Температурим?
В заключение рассмотрим еще одну существенную группу возмущающих воздействий — изменение температуры. Тела при нагревании расширяются, и при изменении температуры баланс часов изменяется в диаметре. Соответственно, иной оказывается важнейшая характеристика колебательной системы — момент инерции баланса, а с нею и период колебаний. Какими бы незначительными ни казались нам изменения размеров предметов в обычной жизни, на часы перепад температур влияет более чем сильно: в типовой системе с латунным балансом и стальной или бронзовой спиралью изменение температуры на 10С вызывает изменение суточного хода — так называемую температурную погрешность — примерно в 10 секунд!
Зависимость периода колебаний от температуры была известна еще создателям первых балансовых часов. Поэтому в морском хронометре Гаррисона уже использовалось простейшее термокомпенсационное устройство — биметаллическая пластинка, которая была соединена с градусником и поворачивала его в требуемую сторону при изменениях температуры. Однако качество такой термокомпенсации было весьма низким.
В дальнейшем попытки ввести в часы элементы температурной компенсации также сводились в основном к использованию биметаллической пластинки, но ее интегрировали напрямую в баланс. Так называемый биметаллический баланс имеет обод из сваренных по плоскости стальной и латунной пластин, разрезанный в двух местах — по одному с каждой стороны перекладины. При повышении температуры свободные концы баланса прогибаются в сторону его центра, что приводит к уменьшению момента инерции баланса и компенсирует первичный эффект его температурного расширения.
Недостатком таких балансов является далеко не полная температурная компенсация и ряд неожиданных негативных явлений, например, прогиб свободных концов обода баланса при постоянной температуре под воздействием центробежной силы, возникающей при колебаниях баланса.
Совершенно новые возможности возникли в 1899 г. после создания Шарлем Гильомом нового баланса, в биметаллическом ободе которого сталь была заменена новым ферроникелевым сплавом — инваром (invar),состоящим из 35% никеля и 64,3% железа. Благодаря почти нулевому коэффициенту линейного расширения инвара, баланс с внутренним слоем обода и перекладиной из инвара не имел дефектов прежнего биметаллического баланса: четыре его коротких плеча не реагируют на центробежную силу, а компенсация оказалась достаточно полной, в силу чего баланс был назван интегральным.
Баланс Гильома позволял в десять раз уменьшить температурную погрешность, доведя ее до величины ±0,25 сек., что близко к значению этого показателя у современных морских хронометров.
Несмотря на несомненные успехи, Гильом на этом не остановился — он искал возможность термокомпенсации системы баланс-спираль с монометаллическим неразрезным балансом и особой самокомпенсирующейся спирали. В результате кропотливого исследования тех же ферроникелевых сплавов ему удалось создать новый материал (легированный дополнительно 10—12% хрома и рядом других металлов), упругие свойства которого практически не зависели от температуры. Он назвал его элинвар — от сокращения слов elasticite invariable.
Первый неразрезной монометаллический баланс со спиралью из элинвара был спроектирован швейцарским часовщиком П. Детисгеймом и «на всякий случай» был снабжен биметаллическими дугами, которые оказались впоследствии излишни.
В 1910г. Ш.Воле создал простой монометаллический неразрезной баланс, который в паре со спиралью из элинвара обеспечивал термокомпенсацию не хуже, чем баланс Детисгейма. Высокие компенсационные свойства этого баланса определялись тем, что изготовленные из одинакового по составу сплава перекладина и обод обладали несколько различными коэффициентами линейного расширения (на величину около 2,1—5 мм/10С). При изменении температуры менялась степень эллипсовидной деформации обода баланса, что позволяло почти полностью компенсировать малые температурные отклонения упругости спирали.
Во время второй мировой войны по заказу адмиралтейства США фирма Hamiton изготовила и поставила американскому флоту несколько тысяч морских хронометров с дифференциальным балансом Воле, несколько упрощенным Вильямом О. Беннетом: его обод и перекладина изготовлялись из различных, но близких по своим свойствам материалов: хромоникелевой стали и никелевой стали соответственно.
Но и элинвар оказался не лишен недостатков — в частности, он отличается высокой чувствительностью к магнитным полям, чем и были вызваны рекомендации держать часы подальше от магнитов. К настоящему времени на смену ему приходит антимагнитный сплав ниварокс (nivarox), обладающий той же термокомпенсационной способностью, но не реагирующей на магнитные поля с напряженностью до 100—200 Эрстед.
Даже имея столь современные материалы, как ниварокс, часовщики не прекратили эксперименты с балансами. Иногда они создают чисто декоративные устройства, призванные привлечь внимание к самой захватывающей детали часов. Например, компания Pierre Kunz несколько лет назад сделала часы с квадратным балансом.
Хотя с точки зрения своих качественных показателей он был однозначно хуже балансов, применяемых в стандартных часах, сочетание квадратного корпуса часов, квадратной каретки турбийона и квадратного баланса привлекло внимание публики.
А компания De Betune предложила несколько вариантов баланса с пониженным аэродинамическим сопротивлением. Один из них представляет собой диск, не имеющий перекладин. Два других не имеют обода в привычном смысле этого слова. На концах перекладин из легкого титанового сплава закреплены каплевидные платиновые грузики. В одной из версий баланса дугообразные связки из золота служат элементами специфической системы термокомпенсации. В результате такой конструкции баланса уменьшаются объем прилипающего к балансу воздуха, а главное — не возникают «всплески» турбулентности при смене балансом направления движения.
Что касается балансов основной массы часов, то на место безраздельно царившей еще недавно латуни в качестве их основного материала приходит бериллиевая бронза, а в последнее время новый материал — глюсидур (glusydur). Как и бериллиевая бронза, этот сплав состоит из бериллия и меди и после специальной обработки приобретает крайне высокую прочность, значительно превышающую ту, что имеют все остальные используемые для этих целей материалы.
Автор Вячеслав Медведев
