Лінійка для часу - Директорія годинника
Жоден опис механізму годинника не обходиться без згадки системи «баланс-спіраль». Її ритмічні коливання іноді порівнюють із биттям серця. Навіщо потрібна ця парочка, що вона є і як працює?
Ви ніколи не замислювалися, як людина міряє час? Час — особливе поняття. На відміну від трьох просторових координат, воно завжди перебуває у русі, тече вперед. Ми можемо повернутися до будь-якої точки простору, де колись побували, але нам не дано перемотати назад кінострічку часу.
Особлива природа часу робить непридатною для його вимірювання методи, звичні для нас при вимірюванні довжини або ваги.
Ми можемо виготовити та покласти в сейф еталон метра або кілограма. Але спробуйте уявити собі зразок секунди.
При вимірі часу використовують підхід, у чомусь схожий, а в чомусь відрізняється від звичних методів визначення розмірів предметів. Вимірюючи тканину, ми визначаємо, скільки еталонних інтервалів (метрів) укладається всередині відрізу. Так само ми чинимо і з часом: вважаємо, скільки еталонних інтервалів укладається всередині проміжку часу, що вимірюється нами. А за еталонний інтервал приймаємо тривалість якогось явища, про яке відомо, що воно періодично повторюється і щоразу саме має однакову (у певних межах) тривалість. Наприклад, вік людини вважаємо за кількістю років (тобто кількості періодів, за які Земля звертається навколо Сонця), термін до відпустки - за кількістю днів або доби. На жаль, інструментів для виміру більш коротких інтервалів природа нам не дала, і людині довелося винаходити їх самостійно. Так і з'явився годинник.
Солодка парочка
Будь-який сучасний годинник складається, по суті,з трьох великих блоків: генератора коливань (тобто пристрої, що генерує ті самі еталонні інтервали часу), лічильника, який підраховує коливання і переводить їх число в зрозумілий і звичний для людини вид - цифри або рух стрілок по циферблату, джерела енергії, який необхідний роботи двох попередніх блоків.
Слова «зараз половина восьмого» означають, що з початку доби лічильник (стрілки та колісна передача нашого годинника) нарахували стільки коливань (еталонних інтервалів), скільки їх укладається у період тривалістю 7 годин 30 хвилин.
Сам принцип, коли за основу зразка часу береться певний коливальний рух, отримав назву принципу коливальної хронометрії.
У підлоговому годиннику пристроєм, що задає еталонні інтервали часу, є маятник. А серцем усіх сучасних переносних механічних годинників та їх основним функціональним вузлом є система «баланс-спіраль» (див. рис. 1).
Вона складається з порівняно масивного обода балансу 1 з поперечиною 2, яка в центральній частині закріплюється на осі 9, вільно обертається на своїх опорах, і спіралі 3, внутрішній кінець якої кріпиться нерухомо в ролику 4, а зовнішній - в колодці 5, нерухомо закріпленої в платини годинника. За свої мініатюрні розміри (особливо товщину) годинники часто називають спіраль «волоском».
Робота системи "баланс-спіраль" схожа на коливання маятника. Якщо повернути баланс на будь-який кут, спіраль стиснеться або розіжметься. Сила пружності прагнутиме повернути баланс у вихідне положення, і якщо ми відпустимо його, він почне обертатися у напрямку до точки спокою (положенню, при якому спіраль не відчуває навантаження). Однак при цьому баланс набуде певної кінетичної енергії, яка змусить його«проскочити» вихідне становище і повернутися трохи далі. У результаті спіралі знову з'явиться напруга, спрямоване у зворотний бік, і процес повториться знову.
Отже, система «баланс-спіраль» є званої коливальної системою, тобто. системою, для якої визначальним видом руху є синусоїдальні коливання (рис. 2). Вона відтворює розмір (тривалість) «еталонного» інтервалу, який використовується в годиннику для визначення тривалості будь-якого вимірюваного проміжку часу. Тривалість вимірюваного відрізка часу tx визначається як число коливань системи, що укладаються в неї, «баланс-спіраль» Т. Наприклад, величина відрізка tx, зображеного на малюнку 2, дорівнює 2,5 Т.
У цьому період Т визначається як тривалість одного коливання чи інтервал між моментами проходження системою «баланс-спіраль» у тому самому напрямі становища спокою, тобто. положення, коли спіраль перебуває у недеформованому стані. У годинниковій справі замість цієї характеристики часто використовується тривалість одного напівколивання (пк) - Т/2, а через неї і значення частоти напівколивань на годину (пк/год). Величина періоду коливань типового сучасного годинника вибирається в межах від 0,60 до 0,33 сек, і тільки в деяких випадках значно менше: 0,20 сек для типових секундомірів і 0,10 - 0,01 сек і іноді 0,001 сек для хроноскопів.
Період коливань системи «баланс-спіраль» залежить від характеристик її компонентів: моменту інерції балансу та пружних властивостей спіралі. Зростання моменту інерції балансу або зменшення моменту пружності волоска призведуть до уповільнення коливань (тобто збільшення їх періоду та відставання годин), і навпаки. Цими властивостями коливальної системи користуються регулювання похибки годин.
В силу своєї відносної простоти, малих габаритів та розвиненого масового виробництва система «баланс-спіраль» лежить в основі не тільки щодо малогабаритного наукового або кишенькового годинника, а й більшості стаціонарного побутового годинника: настільного, настінного, годинника-будильника тощо.
Система «баланс-спіраль» визначає і узагальнене найменування всіх цих годинників у класифікації сучасної годинної техніки — балансовий годинник.
| Період коливань балансу | Кількість напівколивань за годину |
| 0,6 | 12 000 |
| 0,33 | 21 818 |
| 0,4 | 18 000 |
| 0,25 | 28 800 |
| 0,2 | 36 000 |
| 0,1 | 72 000 |
Енергія для руху
Якби не було на світі тертя, опору повітря і ще кількох факторів, що викликають втрати системою «баланс-спіраль» енергії, якось відхилена убік, вона коливалася б вічно, подібно до вічного математичного маятника.
Але у реальному житті нескінченного руху не буває. Не маючи власного джерела енергії, реальна система «баланс-спіраль» не змогла б здійснювати коливальні рухи, необхідні для вимірювання часу, і неминуче зупинилася б. Тому у всіх видах балансового годинника вона працює у взаємодії з другим важливим вузлом - годинним спуском (ходом), який повідомляє балансу необхідний запас енергії. На рис. 1 спрощено зображено цю енергетичну взаємодію системи «баланс-спіраль» зі спуском. Останній періодично, зазвичай при проходженні балансом спокою, передає йому чергову порцію енергії від пружинного двигуна. При цьому кількість енергії, що передається, суворо дозована і дорівнюєтому, що «баланс-спіраль» втратила за час одного коливання чи напівколивання.
Друге найважливіше завдання спуску - "підраховувати" число коливань балансу.
Він сконструйований так, що більшу частину часу залишається нерухомим, і тільки в моменти проходження балансом положення спокою дозволяє колісній передачі та стрілкам годинника зробити невеликий поворот.
Спуск включає анкерну вилку 6 (за формою нагадує морський якір - від англ. «anchor», звідки і пішла назва), що володіє у верхній частині двома ріжками 11, що підштовхують поперемінно баланс у напрямку його руху, і палетами 7, періодично передають імпульси енергії від анкерного колеса 8 балансу При знаходженні далеко від положення спокою черговий зуб анкерного колеса взаємодіє з палетою, притискаючи вилку до одного з обмежувальних штифтів 10 - спуск чекає моменту проходження балансом положення спокою. При підході до цього положення баланс ударяє по ріжку 11 і звільняє зубчастий зуб ходового колеса. Останній починає рухатися і через вилку передає черговий імпульс енергії балансу. Одночасно колесо, що звільнилося, отримує можливість повернутися на невеликий, строго певний кут, поки його наступний зуб не упрється в протилежну палету вилки.
Решта колісної передачі годинника перетворює цей рух на поворот стрілок на мікроскопічний кут. У результаті ми не бачимо коливань балансу — годинник подає нам інформацію про час у зручному та зрозумілому вигляді.
Таким чином, реалізується «зворотний зв'язок» системи «баланс-спіраль» зі спуском, за допомогою якої коливальна система сама визначає момент отримання нею чергової порції енергії.
Ця взаємодія є типовим процесом автоматичногорегулювання коливань системи «баланс-спіраль» із заздалегідь заданою амплітудою, достатньою для безвідмовної роботи годинника. З цієї причини основний час, що задає пристрій годинника, що складається з системи «баланс-спіраль» і спуску, називається балансовим спусковим регулятором, а такі коливання, що саморегулюються, - автоколиваннями.
Для приладів та людей
На цей час склалася типова конструкція системи «баланс-спіраль» морських та інших великогабаритних хронометрів (авіаційних, геодезичних, картографічних та інших так званих експедиційних) та типова конструкція системи «баланс-спіраль» для малогабаритних годинників з обмеженим висотним розміром — наручних та кишенькових.
На рис. 3 зображена перша з них: типова конструкція системи «баланс-спіраль» морського хронометра, що складається з циліндричної гвинтової спіралі 3 (по геометричній термінології, званої глікоїдальної) і розрізного балансу, що складається з обода 1 з вантажами 7 і поперечини 8. Вісь балансу з обох сторін забезпечена тонкими цапфами 9 і 10, вільно обертаються в кам'яних опорах 11 і 12, нижня з яких має як підп'ятник натуральний алмаз 13. Кінці спіралі закріплені: один (нерухомий) в колонці 6, другий - на колодці 4, зафіксованої на осі . Регулювання періоду коливань здійснюється шляхом переміщень вантажів 7 у радіальному напрямку за допомогою регулювальних гвинтів 17. Видалення вантажів від осі збільшує момент інерції балансу та період коливань системи «баланс-спіраль», що призводить до уповільнення ходу годинника, і навпаки, наближення до осі скорочує період коливань, що змушує годинник йти швидше.
Автоколивання системи «баланс-спіраль» підтримується за допомогою хронометрового спуску (ходу), що складається зі спускового колеса 14та спускового важеля 15 з пружиною 16.
Хронометри такого типу мають хороші показники точності: середній добовий хід не більше 3 сек., середнє відхилення добового ходу ±0,2 сек., температурний коефіцієнт добового ходу не більше ±0,1 сек. та ін), а також у вітчизняному варіанті під маркою 6MX.
У наручному і кишеньковому годиннику, де вимоги зручності користування змушують робити механізм тонким, застосовуються дещо інші варіанти систем «баланс-спіраль» (рис. 4).
Тут типова конструкція набуває іншого вигляду: це плоска спіраль 1, близька за формою до спіралі Архімеда, пов'язана з нерозрізним балансом, що складається з обода 2 і перекладини 3, що сидить нерухомо на осі 4, забезпеченої, як і в першій розглянутій конструкції цапфами, вільно обертаються у каменових опорах.
Зовнішній кінець спіралі кріпиться до нерухомої колонки 5, а внутрішній-до колодки 6, що сидить на осі балансу (часто виточеної разом з віссю). Для підтримки автоколивань такої системи «баланс-спіраль» зазвичай використовується типовий швейцарський анкерний хід, що складається з анкерної вилки 7 з палетами 8 (зазвичай зі штучного рубіна - лейкосапфіру) та анкерного колеса 9.
Регулювання періоду коливань такої системи «баланс-спіраль» здійснюється шляхом зміни довжини спіралі, що діє, за допомогою двох стискаючих її ковзної посадкою штифтів 10, запресованих в хвостовик 11 стрілки 12. Таку конструкцію іноді називають «градусником». При повороті цієї стрілки, що сидить співвісно з балансом, штифти 10 переміщаються вздовж зовнішнього витка спіралі, змінюють в невеликих межах довжину спіралі, що діє, за рахунок чого змінюється період коливань системи «баланс-спіраль». Поворот стрілки на один поділ за її шкалоюзмінює хід годинника на 1—2 сек/добу, максимальну зміну ходу, яку можна забезпечити «градусником», близько 40 сек/добу.
Побутовий годинник з такою коливальною системою має зазвичай достатні для повсякденного використання експлуатаційні характеристики: їхній середній добовий хід лежить у межах ±30 сек (для годин першого класу) і ±45 сек (для другого класу). Однак кращі сучасні зразки такого годинника забезпечують значно вищі показники: 5—10 сік і менше.
Два розглянуті варіанти систем «баланс-спіраль» є найпоширенішими. Але різноманітність завдань зміни часу, додаткові функції годинника та відмінні від нормальних (як кажуть в армії, «нештатні») умови їх експлуатації викликали появу інших конструкцій.