Часы и люди - Директория часов
Большие часы - Директория часов
Технологии и часы - Директория часов
 

Главная » Информация » Механизм » Линейка для времени

Линейка для времени

Опубликовано: , посмотрело: 7991, автор:

Линейка для времени

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

Рис. 1. Система «баланс-спираль» во взаимодействии с часовым спуском

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.

Период колебаний баланса Число полуколебаний в час
0,6 12 000
0,33 21 818
0,4 18 000
0,25 28 800
0,2 36 000
0,1 72 000

Энергия для движения

Рис. 2. Принцип измерения отрезка времени при помощи эталонных колебаний

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

Рис. 3. Типовая конструкция системы «баланс-спираль» с цилиндрической спиралью

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.

Рис. 4. Типовая конструкция системы «баланс-спираль» малогабаритных часов

Автор Вячеслав Медведев

Категория: Информация » Механизм

Уважаемый посетитель, Вы вошли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии (0)

Добавление комментария

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Введите код: *