Восхищаясь достижениями современных часовых мастеров, трудно представить, как когда-то методом проб и ошибок появились и начали совершенствоваться первые модели механических часов.

Великий Альберт Эйнштейн, открыв в своей теории относительности истинные свойства нашего привычного понятия времени, свойства необычные и парадоксальные, и изменив полностью наши представления от этой основной физической величины, признал, что он "смог это сделать, лишь поднявшись на плечи гигантов", то есть обобщив и осмыслив все классические представления о времени, добытые многовековым трудом вереницы его славных предшественников.

Рассматривая сегодня механизмы современных часов, наблюдая хитроумные переплетения их безукоризненно обработанных сложнейших деталей, удивляясь синхронности их слаженной работы, мы должны представлять себе, как на протяжении многих веков в разных странах плеядой талантливых ученых-механиков и часовых дел мастеров создавались эти шедевры, из каких догадок, находок и прозрений складывался путь рождения современных столь привычных для нас механических часов. Итак…

Принцип колебательной хронометрии
Работа всех современных бытовых часов и других приборов времени – секундомеров, хронографов, будильников и др. – основан на принципе колебательной хронометрии, который был впервые предложен основоположником классической механики и астрономии - великим итальянским ученым Галилеем (1564-1642).

В 1583 г., наблюдая качание центральной люстры Пизанского собора, подвешенной на длинном тросе под высоким куполом, он воспользовался отсчетом числа ударов собственного сердца для определения продолжительности каждого отдельного колебания. При примерно секундном пульсе (60 ударов в секунду) отсчитанное число ударов давало ему продолжительность каждого колебания в секундах.

Такой способ измерения времени представлял, по своей сути, распространение на измерение времени общеизвестного метода определения длины путем счета укладывающихся в эту длину образцовых мер (аршина, метра, фута и др.). Удары сердца для Галилея выполняли ту же роль, что деревянный метр, которым и до настоящего времени отмеряют требуемую длину куска ткани. Однако для того времени такое "распространение" явилось значительным прозрением, заложившим методические основы построения технических средств измерения времени.

Нужно отметить, что эта идея не была изобретением Галилея. Это было открытие, ибо в большинстве развитых живых организмов, включая человека, интуитивное чувство продолжительности времени обеспечивается непрерывным неосознанным счетом электрической пульсации мозга, так называемых альфа-ритмов.

Устройства, производящие периодические возвратно-поступательные движения баланса, существовали и до Галилея. Это был так называемый билянец – коромысло с грузиками на концах, не имевшее возвращающей пружины. Для поддержания движения использовались спусковые механизмы, сообщающие коромыслу встречный импульс при его остановке в крайнем амплитудном положении. Этот импульс, преодолевая инерцию баланса, обратно толкал его ко второму крайнему положению, в котором тот вновь получал встречный импульс, заставлявший его возвращаться в исходное положение, и т.д. Однако стабильность таких движений была крайне низка, так как их период в значительной степени зависел от множества различных непредсказуемых факторов: энергии сообщаемых импульсов, изменения силы трения, состояния смазки т.п. Сегодня подобные механизмы находят лишь ограниченное применение для измерения или задания коротких интервалов времени в простейших хроноскопах, таймерах фенов, фотоаппаратов и других приборов.


В современной теории часов такие устройства изучаются в рамках модели часов без собственного периода колебаний, так называемых "догалилеевых часов". Нововведение Галилея заключалось в том, что он предложил использовать для измерения времени колебательную систему, имеющую собственный постоянный период колебаний. Часы, основанные на этом принципе, называют "часами Галилея-Гюйгенса".

Спусковые регуляторы бытовых часов
При всей похожести принципов измерения времени и длины для определения продолжительности интервалов времени привычные нам методы оказываются не применимы. Отмеряя кусок ткани, мы прикладываем к ней один и тот же "эталон" – деревянный или металлический метр. Взвешивая товар, мы сравниваем его вес с весом "эталонной" гири, которая, как и метр, остается при этом неизменной. Но при измерении интервала времени аналогичное действие невозможно: мы же не можем взять и положить на стол рядом с деревянным метром и килограммовой гирей эталонный интервал времени! Любой взятый нами образцовый интервал существует лишь столько, сколько он длится, он не существует ни в прошлом, ни в будущем, и его нельзя "приложить" к другим интервалам.

Поэтому практическая реализация метода колебательной хронометрии поставила задачу создания технических устройств, способных генерировать последовательность по возможности равных по продолжительности интервалов времени – некое подобие измерительной линейки для измерения продолжительности времени. Первым эту задачу решил сам Галилей. Вдохновившись экспериментально установленным им почти полным равенством периодов колебаний тяжелых маятников при малых амплитудах, в 1641 г. он разработал проект маятниковых часов с вполне работоспособным спусковым регулятором, содержащим ходовое колесо и спусковую вилку с палетами. Первые образцы таких часов были изготовлены уже после смерти Галилея его сыном Винченцо, а одна из моделей этих часов дожила до наших дней и находится в Лондонском национальном музее науки.

Однако Галилей не остался единственным первым создателем маятниковых часов. В эту эпоху изобретатели и ученые работали келейно, а информация об их достижениях распространялась медленно. В результате появился еще один первый создатель маятниковых часов – великий голландский математик и физик Христиан Гюйгенс (1629-1695). В 1658 г. Он выпустил брошюру "Часы" (Horologium), в которой представлял свои маятниковые часы как перспективное и пионерское изобретение. Гюйгенс, безусловно, не знал о первых маятниковых часах Галилея, во всяком случае до 1660 г., когда его впервые ознакомили с чертежами этих часов. Поэтому его справедливо считают автором их независимого изобретения. Кроме того, в отличие от экспериментатора Галилея, Гюйгенс владел методами математических исследований, создал первую теорию маятника и маятниковых часов и методы их расчета, а их изложение в его книге "Маятниковые часы" (Horologium oscillatorium) являлось на долгие годы основой осознанного подхода к проектированию и совершенствованию маятниковых часов.

Гюйгенсу принадлежит и приоритет первого применения в часах колебательной системы баланс-спираль (в 1675 г.), не оцененный в то время по достоинству, ибо точность таких часов была значительно ниже, чем маятниковых.

Точность первых маятниковых часов по современным понятиям была весьма низкой (максимальный суточный ход лежал в пределах от 10 до 60 с/сутки), и это объяснялось в основном использованием в них в качестве спуска того же традиционного шпиндельного хода, который на протяжении нескольких столетий до этого применялся в догалилеевых часах с билянцем. Непригодность такого спуска для создания точных маятниковых часов заставила часовщиков искать новые решения, наиболее перспективным из которых явилось создание в 1666 г. известным английским механиком Робертом Гуком (1635-1703) первого несвободного анкерного хода (так называемого "английского крюка"). Дальнейшее усовершенствование такого спуска английскими часовщиками Вильямом Клементом (1640-1696) и Томасом Томпионом (1636-1713) – признанным "отцом" британского часпрома, и рядом других мастеров, нашло свое завершение в 1715 г. в часах знаменитого английского часовщика Георга Грахама, получивших широкое распространение. Ход этих часов – "ход Грахама" - до настоящего времени используется в большинстве бытовых маятниковых часов.

Что касается балансовых часов, то их появление было обусловлено потребностью общества в индивидуальных часах, которые можно было бы носить с собой и всегда знать точное время.

Вернувшись к первому опыту Гюйгенса с использованием в часах системы баланс-спираль, исследователи быстро поняли, что низкая точность таких часов определялась малой колебательной энергией этой системы, подверженной значительным изменениям периода колебаний при воздействии любых внешних сил. Реальным способом увеличения ее кинетической энергии было увеличение амплитуды колебаний вплоть до 360º, что было невозможно при использовании кинетически связанных с ней несвободных спусков. Выходом из этой ситуации явилось создание в 1754 г. английским часовщиком Томасом Мюджем (1715-1794) свободного анкерного хода, в котором система баланс-спираль находилась в кинематической связи с ходом лишь на протяжении малой доли колебательного движения баланса. Дальнейшие усовершенствования этого хода (введение "притяжки" Д. Эмери в 1780 г., ее упрощение Г. Лешо в 1825 г. и ряд последующих доработок) привели к тому, что к настоящему времени так называемый "швейцарский анкерный ход" практически монопольно используется во всех современных переносных часах: наручных, карманных и др.

Тем не менее работы по его совершенствованию продолжаются и в настоящее время, наглядным примером чего является появление новых свободных анкерных ходов – нового хода Ulisse Nardin, спуска Audemar Piguet с передачей одного импульса за период и спуска Co-Axial компании Omega.

Пружинный привод (двигатель) в часах
Создание бытовых часов, кроме спускового балансового регулятора, способного работать в любом положении, потребовало и соответствующего привода, способного, в отличие от гиревых двигателей маятниковых часов, работать при любой ориентации в пространстве.

Тем не менее первые пружинные приводы были созданы не для часов. Уже в начале Средних веков они были разработаны и использованы для создания движущихся фигур различных животных и людей (так называемых "андроидов"). Древнейшим примером такого применения является железный петух 1354 г. рождения, который был установлен на башенных часах в Страсбурге и умел поднимать хвост и голову, а также хлопать крыльями.

Решая задачу создания привода для переносных часов, часовщики использовали уже известную конструкцию пружинного двигателя этих механизмов. Впервые пружинный двигатель в качестве источника энергии в часах применил нюренбергский мастер Питер Генлейн в 1504 г. Первоначально часовые пружинные двигатели не имели барабана и состояли практически из одной плоской пружины, которая навивалась на центральный вал, а внешний ее конец крепился к стойке на платине.

Вскоре выявились недостатки в работе таких двигателей: неконцентрическое раскручивание пружины, перегибы по плоскости, вытекание смазки и ряд других. Это вынудило часовщиков заняться устранением таких дефектов. Пружинные двигатели стали помещать в барабаны с крышками, которые предотвращали любые искажения формы пружины при ее работе; для крепления внешнего конца пружины к барабану стали применять специальные мечевидные накладки, повышающие концентричность ее развертывания и уменьшающие потери энергии двигателя на межвитковое трение.

Для завода такого пружинного двигателя на квадрат его центрального вала насажено колесо заводного механизма. При вращении этого колеса вместе с заводным валом происходит завод пружины. При работе часов пружина раскручивается, а заводное колесо удерживается неподвижно специальной собачкой. Такие пружинные двигатели применяются до сих пор практически во всех механических часах массового выпуска. В то же время ведется работа по их дальнейшему совершенствованию, прежде всего в направлениях повышения энергоемкости и обеспечения стабилизации момента, создаваемого ими при раскручивании привода часов. С целью решения первой задачи для изготовления пружин применяют особые кобальтовые сплавы, а также используют пружины особой формы.

Примером последних являются используемые в двухбарабанных двигателях пружины "Тенсатор" (Tensator). Такая пружина имеет S-образную форму, при заводе она навивается на один барабан (так называемый приемный), а при раскручивании – на второй (рабочий) барабан, стремясь принять исходную S-образную форму. При этом все витки напряжены примерно одинаково, и развиваемый момент достаточно стабилен (в пределах плюс-минус 10%).

Для более высокой стабилизации этого момента разработаны специальные устройства, наиболее известным из которых является так называемая "улитка" (на жаргоне часовщиков-кустарей – фузея). Это устройство состоит из собственно "улитки", представляющей собой барабан с уменьшающимся диаметром, и наматываемой на него цепи Галля. По мере работы пружинного двигателя цепь, соединяющая его с "улиткой", наматывается на участки со все возрастающим диаметром. При этом увеличивается плечо силы, передаваемой с пружинного двигателя, и момент на оси "улитки", передаваемый с нее часовому механизму.

При правильно выполненном профиле "улитки" (обратном кривой падения момента двигателя) момент остается практически постоянным – в пределах плюс-минус 1-2%. Изобретение "улитки", используемой в ряде часов до настоящего времени (от морских хронометров до сложных наручных часов) принадлежит, по-видимому, тому же Питеру Генлейну, хотя до последнего времени авторство приписывалось различным часовщикам, в частности известному чешскому мастеру Якубу Цеху.

Завод пружинного двигателя карманных часов осуществлялся вручную – первоначально в XVI-XVII вв. ключом спереди через отверстие в циферблате, а позднее заводной квадрат был выведен на заднюю сторону часов. Это было неудобно (требовалось открывать крышки часов), и уже к 1800 г. были созданы часы с заводной головкой, расположенной в шейке подвесного кольца часов. Их наиболее совершенный вариант с коронным колесом – близкий прототип современных конструкций - был предложен и запатентован в Лондоне в 1820 г. английским часовщиком Т. Престом.

Окончательный современный вид механизм завода принял в 1842 г. после его доработки швейцарским часовщиком Андриеном Филиппом – сотрудником Patek Philippe. Вскоре эта компания стала применять его практически во всех своих часах.

Опубликовано в журнале "Часовой Бизнес " №6-2008 

Портал профессионалов часового бизнеса TimeSeller.ru
При перепечатке активная ссылка обязательна

Теги: 5-2008 Patek Philippe Omega Ulysse Nardin Технологии и материалы Audemars Piguet