Колебания времени
В прошлом номере мы вкратце рассказали об основных изобретения в облсти часов и их авторах. Теперь – подробнее о каждой вехе в истории часового дела.

Наверное, уже всем известно, что маятник изобрел Галилей. Однако это изобретение означало для часового дела гораздо больше, чем просто некое устройство. По сути, Галилей стал превооткрывателем принципа, на котором основывается все современное часовое дело - колебательной хронометрии.

Измеряя несуществующее
Время иногда называют четвертым измерением, но при этом обязательно подчеркивают, что это измерение – особое. И в самом деле, на традиционные длину и ширину оно похоже мало. Чтобы померить длину чего-нибудь, достаточно иметь эталон (например, эталонный метр) и, приложив его к нашему предмету, посчитать, сколько эталонов в нем поместится: 2, 222, или одна четверть. Причем мы всегда можем сопоставить объект измерений и эталон. А этот эталон мы можем запереть в сейфе для лучшей сохранности, сделать его копию и быть уверенным, что они имеют одинаковый размер.

Измерить подобным образом время нельзя. В самом деле: нельзя же взять и запереть в сейфе эталон времени! Предположим даже, что мы объявили какой-то интервал времени эталонным. Но любой интервал времени существует ровно столько, сколько он длиться. И "приложить" его к другому, измеряемому интервалу, не получиться. Воспроизведенный следующий интервал всегда будет отличаться от предыдущего, а если вдруг и окажется равным ему, то мы не сможем в этом убедиться – его нельзя "приложить" к предыдущему, который уже истек и больше не существует.

Поэтому при измерении времени человек с древнейших времен шел другим путем: он брал какое-то явление, которое происходило (точнее – обещало происходить) за определенное время, и объявлял продолжительность этого явления эталоном времени. А дальше, как и в случае с метром, оставалось лишь посчитать, сколько эталонных событий прошло в течение измеряемого интервала времени.

Если откинуть солнечные часы, которые создала природа, то первыми созданными людьми часами были водяные и солнечные. В них для измерения отрезков времени использовались заканчивающиеся, конечные процессы: вода вытекала до остатка, песок пересыпался в нижнюю колбу, свечи сгорали, и все приходилось запускать заново. К тому же точность таких устройств была крайне низка.

Намного позже, уже в средние века, появились часы, в которых за эталонное явление было взято возвратно-поступательное движение некоего механического устройства (т.н. билянца). Для поддержания такого движения использовались спусковые механизмы, сообщающие билянцу встречный импульс при его остановке в амплитудном положении. Этот импульс, преодолевая силу инерции билянцу, подталкивал его ко второму амплитудному положению, в котором он вновь получал встречный импульс, заставлявший его возвращаться в исходное положение и т.д.

Период повторения таких движений в значительной степени зависел от энергии сообщаемых импульсов, трения, состояния смазки и т.п., и в результате его стабильность была крайне низка. Подобные механизмы используются и сегодня, но из-за низкой точности они находят применение лишь в ограниченном числе областей, как правило, - для измерения или задания коротких интервалов времени в простейших хроноскопах, таймерах фенов, фотоаппаратов и т.п.

В современной теории часов эти механизмы изучаются в рамках модели часов без собственного периода колебаний, или так называемых "догалилеевых часов".

Галилеева люстра
В абсолютном же большинстве современных часов – механических, кварцевых и даже атомных – используется так называемый принцип колебательной хронометрии. Его идея заключается в том, что в качестве эталонного явления, продолжительность которого берется за основу, выступают колебания какой-либо системы. При этом в качестве колебательной системы выбирают такое устройство, которое отличается высоким постоянством частоты колебаний.

Первым использовать колебательные системы в часовом деле предложил основоположник классической механики и астрономии, великий итальянский ученый Галилео Галилеем (1564-1642 гг). В 1583 г. он заметил, что люстра Пизанского собора, подвешенная на длинном тросе под высоким куполом, раскачивается с практически постоянным периодом. Для определении частоты ее колебаний Галилей воспользовался отсчетом числа ударов собственного пульса. При примерно секундном пульсе (60 ударов в минуту) отсчитанное число ударов давало ему продолжительность каждого колебания люстры в секундах.

Галилей понял, что если каким-либо образом удастся заменить непрогнозируемый билянец маятником, то можно будет создать очень точные часы. Вдохновившись экспериментально установленным почти полным равенством периодов колебаний тяжелых маятников при малых амплитудах, в 1641 г. Галилей 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.

Такой способ измерения времени представлял, по своей сути, распространение на измерение времени общеизвестного метода измерения длины – путем счета укладывающихся в эту длину образцовых мер (аршина, метра, фута и т.п.), наподобие тому, как 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. Любопытно 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 а-ритмов.

В чем революционность идеи Галилея, если и до него в механических часах использовали устройства с колеблющимся элементом? Прежде всего в том, что он предложил использовать в качестве задатчика интервалов времени устройство, имеющее постоянный собственный период колебаний. Теоретически, если исключить внешние воздействия, маятник способен качаться вечно с постоянным периодом колебаний. И нам лишь остается считать, сколько раз успел качнуться маятник за измеряемый интервал времени.

По сути, вся дальнейшая работа в области часового дела состояла в том, чтобы создать устройство, которое бы "переводило" колебания маятника (или баланса) на понятный человеку язык вращения стрелок, и минимизировало бы при этом внешнее влияние на маятник. Галилей не остался единственным первым создателем маятниковых часов.

В ту эпоху изобретатели и ученые работали келейно, а информация об их достижениях распространялась медленно. В результате этого 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), и его справедливо считают автором их независимого изобретения.

Кроме того, в отличие от экспериментатора Галлилея, Гюйгенс, владел методами математического исследований, создал первую теорию маятника и маятниковых часов и методы их расчета, а их изложение в его книге "Маятниковые часы" ("Horologium oscillatorium") явилось 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. Баланс-спираль, несмотря на внешнюю несхожесть с маятником, по сути является точно такой же колебательной системой. И точно так же, как маятник, если бы удалось убрать внешние воздействия, однажды отклоненный от положения равновесия баланс колебался бы бесконечно долго с постоянным периодом. Лучшие маятниковые часы дают погрешность в пределах 0.02 секунды в сутки. Даже лучшие из балансовых часов – морские хронометры - имеют примерно в 10 раз худшую точность. Однако балансовые часы намного популярнее, т.к. их можно свободно переносить.

На изобретении системы баланс-спираль история часов не закончилась. Ученые и специалисты продолжали не только совершенствовать уже известные системы, разрабатывать новые спуски, но и искать принципиально другие колебательные системы, способные дать более высокую точность.

Все современные типы часов, будь то кварцевые или даже атомные, основаны на открытом Галилеем принципе колебательной хронометрии. Просто вместо видимых глазом механических колебаний в них применяются другие виды колебаний. В кварцевых – это электромагнитные колебания, которые стабилизируются при помощи кристалла кварца. В атомных часах за основу берутся колебания атома цезия-133. Но обо все этом – в следующих номерах журнала.

Автор: При перепечатке активная ссылка на источник обязательна
При перепечатке активная ссылка обязательна