Рождение первых балансов
Исторически первым механизмом, регулирующим ход часов, был маятник, изобретение которого предрекло создание в 1657 году маятниковых часов, автором которых стал Кристиан Гюйгенс (Christian Huygens). Маятник представлял собой укрепленный на вертикальном шесте горизонтальный параллелепипед, по которому можно было перемещать систему грузов, регулируя, тем самым, указываемое время.
Лишь в 1700 году, вслед за созданием Робертом Гуком (Robert Hooke) и Кристианом Гюйгенсом (вопрос о том, кто из них впервые предложил свое изобретение, до сих пор является предметом горячих дискуссий, однако обнаруженные недавно документальные свидетельства склоняют чашу весов в пользу Гука) баланса со спиральной пружиной (которую также называют просто спиралью или «волоском»), потенциал переносных часовых механизмов начал наращивать свою мощь.
Первоначально длина балансных пружин была крайне невелика (от двух до пяти витков), и изготавливались они из отожженной стали. Позже на смену этому материалу пришла закаленная сталь, а длина спиралей значительно увеличилось (и составляла от 12 до 15 витков). Крепление балансной пружины, как правило, осуществляется с двух концов, внутреннего и внешнего. При этом внутреннее крепление располагается практически на оси баланса, а внешнее – на колодке, которая обычно зафиксирована на мосту балансного механизма.
В погоне за точностью
В скором времени стало очевидно, что на упругость пружины оказывают влияние изменения температурных условий, а это, в свою очередь, ведет к снижению точности колебаний баланса. Этот факт являл собой настоящую проблему, и заслуга ее решения принадлежит именно Джону Арнольду (John Arnold) и Томасу Ирншоу (Thomas Earnshaw), которые создали нечувствительные к переменам температуры балансы с разрезными биметаллическими ободами, снискав, тем самым, славу герольдов эпохи прецизионных часов.
Материалом для подобных механизмов служила сталь, из которой изготавливались балансные ограничители и внутренний слой обода баланса, в то время как его внешний слой был сделан из латуни. В балансах, предложенных Арнольдом, оба металла плотно соединялись друг с другом контактным способом, в то время как Ирншоу пошел по пути изготовления их сплава.
Именно этот подход снискал популярность у изготовителей часов, которые придерживались его на протяжении последующих 150 лет. Для обеспечения компенсации погрешности, вызываемой тепловым расширением или сжатием материала, на обод баланса вблизи каждого из ограничителей наносились разрезы, причем располагались они в точности напротив друг друга.
Обладающие различными коэффициентами теплового расширения, металлы при изменении температуры деформировались по-разному, вызывая тем самым изгиб обода баланса (и, таким образом, изменяли его момент инерции). Для установки баланса в оптимальное положение на его ободе устанавливались парные винты, регулировкой которых проводилась необходимая балансировка.
Со временем был предложен целый ряд различных вариантов устройства балансов с температурной компенсацией, однако все они основывались на принципе, которого когда-то придерживался Ирншоу. Несмотря на свою эффективность, биметаллические обода обеспечивали компенсацию изменений упругих свойств пружины баланса лишь в диапазонах, ограниченных низкими и высокими температурами. Между тем, в средних интервалах температур эффективность использования сплава сталь-латунь была крайне низкой.
Этот факт впервые был отмечен знаменитым создателем хронографов англичанином Э. Д. Дентом (E.J. Dent) и получил название «среднетемпературная погрешность». Для устранения подобного эффекта был предложен целый ряд так называемых вспомогательных компенсирующих устройств, в качестве которых выступали биметаллические полоски, различные пружинящие упоры и даже трубки, наполненные ртутью.
Справедливости ради стоит отметить, что все эти устройства позволяли достичь желаемых результатов, однако их реализация требовала крайне кропотливого труда. Как следствие, решение проблемы возникновения среднетемпературной погрешности требовало более рационального подхода.
В конце 1890-х годов швейцарский металлург и метролог доктор К. Е. Гильом (C.E. Guillaume) начал экспериментировать со сплавами никеля и стали. Один из полученных им материалов был назван «Инвар» (Invar), что является сокращением от английского слова «invariable» (в переводе означающего «неизменный»). Инвар представляет собой сплав железа и никеля (или никелевой стали) с пренебрежимо малым линейным коэффициентом теплового расширения, причем содержание никеля составляло около 36%. Изначально этот материал применялся для изготовления высокоточных линеек и весов, а позже его стали использовать при создании шестов для маятниковых часов.
Гильому также принадлежит авторство получения двух других крайне полезных материалов, основой для которых являлся инвар: элинвар (elinvar, от английского «elasticity invariable») и анибал (anibal). Первый из них применялся для изготовления балансных пружин и послужил прототипом материала ниварокс (Nivarox), впоследствии использованного при создании балансных спиралей с автоматической температурной компенсацией.
В свою очередь анибал, представляющий собой сталеникелевый сплав и содержащий от 42 до 44 процентов никеля, использовался в биметаллических балансах; именно он пришел на смену обычной стали, из которой ранее изготавливался внутренний слой обода баланса. Материалом для внешнего слоя по-прежнему служила латунь.
Изготовленные таким образом балансы, известные также как «балансы Гильома», в сочетании со спиралями из вороненой стали, практически нивелировали обнаруженный Дентом эффект «среднетемпературной погрешности», что стало возможным благодаря тому, что сплав анибал–латунь крайне эффективно обеспечивал компенсацию температурных деформаций материала спирали.
Изобретенный Гильомом баланс со стальной спиралью (пружиной) нашел применение в большинстве хронографов того времени, и по своим компенсационным характеристикам и точности хода не имел аналогов. Подобное положение дел сохранялось вплоть до появления качественно новых материалов и их комбинаций.
Во время Второй мировой войны специалистам компании Hamilton Watch Company (расположенной в Ланкастере, штат Пенсильвания, США) удалось превзойти результаты, достигнутые Гильомом, и миру был представлен биметаллический баланс, способный при изменении температуры деформироваться в овал. В его основу входила полоска из инвара, цельный обод из нержавеющей стали с распределенными на нем регулировочными винтами и спираль с автоматической компенсацией, изготовленная из никелевого сплава.
При изменении температуры форма полоски из инвара оставалась постоянной, в то время как стальной обод деформировался, приобретая форму овала. В результате этого происходила компенсация погрешности, возникающей из-за наличия, пусть и незначительной, зависимости упругих свойств спирали из никелевого сплава от температуры. При этом можно было добиться крайне точной балансировки всего механизма, подобающим образом разместив на ободе регулировочные винты.
Стоит отметить, что упомянутый остаточный температурный эффект исчезающе мал, и задачу его устранения ставят перед собой лишь специалисты, стремящиеся к достижению наивысших результатов по хронометрической точности хода. Примерами механизмов с подобной компенсацией могут служить разработанные Hamilton военные морские хронометры.
Возврат к монометаллическим балансам ознаменовал начало новой эры в создании часовых механизмов.
Теги: баланс
