Ни одно описание механизма часов не обходится без упоминания системы «баланс-спираль». Ее ритмичные колебания иногда сравнивают с биением сердца. Зачем нужна эта парочка, что она собой представляет и как работает?

Вы никогда не задумывались, как человек меряет время? Время — совершенно особое понятие. В отличие от трех пространственных координат, оно всегда находится в движении, течет вперед. Мы можем вернуться в любую точку пространства, где когда-то побывали, но нам не дано перемотать назад киноленту времени.

Особая природа времени делает неприменимой для его измерения методы, привычные нам при измерении длины или веса.

Мы можем изготовить и положить в сейф эталон метра или килограмма. Но попробуйте представить себе эталон секунды.

Получилось?

При измерении времени используют подход, в чем-то похожий, а в чем-то отличающийся от привычных методов определения размеров предметов. Отмеряя ткань, мы определяем, сколько эталонных интервалов (метров) укладывается внутри отреза. Точно так же мы поступаем и со временем: считаем, сколько эталонных интервалов укладывается внутри измеряемого нами промежутка времени. А за эталонный интервал принимаем длительность какого-то явления, про которое известно, что оно периодически повторяется и каждый раз само имеет одинаковую (в определенных пределах) длительность. Например, возраст человека считаем по количеству лет (т.е. количеству периодов, за которые Земля обращается вокруг Солнца), срок до отпуска — по числу дней или суток. К сожалению, инструментов для измерения более коротких интервалов природа нам не дала, и человеку пришлось изобретать их самостоятельно. Так и появились часы.

Сладкая парочка

Любые современные часы состоят, по сути, из трех больших блоков: генератора колебаний (т.е. устройства, генерирующего те самые эталонные интервалы времени),счетчика, который подсчитывает колебания и переводит их число в понятный и привычный для человека вид — цифры или движение стрелок по циферблату, и источника энергии, который необходим для работы двух предыдущих блоков.

Слова «сейчас половина восьмого» означают, что с начала суток счетчик (стрелки и колесная передача наших часов) насчитали столько колебаний (эталонных интервалов), сколько их укладывается в отрезок времени длительностью 7 часов 30 минут.

Сам принцип, когда за основу эталона времени берется некое колебательное движение, получил название принципа колебательной хронометрии.

В напольных часах устройством, задающим эталонные интервалы времени, является маятник. А сердцем всех современных переносных механических часов и их основным функциональным узлом является система «баланс-спираль» (см. рис. 1).

Она состоит из сравнительно массивного обода баланса 1 с перекладиной 2, которая в центральной части закрепляется на оси 9, свободно вращающейся на своих опорах, и спирали 3, внутренний конец которой крепится неподвижно в ролике 4, а внешний — в колодке 5, неподвижно закрепленной в платине часов. За свои миниатюрные размеры (особенно толщину) часовщики часто называют спираль «волоском».

Работа системы «баланс-спираль» похожа на колебания маятника. Если повернуть баланс на какой-либо угол, спираль сожмется или разожмется. Сила упругости будет стремиться вернуть баланс в исходное положение, и если мы отпустим его, он начнет вращаться по направлению к точке покоя (положению, при котором спираль не испытывает нагрузки). Однако при этом баланс приобретет определенную кинетическую энергию, которая заставит его «проскочить» исходное положение и провернуться чуть дальше. В результате в спирали опять появится напряжение, направленное в обратную сторону, и процесс повторится вновь.

Таким образом, система «баланс-спираль» является так называемой колебательной системой, т.е. системой, для которой определяющим видом движения являются синусоидальные колебания(рис. 2). Она воспроизводит размер (длительность) «эталонного» интервала, который используется в часах для определения продолжительности любого измеряемого промежутка времени. Длительность измеряемого отрезка времени tx определяется как число укладывающихся в нее периодов колебаний системы «баланс-спираль» Т. Например, величина отрезка tx, изображенного на рисунке 2, равна 2,5 Т.

При этом период Т определяется как продолжительность одного колебания или интервал между моментами прохождения системой «баланс-спираль» в одном и том же направлении положения покоя, т.е. положения, когда спираль находится в недеформированном состоянии. В часовом деле вместо этой характеристики часто используется продолжительность одного полуколебания (пк) — Т/2, а через нее и значение частоты полуколебаний в час (пк/час). Величина периода колебаний типовых современных часов выбирается в пределах от 0,60 до 0,33 сек, и только в некоторых случаях значительно меньше: 0,20 сек для типовых секундомеров и 0,10 — 0,01 сек и иногда 0,001 сек для хроноскопов.

Период колебаний системы «баланс-спираль» зависит от характеристик ее компонент: момента инерции баланса и упругих свойств спирали. Рост момента инерции баланса или уменьшение момента упругости волоска приведут к замедлению колебаний (т.е. увеличению их периода и отставанию часов), и наоборот. Этими свойствами колебательной системы пользуются для регулировки погрешности часов.

В силу своей относительной простоты, малых габаритов и развитого массового производства система «баланс-спираль»лежит в основе не только относительно малогабаритных научных или карманных часов, но и большинства стационарных бытовых часов: настольных, настенных, часов-будильников и т.п.

Система «баланс-спираль» определяет и обобществленное наименование всех этих часов в классификации современной часовой техники — балансовые часы.

Энергия для движения

Не будь на свете трения, сопротивления воздуха и еще нескольких факторов, вызывающих потери системой «баланс-спираль» энергии, однажды отклоненная в сторону, она колебалась бы вечно, подобно вечному математическому маятнику.

Но в реальной жизни бесконечного движения не бывает. Не имея собственного источника энергии, реальная система «баланс-спираль» не смогла бы совершать колебательные движения, необходимые для измерения времени, и неизбежно бы остановилась. Поэтому во всех видах балансовых часов она работает во взаимодействии со вторым важным узлом —часовым спуском (ходом), который сообщает балансу необходимый запас энергии. На рис. 1 упрощенно изображено это энергетическое взаимодействие системы «баланс-спираль» со спуском. Последний периодически, обычно при прохождении балансом положения покоя, передает ему очередную порцию энергии от пружинного двигателя. При этом количество передаваемой энергии строго дозировано и равно тому, сколько «баланс-спираль» потеряла за время одного колебания или полуколебания.

Вторая важнейшая задача спуска — «подсчитывать» число колебаний баланса.

Он сконструирован так, что большую часть времени остается неподвижным, и только в моменты прохождения балансом положения покоя разрешает колесной передаче и стрелкам часов совершить небольшой поворот.

Спуск включает в себя анкерную вилку 6 (по форме напоминающую морской якорь — от англ. «anchor», откуда и пошло название), обладающую в верхней части двумя рожками 11, подталкивающими попеременно баланс по направлению его движения, и палетами 7, периодически передающими импульсы энергии от анкерного колеса 8 балансу. При нахождении вдали от положения покоя очередной зуб анкерного колеса взаимодействует с палетой, прижимая вилку к одному из ограничительных штифтов 10 — спуск «ждет» момента прохождения балансом положения покоя. При подходе к этому положению баланс ударяет по рожку 11 и освобождает «заклиненный» палетой зуб ходового колеса. Последний приходит в движение и через вилку передает очередной импульс энергии балансу. Одновременно освободившееся колесо получает возможность повернуться на небольшой, строго определенный угол, пока его следующий зуб не упрется в противоположную палету вилки.

Остальная колесная передача часов преобразует это движение в поворот стрелок на микроскопический угол. В результате мы не видим колебаний баланса — часы представляют нам информацию о времени в удобном и понятном виде.

Таким образом реализуется «обратная связь» системы «баланс-спираль» со спуском, посредством которой колебательная система сама определяет момент получения ею очередной порции энергии.

Это взаимодействие представляет собой типичный процесс автоматического регулирования колебаний системы «баланс-спираль» с наперед заданной амплитудой, достаточной для безотказной работы часов. По этой причине основное времязадающее устройство часов, состоящее из системы «баланс-спираль» и спуска, называется балансовым спусковым регулятором, а такие саморегулирующиеся колебания — автоколебаниями.

Для приборов и для людей

К настоящему времени сложилась типовая конструкция системы «баланс-спираль» морских и других крупногабаритных хронометров (авиационных, геодезических, картографических и других так называемых экспедиционных) и типовая конструкция системы «баланс-спираль» для малогабаритных часов с ограниченным высотным размером — наручных и карманных.

На рис. 3 изображена первая из них: типовая конструкция системы «баланс-спираль» морского хронометра, состоящая из цилиндрической винтовой спирали 3 (по геометрической терминологии, называемой гликоидальной) и разрезного баланса, состоящего из обода 1 с грузами 7 и перекладины 8. Ось баланса с обеих сторон снабжена тонкими цапфами 9 и 10, свободно вращающимися в камневых опорах 11 и 12, нижняя из которых имеет в качестве подпятника натуральный алмаз 13. Концы спирали закреплены: один (неподвижный) в колонке 6, второй — на колодке 4, зафиксированной на оси баланса. Регулировка периода колебаний осуществляется путем перемещений грузов 7 в радиальном направлении с помощью регулировочных винтов 17. Удаление грузов от оси увеличивает момент инерции баланса и период колебаний системы «баланс-спираль», что приводит к замедлению хода часов, и наоборот, приближение к оси сокращает период колебаний, что заставляет часы идти быстрее.

Автоколебания системы «баланс-спираль» поддерживается с помощью хронометрового спуска (хода), состоящего из спускового колеса 14 и спускового рычага 15 с пружиной 16.

Хронометры такого типа имеют хорошие показатели точности: средний суточный ход не более 3 сек, среднее отклонение суточного хода ±0,2 сек, температурный коэффициент суточного хода не более ±0,1 сек/0C — и до сих пор выпускаются рядом зарубежных фирм (UlysseNardin и др.), а также в отечественном варианте под маркой 6MX.

В наручных и карманных часах, где требования удобства пользования заставляют делать механизм тонким, применяются несколько другие варианты систем «баланс-спираль» (рис. 4).

Здесь типовая конструкция приобретает иной вид: это плоская спираль 1, близкая по форме к спирали Архимеда, сопряженная с неразрезным балансом, состоящим из обода 2 и перекладины 3, неподвижно сидящей на оси 4, снабженной, как и в первой рассмотренной конструкции цапфами, свободно вращающимися в камневых опорах.

Внешний конец спирали крепится к неподвижной колонке 5, а внутренний— к колодке 6, сидящей на оси баланса (часто выточенной вместе с осью). Для поддержания автоколебаний такой системы «баланс-спираль» обычно используется типовой швейцарский анкерный ход, состоящий из анкерной вилки 7 с палетами 8 (обычно из искусственного рубина — лейкосапфира) и анкерного колеса 9.

Регулировка периода колебаний такой системы «баланс-спираль» осуществляется путем изменения действующей длины спирали с помощью двух обжимающих ее скользящей посадкой штифтов 10, запрессованных в хвостовик 11 стрелки 12. Такую конструкцию иногда называют «градусником». При повороте этой стрелки, сидящей соосно с балансом, штифты 10 перемещаются вдоль внешнего витка спирали, изменяют в небольших пределах действующую длину спирали, за счет чего меняется период колебаний системы «баланс-спираль». Поворот стрелки на одно деление по ее шкале изменяет ход часов на 1—2 сек/сутки, максимальное изменение хода, которое можно обеспечить «градусником», около 40 сек/сутки.

Бытовые часы с такой колебательной системой имеют обычно достаточные для повседневного использования эксплуатационные характеристики: их средний суточный ход лежит в пределах ±30 сек (для часов первого класса) и ±45 сек (для второго класса). Однако лучшие современные образцы таких часов обеспечивают значительно более высокие показатели: 5—10 сек и менее.

Два рассмотренных варианта систем «баланс-спираль» являются наиболее распространенными. Но разнообразие задач изменения времени, дополнительные функции часов и отличные от нормальных (как говорят в армии, «нештатные») условия их эксплуатации вызвали появление других конструкций.

Автор Вячеслав Медведев