеются канавки, по которым Свободно дви­ жется контактная скоба В, соединяющая оба конца цепи в момент касания золотой части контактов.

В этих часах катушки, контакты и источники тока соединяются после­ довательно.

Разберем работу маятника. На рис. 233, а маятник находится в крайнем правом положении. Левая катушка в это время притягивает линзу, а правая отталкивает ее. В результате маятник получает импульс справа налево, ско­ ба остается неподвижной до тех пор, пока штифт не толкнет ее левый изгиб. В это время контакт прервется, цепь разомкнётся, и катушки не будут дейст­ вовать на линзу. Маятник теперь будет свободно двигаться вправо, где опять передвинет скобу и замкнет цепь, и т. д. [213, 78—79].

Недостаток часов Бена заключался в том, что был большой ток, сильное трение в контактах и износ их; поэтому довольно скоро эти часы оказались достоянием истории. Маятник нахо­ дился непрерывно под магнитным воздействием; сила притяже­ ния магнита способствовала ускорению хода часов. Поскольку импульсы маятнику сообщались после каждого размаха, то ход часов Бена не был свободным. Изосинхронное колебание маят­ ника могло достигаться только при совершенно неизменной и постоянной силе тока батареи, что, как известно, не так легко получить.

В маятниковых часах Бена с электроприводом прямого дей­ ствия были заложены те основные принципы, на основе которых происходило дальнейшее усовершенствование такого типа элек­ трических часов, т. е. усовершенствование контакта и механиз­ ма для периодического прерывания тока и изменения фаз. Идея Бена об устройстве маятниковых часов с электрическим приводом непосредственного действия была революционной, несмотря на то что ему не удалось создать надежного устрой­ ства контакта.

Кроме электрических часов Бена, существуют и более совер­ шенные конструкции часов с приводом прямого действия, как, например, электрические часы Матиаса Гиппа (1813—1893), в которых посредством системы электромагнитов маятнику да­ ются толчки только тогда, когда амплитуда его качаний стано­ вится меньше известной величины. Часы Гиппа, имевшие более совершенное устройство, и получили на европейском континен­ те наибольшее практическое применение.

Электрические часы Гиппа. По свидетельству Фаварже [350, 232—245], мысль о создании часов с электрическим при­

Свое изобретение он представил в 1842 г., когда уже был часо­ вым мастером в Рейтлингейне (Германия). Оно принесло ему славу. Есть основания полагать, что он не знал о работах своих современников, а последние не были в курсе достижений Гип-

па. В Англии самое раннее сообщение об электрических часах Гиппа относится к 1865 г., когда на это изобретение там был выдан ему патент [36, 106].

Создавая часы с электрическим приводом, Гипп исходил из ясных теоретических положений, относящихся к колебаниям свободного маятника, т. е. маятника, не связанного ни с ходом, ни с колесной системой. В этом случае маятник, преодолевая сопротивление окружающего воздуха, может качаться доволь­ но долго под влиянием одного полученного им первоначаль­ ного импульса. Если такому маятнику сообщить импульс через несколько секунд или даже минут, после того как он сделает большое число свободных колебаний, без нарушения изохрон­ ности этих колебаний, он будет колебаться столь же равномер­ но, как и раньше. В этом случае повторный импульс должен подаваться не после определенного числа свободных колебаний маятника, а тогда, когда уменьшение амплитуды этих колеба­ ний дойдет до заранее определенного минимального размера. Эти импульсы должны восстанавливать потерянную силу маят­ ника вследствие изменения соотношения между действующими силами и вредными сопротивлениями.

Принцип действия часов Гиппа и заключался в том, что сво­ бодно колеблющийся маятник L в момент затухания колеба­ ний, когда его амплитуда достигает определенного минималь­ ного размаха, автоматически получает импульс от источника электрического тока.

Электрические маятниковые часы Гиппа представлены на рис. 234. Маят­ ник устроен совершенно особенным образом: одним концом он подвешен на пендельфедере в точке А, а на другом его конце находится линза, ниже ко­ торой укреплен железный стержень е, выполняющий роль якоря электромаг­ нита m, который установлен так, что расстояние между полюсами и якорем равно 1—2 мм. Стержень маятника над линзой имеет прямоугольный вырез (см. вид сбоку), где установлена агатовая призма а, которая представляет собой контрпалету, или гребенку с двумя или тремя зубцами. Над последней установлены две контактные пружины f, f1, левые концы которых свободно лежат на стержнях s, s'. К нижней контактной пружине f, немного правее ее середины, в точке о подвешен легко подвижный язычок, или палета, р из за­ каленной и отполированной стали. Положительный полюс батареи Е соединен с одним концом обмотки электромагнита т, другой его конец присоединен к контакту k' пружины f'; отрицательный полюс батареи присоединен к пра­ вому контакту k пружины f. Провод s'd служит для того, чтобы предупре­ дить появление искры в т при размыкании тока, так как прежде чем пружи­

Для приведения маятника в состояние колебания необходимо отвести его влево так, чтобы гребенка оказалась левее язычка, и отпустить. При обратном движении гребенка а зацепит за язычок р и повернет его вправо, после чего язычок легко соскользнет с нее. Цепь электромагнита останется разомкнутой, и маятник колеблется без импульса, с постепенно уменьшающейся ампли-

тудой. Наконец, когда амплитуда уменьшится до некоторой определенной ве­ личины, язычок задержится между зубцами гребенки при отклонении маятника влево. Гребенка упрется в язычок, приподнимет его, и контакт замкнется. В результате соединения контактов обеих пружин через обмотку электро­ магнита пойдет электрический ток, и якорь притянется к электромагниту, т. е. вызовет импульс тока. Этот импульс дает маятнику толчок вблизи положе­ ния равновесия. Затем гребенка отпустит язычок р и маятник будет свободно продолжать свое колебание с увеличившейся амплитудой, поднимая и от­ пуская легкий язычок. Это происходит до тех пор, пока амплитуда маятника не уменьшится настолько, что при колебании влево произойдет заклинивание язычка р. Тогда вновь замкнется контакт и маятник получит импульс от электромагнита.

В СССР маятник Гиппа применен в электропервичных часах (ЭПЧМ). Описанное выше электромеханическое устройство, которым Гипп снабдил сво­ бодный маятник, он назвал электрическим ходом (l'chappement electrique) [364]. Часы Гиппа со свободным ходом, так как маятник сцепляется с меха­ низмом только во время получения импульса (примерно через 8—10 свобод­ ных колебаний).

Парижский изобретатель Лемуан в 1900 г. внес в изобретение Гиппа цен­ ное изменение, присоединив к коленчато-рычажному устройству проволоку с легкой слюдяной флюгаркой в форме бабочки. По форме флюгарки это устройство стали называть «бабочкой». Лемуан заменил коленчато-рычажное устройство удлиненной легкой проволокой 1 со слюдяной лопаточкой 2 и с шарниром внизу основания груза маятника (рис. 235). Когда амплитуда ко­ лебания маятника уменьшалась ниже заданной нормы, проволока нажимала на пружинный контакт 3, и последний приводил в действие контакт 4, который замыкал цепь, а маятник получал импульс.

Наряду с устройством Лемуана коленчато-рычажное устройство Гиппа в той или иной форме продолжает использоваться до настоящего времени.

Маятниковые часы с электроприводом прямого действия, созданные после Гиппа. После Гиппа было немало изобретателей, проявивших большую на­ ходчивость в отношении использования идеи электрического привода прямого действия. Они при этом решали две задачи: 1) получить возможно более

механики, так трудно преодолеть силу инерции движущихся частей. Бреге был в числе первых, кто указал на возможность решить эту задачу, исполь­ зуя явление индукции, но не ему, а французскому профессору физики Чарльзу Фери принадлежит инициатива создания на этом принципе маятника с элект­ рическим приводом (рис. 236).

В нижней части маятника укреплен подковообразный постоянный магнит 10; его нижний полюс при колебании маятника входит в неподвижную ка­ тушку 1, которая соединена с катушками 2, посаженными на полюсы непод­ вижного постоянного магнита 3. При разомкнутой цепи электромагнита якорь притянут к полюсам постоянного магнита 3. Один полюс батареи присоединен к маятнику, а другой — к одному из концов катушки электромагнита 4. Вто­ рой конец катушки электромагнита присоединен к контакту 7. На стержне маятника укреплен рычаг с контактным винтом 8. При колебании маятника