Амплитудная зависимость
Перейдем к более «тонкому» вопросу — о воздействиях на систему баланс-спираль, нарушающих точность часов, и о мерах борьбы с ними.
Среди них центральное место занимает проблема не изохронности колебательной системы баланс-спираль. Теоретически период колебаний баланса не зависит от его амплитуды, и именно это положение лежит в основе использования этой пары как задатчика эталонных интервалов времени. Однако на практике все оказывается иначе: полностью добиться такой независимости невозможно, что создает одну из основных составляющих погрешности балансовых часов — так называемую не изохронную погрешность часов. Этот термин означает, что период колебания баланса меняется с изменением амплитуды его колебаний.
Гюйгенс, Гаррисон и ряд более поздних мастеров, создававших первые часы с балансовыми колебательными системами, предполагали, что колебания таких систем изохронны. В этом убеждении они основывались на открытом знаменитым ученым Робертом Гуком еще в 1660 г. фундаментальном законе о линейной связи деформации упругих тел с величиной силы, вызвавшей эту деформацию (так называемый закон Гука). Это было тем более убедительно, что экспериментальное подтверждение своего закона Гук получил, исследуя деформации в том числе цилиндрических часовых пружин.
Первые исследования не изохронных спиралей связаны с именем знаменитого французского часовщика Пьера Леруа (1717—1785 гг.). Он понял, что изохронной может быть только спираль с бесконечным числом витков, в которой закон Гука «работает» в чистом виде. Из-за того что концы реальной спирали жестко закреплены, при ее скручивании и раскручивании возникают моменты реакции, которые вносят нелинейные добавки в характер ее деформации, что делает пару баланс-спираль не изохронной. При экспериментальных исследованиях свойств спиралей Леруа выяснил, что они зависят от угла между точками крепления внешнего и внутреннего концов спирали и при некоторых его значениях становятся минимальными.
Обеспечить требуемый угол между концами спирали довольно просто в морских хронометрах и крупногабаритных часах, в которых используется цилиндрическая спираль. А с наручными и карманными моделями, где для обеспечения компактности все витки спирали лежат в одной плоскости, сложнее: получается, что внешний виток должен пересекать остальные.
Вариант исправления ситуации нашел Бреге: он интуитивно понял причину не изохронности колебаний баланса и предложил отогнуть внешний виток спирали в центр, приподняв его над остальными. По имени изобретателя спираль подобной формы сейчас называют «спиралью Бреге» или «брегетированной спиралью».
Детальный теоретический анализ погрешностей, вносимых концевыми участками спирали, в 1861 г. Провел горный инженер и математик Эдуард Филипс (1821 — 1889 гг.). Он показал, что при определенной форме, так называемых концевых кривых, примыкающих к точкам крепления конечных отрезов спирали, она становится практически изохронной. Более того — Филипс дал способ построения концевых кривых требуемой формы.
В последнее время несколько компаний выпустили часы со спиралями из материала на основе кремния. К числу их основных преимуществ относят возможность изготовить спираль сложного, меняющегося по длине профиля, и возможность использования новой технологии заделки концов спирали. По заверениям Patek Philippe, Omega и других участников экспериментов, благодаря этому удается существенно улучшить изохронизм пары баланс-спираль.
С именем Бреге связаны и исследования еще одного вида не изохронизма колебаний системы баланс-спираль, вызванного неуравновешенностью баланса, то есть несовпадением его центра тяжести с центром вращения. В этом случае к возвращающему моменту спирали при всех положениях баланса, кроме точного горизонтального, добавляется момент неуравновешенности, подобный возвращающему моменту маятника. Этот момент зависит от положения часов в пространстве и от амплитуды колебаний баланса. Возникающие при этом отклонения величины периода колебаний приводят к особой составляющей погрешности часов, называемой позиционной погрешностью. Сила земного притяжения подталкивает баланс в одни моменты времени и тормозит в другие.
Во времена Бреге баланс уравновешивали при помощи подкладывания миниатюрных шайб под специальные винтики, вкрученные в обод. Добиться высокой точности при таком методе было крайне тяжело. Бреге предложил поместить всю колебательную систему и узел спуска внутрь вращающейся каретки. Благодаря тому, что каретка делает оборот раз в минуту, воздействие гравитации в разные моменты времени компенсируется. Свое изобретение Бреге назвал турбийон, что переводится как «вихрь». Сейчас балансировка баланса проводится на специальных станках путем высверливания отверстий (то есть облегчения определенных частей обода).
Современное оборудование позволяет добиться очень высокой точности балансировки и делает применение турбийона бессмысленным.
