Регулировка хода часов. Влияние температуры воздуха

Период колебании часового осциллятора обусловлен прежде всего его размерами. Если продолжительность колебания маятника не зависит от его веса, то для баланса продолжительность колебания в существенной степени зависит от материала, причем не только баланса, но и волоска.

Величина полупериода (продолжительность полуколебания) маятника определяется его длиной по формуле:

где T – полупериод (продолжительность полуколебания) маятника;

l_r – приведенная длина маятника;

g – ускорение силы тяжести.

Расчетом можно установить, что приведенная длина секундного маятника для нашей географической широты равна 99,4 см, а полусекундного – 24,9 см.

Период полуколебания баланса обусловлен его размерами и вращающим моментом волоска. Для точного регулирования хода служит так называемый градусник, регулировочная стрелка которого закреплена подвижно на мосту баланса. Ее хвостовик с замком, охватывающим волосок на его последнем внешнем витке вблизи колодки, при повороте стрелки изменяет рабочую длину, а с ней и вращающий момент волоска. В большинстве случаев смещение регулировочной стрелки на одно деление шкалы изменяет суточный ход часов примерно на 2 мин. У старых пружинных часов с балансовым осциллятором без волоска ход регулировался только изменением силы приводной пружины. Для этого на крышке барабана пружины был специальный храповик с защелкой. У часов с балансом фолио его амплитуда задавалась щетинными упорами, закрепленными на неподвижной и регулируемой консолях. Карманные часы XVIII в. со шпиндельным спуском имели специфический так называемый регулятор Томпиона, который, как и градусник с регулировочной стрелкой, изменял рабочую длину волоска.

Количество полуколебаний баланса различается в зависимости от типа часов, их величины и исполнения. Нижний предел этого количества начинается с трех полуколебаний в секунду у больших часов, например у будильников. Морские хронометры с четырьмя полуколебаниями в секунду также относятся к группе часов с низкой частотой осциллятора. Продолжительность колебания карманных часов около 1/5 с, а наручных – колеблется в пределах от 1/5 до 1/6 с*.

* В последнее время с целью повышения точности часов стали применять более высокочастотные балансы с периодом полуколебаний до 0,1 с. (Прим. науч. ред.)

Венцы балансов некоторых карманных и наручных часов имеют на окружности маленькие регулировочные винтики. Изменением их положения на венце выравнивается ход часов, прежде всего различия в частоте при горизонтальном и вертикальном положении баланса, вызываемые изменением трения цапф.

О некоторых причинах различной длительности полуколебаний мы уже упоминали при описании спусковых механизмов. Наряду с колебаниями ведущей силы, чувствительными прежде всего у точных часов, и различными побочными явлениями, вызываемыми изменениями смазочных свойств стареющего масла и т.п., на ход часов влияет и изменение температуры и давления воздуха. При изменении температуры вещества изменяют свой объем, причем изменяются их механические свойства, что особенно важно для подвесных пружин маятника и волосков. О том, что в часовом деле нельзя пренебрегать тепловым расширением, свидетельствует то обстоятельство, что однопроцентное изменение в длине маятника изменяет суточный ход часов на целые 432 с.

Сравнительно хорошие результаты давали в этом отношении маятники из высохшей еловой древесины, температурная погрешность которых колебалась в пределах 1/5 с в день на 1°C. Для астрономических измерений такая степень точности, само собой разумеется, недостаточна, поэтому пришли к идее создания компенсационных элементов. Принцип всех температурных компенсаторов маятников заключался в сохранении постоянства расстояния между центром тяжести и точкой подвески маятника. В 1720 г. эту проблему вполне успешно решил Грагам с помощью ртути, заполняющей частично пространство линзы маятника. Температурная погрешность его маятника упала до 0,001 с/сутки на 1°C.

Большой интерес у часовщиков вызвали биметаллические решетчатые маятники, составленные из двух систем стальных и латунных стержней. Одна система была жестко соединена с подвеской маятника, а другая – с его линзой. При выборе размеров необходимо было учитывать различные коэффициенты температурного расширения обоих металлов так, чтобы и при большом изменении температур длина маятника от точки подвеса до центра линзы оставалась неизменной. Интересно решенные решетчатые маятники создали Гаррисон, Юргенсен, Берту, Леруа, Депарсье, Троугтон и многие другие (некоторые их конструкции показаны на рис. 30).

Рис. 30. Маятник с биметаллической компенсацией температурной погрешности

Первым чешским часовщиком, производившим температурно-компенсированные маятники собственной конструкции, был опять-таки Йозеф Коссек, которым были созданы некоторые весьма интересные конструкции ртутных и биметаллических компенсаторов. И известная пражская мастерская Вилленбахера и Ржебичека, основанная в первой половине прошлого века, конструировала собственные типы биметаллических маятников.

Шарль Эдуард Гильом (1861...1938) исследовал свойства ферроникелевых сплавов и нашел сплав с содержанием 36% никеля, известный под названием «инвар» (от французского слова invariable), не только стойкий к коррозии, но и обладающий самым малым коэффициентом температурного расширения. В 1897 г. Тюри использовал инвар Шарля Эдуарда Гильома для создания маятников, а через три года стал монтировать инварные маятники у своих часов для астрономических измерений времени мюнхенец Рифлер. С того времени происходят и первые кварцевые маятники венского конструктора точных часов Карла Сатори, стабильность длины которых была еще на 60% больше, чем у инварных.

Точность маятниковых часов на астрономических обсерваториях зависела также от влияний восходящих потоков воздуха и при изменениях барометрического давления. Возникающая при этом барометрическая погрешность устранялась либо тем, что часовой механизм помещали в пространстве с частичным вакуумом (это одновременно ограничило влияние воздействия указанных сил), либо с помощью анероидного компенсатора – манометрической коробки с компенсаторным грузом, закрепленным на маятнике.

Балансовый осциллятор более чувствителен к воздействиям температуры, чем маятник.

Барометрическая погрешность баланса достигает около 0,2 с в сутки при изменении давления воздуха примерно на 0,01 Па. Изменение температуры на 1°C у обычных часов с латунным балансом и бронзовым волоском вызывает суточное изменение хода часов по меньшей мере на 10 с.

Неблагоприятные влияния изменений температуры на ход балансовых осцилляторов учитывали уже старые часовщики, которые изыскивали способ борьбы с этим влиянием.

Рис. 31. Изменение формы баланса с биметаллическим ободом:
а – при повышенной температуре, б – при средней температуре, в – при пониженной температуре

Биметаллическая система, широко применяемая для маятников, нашла большое применение и для балансов, главным образом в виде биметаллических балансов с ободом, изготовленным из сварных стальных и латунных лент (рис. 31). У часов с обычным, некомпенсированным по температурам балансом увеличивался при повышении температуры момент инерции баланса, и часы тогда начинали отставать. Однако у биметаллического баланса под влиянием различной степени расширения стали и латуни обод прогибается в месте шва свободными концами вовнутрь, диаметр баланса уменьшается, ход часов ускоряется, в силу чего температурная погрешность компенсируется. При понижении температуры происходит противоположный процесс. Такой баланс мог удовлетворительно исправлять температурную погрешность всего осциллятора, а потому присоединенный к нему волосок не компенсировался. Известны различные виды компенсационных балансов для морских хронометров – биметаллический баланс Ирншау, построенный им в 1790 г., и баланс Шарля Эдуарда Гильома, изготовленный из латуни и ферроникеля и др.

В 1775 г. Берту открыл так называемую вторичную ошибку, оставшуюся у компенсационных балансов и проявляющуюся в суточном изменении хода часов в пределах от 2 до 5 с. Причиной этого был нелинейный характер расширения материалов баланса с изменением температуры. Берту установил, что биметаллический компенсационный баланс может точно устранить влияние температурного расширения лишь при двух определенных температурах, тогда как в диапазоне между ними возникает именно эта вторичная погрешность.

Закаленные стальные волоски, впервые изготовленные Жаном Целанисом Лутцом в 1847 г., которые раньше использовались для биметаллических балансов, страдали рядом недостатков. Они корродировали, и на них влиял земной магнетизм. Достоинствами же их были сравнительно малое внутреннее трение и малый расход энергии на упругую деформацию.

Шарль Огюст Пейлар (1840...1895) изобрел в 1877 г. в качестве побочного продукта при производстве платины неокисляющийся немагнитный сплав палладия с температурой плавления 1550°C. В то же время англичане производили эксперименты с волосками из стекла и золота. Изобретение Пейлара имело бесспорно большое значение для внедрения новых материалов в часовое производство, но это изобретение затмили дальнейшие изобретения Гильома, касающиеся ферроникелевых сплавов. Целью экспериментов Гильома было создание биметаллического баланса без вторичной погрешности. Ферроникелевый сплав, подходящий для такого баланса, содержал 42% никеля. В 1897 г. Поль Перре изготовил из этого сплава волосок, который имел намного меньшие изменения упругости в зависимости от температуры, чем сталь. После многих лет дальнейших экспериментов был создан, наконец, в 1913 г. опять-таки благодаря Шарлю Эдуарду Гильому новый температурно-стабильный материал элинвар (название произошло от сокращенных слов elasticite invariable) с содержанием хрома от 10 до 12%. Этот ферроникелевый сплав хотя и имел постоянный модуль упругости, но слишком сильно снижал амплитуду колебаний баланса и был очень чувствителен к магнитному полю. Другими его недостатками были мягкость и легкая деформируемость.

Несмотря на это, все же такая передача функций температурной компенсации с баланса на волосок привилась, так что в нынешнем часовом производстве применение компенсационных волосков – обычное дело. Исключением являются хронометры, где до сих пор сохранился биметаллический баланс с цилиндрическим стальным волоском. Нынешние наручные часы имеют компенсационные волоски из специальных ферроникелевых сплавов, известных под торговыми названиями «ниварокс», «изовал» и т.п., и гладкий монометаллический баланс, которые не участвуют в компенсации температурных влияний.

В историческом обзоре развития многих сплавов следует упомянуть эксперименты М.Р. Штрауманна из Вальденбурга, который использовал для баланса температурную анизотропию (различную степень растяжимости материала в разных направлениях) цинковых сплавов, достигаемую их надлежащей обработкой. Этими новыми материалами удалось еще более понизить температурную погрешность часов.

Балансовый осциллятор является весьма сложным устройством. Наряду с температурой и барометрическим давлением на стабильность его полуколебаний воздействует еще ряд других факторов, среди которых есть и неизохронная погрешность, возникающая при непостоянстве амплитуды баланса. Укажем для полноты изложения хотя бы на главные источники неизохронной погрешности, вызываемой нестабильностью амплитуды. Наряду с переменным импульсом спускового механизма это бывают колебания упругости волоска, влияние формы его крепления на концах, изменение зазора в замке регулировочной стрелки, градусника, изменение положения центра тяжести волоска и др.

Исследуя детальнее форму плоских волосков, мы должны обратить внимание в некоторых случаях на особую форму их концевой кривой. Волосок с особой формой закругления носит наименование волоска с кривой Бреге по имени самого создателя. Это, по существу, обычный плоский волосок, последний внешний виток которого несколько приподнят над остальными витками и сформирован в особую кривую, компенсирующую вредное переменное влияние крепления волоска в колодке и на мостике баланса.

Точная регулировка хода переносных часов и при хороших регуляторах с компенсационными элементами является весьма трудным делом, поскольку при изменении положения баланс, осциллятор и часовой механизм непрерывно подвергаются изменяющимся влияниям, например влиянию силы тяжести баланса и волоска или различного трения цапф в опорах при горизонтальном и вертикальном положениях механизма. Чтобы устранить неправильности хода, вызываемые положениями механизма, Бреге создал специальное устройство «турбиллион». Принцип его работы состоял в размещении спуска с осциллятором в особой клетке, которая постоянно вращалась вокруг вала секундного колеса со скоростью одного оборота в минуту. Этим способом Бреге исключил влияние силы тяжести баланса и волоска при изменении положения часов. Производство турбиллионов достигло высокого уровня в Швейцарии. Известны турбиллионы Фредерика-Луи Фавре-Булле (1770...1849), Эрнеста Гвинарда (1879) и, наконец, одного из главных позднейших производителей этих приборов Альберта Пеллатона-Фавре (1832...1914) и его сына Джеймса.

В 1894 г. Бэйн Бонниксен из Ковентри изобрел другой вариант турбиллиона – карусель, которая отличалась от турбиллиона Бреге главным образом скоростью вращения клети. Первоначально клеть со спуском в каруселях Бонниксена вращалась вокруг вала секундного колеса один раз в 52,5 мин, но у новейших типов время оборота сократилось до 39 мин.