Первые механические часы, изобретенные китайцами, приводились в действие огромными, медленно поворачивавшимися деревянными водяными колесами. В 1300-х гг. появились колесные часы с приводом от опускавшихся гирь, но эти часы были ненадежными и неточными. Часам требовался механизм регулирования хода, который изобрели в 1600-х гг. Таким механизмом стал мятник, который нашел в часах первое практическое применение.
В 1582 г. итальянский ученый Галилео Галилей продемонстрировал, что маятник - груз, подвешенный на тонком стержне, - всегда качается с постоянной скоростью. Кроме того, он доказал, что скорость колебаний зависит только от длины маятника, а не от величины груза, прикрепленного к его концу. Например, маятник длиной 1 м совершает одно колебание (туда и обратно) за 1 сек. Но если маятник такой длины продолжает качаться, значит, с его помощью можно измерять время в секундах. У Галилея возникла эта идея, и в 1641 г. - за год до смерти - он рассказал своему сыну Винченцо, как сделать часы, ход которых регулируется маятником. Но Винченцо не успел закончить работу; первые маятниковые часы появились лишь в 1657 г. Их спроектировал голландский ученый Христиан Гюйгенс, а изготовил часовщик Соломон Костер в Гааге. Они отставали или убегали на 5 секунд в сутки, что значительно превышало точность всех тогдашних часов.
В часовых маятниках использовались не нити, а металлические стержни. Но на металл влияет температура, поэтому длина стержней менялась, что отражалось на точности хода часов. В жаркую погоду металлический стержень удлинялся, а в холодную укорачивался. Например, часам с односекундным маятником для потери одной секунды в сутки достаточно увеличения длины маятника на 0,025 мм, что происходит при повышении температуры всего на 2 "С. Изобретатели вскоре решили эту проблему, создав маятник постоянной длины. В 1722 г. английский механик Джордж Грэм изобрел ртутный маятник (о чем заявил в 1726 г.), прикрепив к концу маятника стеклянный сосуд со ртутью. Когда из-за повышения температуры маятник удлинялся вниз, это компенсировалось расширением ртути в сосуде, действовавшим в обратном направлении.
Другим решением стал решетчатый маятник из перемежающихся полос стали и меди, изобретенный английским часовщиком Джоном Гаррисоиом в 1728 г. Медь расширяется сильнее, чем сталь, поэтому ее расширение компенсировалось меньшим расширением стали. Сейчас стержни маятников изготавливаются из инвара - сплава железа с никелем, который почти не расширяется при нагревании. Этот сплав также используют для изготовления рулеток и камертонов, для которых постоянная длина очень важна.
Ученик Галилея итальянский ученый Винченцо Вивиани сделал этот набросок маятниковых часов; реконструкцию маятника см. на рис. на с. 13.
Эта модель маятниковых часов была создана в XIX в. по наброску проекта Галилея, сделанному Вивиани. Источник энергии для часов там указан не был, поэтому можно предположить, что они приводились в движение опускающимися гирями.
В механических часах скорость, с которой высвобождается энергия опускающегося груза, регулируется с помощью механизма, называемого спуском. Молоточек, подвешенный на маятнике, заставляет качаться анкер. Анкер то останавливает, то отпускает анкерное колесо, позволяя ему постепенно освобождать энергию опускающегося груза, приводящую в движение главное колесо. К оси главного колеса прикреплена часовая стрелка.
Инструкция
Самыми первыми часами, по которым появилась возможность знать примерное время - солнечные. Циферблат таких часов располагали на освещенном месте. Стрелкой на них служил стержень, от которого падала тень на циферблат. Солнечные часы называют гномон (указатель). Первые такие устройства появились в Вавилоне, более 4,5 тысяч лет до нашей эры. Солнечных часов создали множество разновидностей: горизонтальные, вертикальные, утренние, вечерние, конические, шарообразные и даже портативные для моряков. Математик Витрувий в своих статьях описал 30 типов солнечных часов. У всех этих приборов была главная проблема - они работали только при наличии освещения.
Для улучшения качества жизни человечество выдумало другие устройства для установления времени. Водяные часы (клепсидра) отмеряли промежутки времени при помощи определенного потока жидкости и замера количества воды в сосуде. Огненные часы представляли собой свечи хорошего качества или палочки с благовониями. На палочках, к примеру, наносили метки, которые сигнализировали о пройденном периоде времени. Каждая часть палочки источала различный аромат.
Широкое распространение получили песочные часы. Их использовали в большинстве своем как таймер. Первые песочные часы появились в 11 веке нашей эры. Такое стало удобным для ученых, священников, и ремесленников. В 11 веке Европа обзавелась башенными часами. На них была единственная стрелка, тяжелые гири приводили колокола в движение. На солнца стрелку устанавливали на 0 часов, а в течение дня хранитель часов сверял их с солнечными.
Часы с курантами выполнили в 14 веке, их установили в 1354 году на Страсбургском соборе. Эти часы отбивали каждый час в сутках. На них было изображено звездное небо, вечный календарь и движущиеся фигуры Богоматери с младенцем. В России башенные часы появились в 1404 году в Московском кремле. Изобретателем гиревого двигателя и механизма с боем, стал монах Лазарь Сербин. В дальнейшем башенные часы начали устанавливать в различных российских городах.
В начале 16 века механик П. Хенлейн выполнил карманные часы. Они имели шпиндельный механизм, гирю заменили на стальную пружину. Точность часов зависела от степени завода пружины. Со временем создали приспособление для выравнивания усилия пружины. Такие часы существовали до конца 19 века.
Конец 16 века стал знаменит открытием маятниковых часов. Ученый Галилео Галилей обратил внимание на движение лампад в Пизанском соборе. Он понял, что длина цепей, на которые подвешены лампады, определяет периоды их колебания. Именно Галилей и подал идею создания маятниковых часов.
История часов насчитывает тысячи лет.
Самые первые часы на земле - солнечные. Они были гениально простыми: шест, воткнутый в землю. Вокруг него нарисована шкала времени. Тень от шеста, передвигаясь по ней, показывала, который сейчас час. Позднее такие часы делали из дерева или камня и устанавливали на стенах общественных зданий. Затем появились переносные солнечные часы, которые изготавливали из ценных пород дерева, слоновой кости или бронзы. Были даже часы, которые условно можно назвать карманными; их нашли при раскопках древнего римского города. Эти солнечные часики, сделанные из посеребренной меди, имели форму окорока, на котором прочерчены линии. Шпилем - стрелкой часов - служил свиной хвостик. Часы были небольшие. Их вполне можно было бы поместить в кармане. Но карманов жители древнего города еще не придумали. Вот и носили такие часы на шнурке, цепочке или прикрепляли к тросточкам из дорогого дерева.
Солнечные часы имели один существенный недостаток: они могли «ходить» только на улице, да и то на освещенной солнцем стороне. Это, конечно, было крайне неудобно. Видимо, поэтому изобрели водяные часы. По капелькам вода перетекала из одного сосуда в другой, и по тому, сколько воды вытекло, определяли, сколько прошло времени. Много сотен лет такие часы - их называли клепсидрами - служили людям. В Китае, например, ими пользовались 4,5 тысячи лет назад. Кстати, первый будильник на земле тоже был водяным - и будильником, и школьным звонком одновременно. Его изобретателем считают древнегреческого философа Платона, жившего за 400 лет до нашей эры. Этот прибор, придуманный Платоном для созыва своих учеников на занятия, состоял из двух сосудов. В верхний наливалась вода, откуда она понемногу вытекала в нижний, вытесняя оттуда воздух. Воздух по трубке устремлялся к флейте, и она начинала звучать. Причем будильник регулировался в зависимости от времени года. Клепсидры были очень распространены в древнем мире.
Солнечные часы. Песочные часы.
Тысячу лет назад в Багдаде правил халиф Харун ар-Рашид - герой многих сказок «Тысяча и одной ночи». Правда, в сказках он изображен как добрый и справедливый государь, а на самом деле был вероломным, жестоким и мстительным. Халиф поддерживал торговые и дипломатические отношения с правителями многих стран, в том числе и с франкским королем Карлом Великим. Ему в 807 году Харун ар-Рашид сделал подарок, достойный халифа, - водяные часы из позолоченной бронзы. Стрелка могла показывать время от 1 часа до 12. Когда она подходила к цифре, раздавался звон, который производили шарики, падавшие на бронзовый лист.
Одновременно появлялись фигурки рыцарей, которые проходили перед зрителями и удалялись.
Кроме водяных часов были известны еще часы песочные и огневые (чаще всего будильники). На Востоке последние представляли собой палочки или шнуры, сделанные из медленно горящего состава.
Их клали на специальные подставки и над тем отрезком палочки, куда огонь должен был подойти в определенный срок, на нитке низко подвешивали металлические шарики. Пламя подбиралось к нити, та перегорала, и шарики со звоном падали в медную чашку. В Европе для этих целей использовали свечу с нанесенными на ней делениями. В требуемое деление втыкали булавку с привязанным к ней грузиком. Когда свеча догорала до этого деления, грузик падал на металлический поднос или просто на пол.
Вряд ли найдется человек, который назовет имя первого изобретателя механических часов. Такие часы впервые упоминаются в древних византийских книгах (конец VI века). Некоторые историки приписывают изобретение чисто механических часов Пацификусу из Вероны (начало IX века), другие - монаху Герберту, впоследствии ставшему папой римским. Он сделал башенные часы для города Магдебурга в 996 году. В России первые башенные часы установлены в 1404 году в Московском Кремле монахом Лазарем Сербиным. Они представляли собой хитросплетения зубчатых колес, канатов, валов и рычагов, а тяжелая гиря приковывала часы к месту. Такие сооружения создавались годами. Не только мастера, но и владельцы часов стремились хранить в тайне секреты устройства механизмов.
Первые персональные механические часы возила лошадь, а за их исправностью следил конюх. Только с изобретением упругой пружины часы стали удобными и безотказными. Первой пружинкой для карманных часов служила свиная щетинка. Ее применил нюрнбергский часовщик и изобретатель Петер Генлейн в начале XV века.
А в конце XVI века было сделано новое открытие. Молодой ученый Галилео Галилей, наблюдая за движением самых разных лампад в Пизанском соборе во время богослужения, установил, что ни вес, ни форма лампад, а лишь длина цепей, на которых они подвешены, определяет периоды их колебаний от ветра, врывающегося в окна. Ему и принадлежит идея создания часов с маятником.
Голландец Христиан Гюйгенс ничего не знал об открытии Галилея и повторил его через 20 лет. Но он изобрел и новый регулятор равномерности хода, что значительно повысило точность часов.
Многие изобретатели старались усовершенствовать часы, и в конце XIX века они стали вещью обыденной и необходимой.
В 30-е годы XX века были созданы кварцевые часы, которые имели отклонения суточного хода около 0,0001 секунды. В 70-х годах появились атомные часы с погрешностью 10" 13 секунд.
В наше время создано множество различных часов. Самые распространенные - наручные.
Современные часы.
Их циферблат все больше становится похожим на приборный щит самолета или, по меньшей мере, автомобиля. Кроме времени суток часы часто показывают месяц, число и день недели. Благодаря водонепроницаемым часам аквалангисты узнают глубину погружения, а также когда закончатся запасы воздуха в баллонах. Иногда на циферблат выводят еще одно показание - частоту пульса. Есть радиоуправляемые часы с солнечным питанием. Они допускают отклонение времени в 1 секунду от астрономического за 150 тысяч лет, автоматически переключаются с учетом сезонного и поясного времени. Созданы наручные часы с вмонтированным телевизором, часы-термометр, измеряющие температуру воздуха или воды, часы-словарь на 1700 слов.
Сложнее, совершеннее стали и современные будильники. Французские механики, например, сконструировали такие, что в заданное время начинают не только звенеть, но и... танцевать: две широкие ножки, на которых установлен механизм, ритмично ударяют по столу; могут отплясывать и чечетку, и твист. Существует будильник для храпящих во сне. Он похож на обычную мыльницу, только в ней находятся не мыло, а микрофон, усилитель и вибратор. Прибор кладут под матрац, и, как только человек всхрапнет больше пяти раз, будильник начинает так трястись, что спящий обязательно со спины перевернется на бок - и храп прекратится. Есть будильник и для лежебок. В назначенное время он нагнетает воздух в положенную под матрац камеру, которая раздувается и... сбрасывает любителя поспать с постели. Словом, изобретательская мысль не дремлет...
Механические часы
Карманные механические часы
Позже появились карманные часы, запатентованные в 1675 году Х. Гюйгенсом), а затем - много позже - и часы наручные. Вначале наручные часы были только женские, богато украшенные драгоценными камнями ювелирные изделия, отличающиеся низкой точностью хода. Ни один уважающий себя мужчина того времени не надел бы часы себе на руку. Но войны изменили порядок вещей и в 1880 году массовое производство наручных часов для армии начала фирма Girard-Perregaux.
Конструкция механических часов
Механические часы состоят из нескольких основных частей:
- Источник энергии - заведённая пружина или поднятая гиря.
- Спусковой механизм - устройство, которое преобразует непрерывное вращательное движение в колебательное или возвратно-поступательное движение. Спусковой механизм определяет точность хода часов.
- Колебательная система - маятник или балансир (баланс).
- Механизм подзаводки и перевода стрелок - ремонтуар.
- Система шестерёнок, соединяющая пружину и спусковой механизм - ангренаж.
- Циферблат со стрелками.
Маятник
Исторически первой колебательной системой был маятник. Как известно, при одинаковой амплитуде и постоянном ускорении свободного падения частота колебания маятника неизменна.
В состав маятникового механизма входят:
- Маятник;
- Анкер, соединённый с маятником;
- Храповое колесо (храповик).
Точность хода настраивается изменением длины маятника.
У классического маятникового механизма есть три недостатка. Во-первых, частота колебаний маятника зависит от амплитуды колебаний (этот недостаток преодолел Гюйгенс , заставив маятник колебаться по циклоиде , а не по дуге окружности). Во-вторых, маятниковые часы должны быть установлены неподвижно; на движущемся транспорте их применять нельзя. В-третьих, частота зависит от ускорения свободного падения, поэтому часы, выверенные на одной широте , будут отставать на более низких широтах и уходить вперёд на более высоких.
Баланс
Балансирный механизм наручных часов
Фазы Луны
Автоподзавод положительно сказывается на точности (пружина постоянно находится в почти заведённом состоянии). В водонепроницаемых часах медленнее изнашивается резьба, которая закручивает заводную головку.
Часы с автоподзаводом толще и тяжелее часов с ручным заводом. Женские калибры с автоподзаводом достаточно капризны, в силу миниатюрности их деталей. Автоподзавод бесполезен для малоподвижных людей (к примеру, находящихся в преклонном возрасте либо офисных сотрудников), а также для людей, которые носят часы лишь время от времени. Однако при наличии специального устройства для автоматического завода часов под названием «виндер», часы могут постоянно находится в заведенном состоянии. Виндеры работают от бытовой электросети (220в или 110в) либо от аккумуляторных батарей.
Турбийон
Часы с турбийоном
В первых механических часах точность хода могла зависеть от положения часов в пространстве и температуры окружающей среды. Для уменьшения зависимости от температуры стали применяться специальные сплавы с низкими температурными коэффициентами.
Индикатор запаса хода
Показывает, на сколько ещё часов или дней хватает завода пружины.
Особые типы часов
Будильник
В указанный пользователем момент даёт звуковой сигнал. Время сигнала задаётся с помощью дополнительной стрелки. Будильник обычно 2 раза звенит в сутки с традиционным циферблатом, разделённым на 12 часов и 1 раз с редким циферблатом, разделённым на 24 часа
Хронометр
Изначально, хронометр применялся в море для определения географической долготы . В наши дни, так называют особо точные механические часы (по сертификации официального швейцарского института хронометрии, COSC - Controle Officiel Suisse de Chronometres). Часы получают такой статус при условии, что в 5 разных положениях и при температурах: +8, +23, + 38 градусов - идут с точностью до -4/+6 секунд в сутки. Требования, предъявляемые кварцевым механизмам: не более 0,07 секунды в сутки .
Секундомер
Часы, которые служат для отсчёта коротких промежутков времени (например, в спорте). Секундомер позволяет в любой момент запускать и останавливать отсчёт времени, а также быстро обнулять показания. В отличие от обычных часов секундомеры не предназначены для определения текущего времени, только интервалов, от одного момента до другого.
Хронограф
Хронографом называют механические или кварцевые часы, которые одновременно являются секундомером
Шахматные часы
Часы с двумя механизмами, которые служат для контроля времени в шахматах . Так же как секундомеры, предназначены для измерения относительного времени.
Лабораторные часы
Таймер, предназначенный для химиков , фотографов
Производители часов
В литературе
Герой произведения Жюля Верна «Вокруг Света за восемьдесят дней» Паспарту пользовался очень старыми карманными часами, которые достались ему от прадедушки, весьма высокой точности, которые, по его словам, «не ошибаются и на пять минут в год!». Возникает сомнение, что заявленная точность хода (+/- 5 мин. в год) действительна была осуществима для механизмов того времени, и, скорее всего, такие часы являются фантазией автора.
Примечания
См. также
Ссылки
- Ни одно описание механизма часов не обходится без упоминания системы «баланс-спираль»
| Часы | |
|---|---|
| По принципу действия | |
Первые часы были… звёздными. По наблюдениям за движением Луны и Солнца в Месопотамии и Египте около 4 000 лет назад возникли методы шестидесятеричной системы отсчёта времени.
Чуть позже такая же система самостоятельно возникла в Мезоамерике - культурной области Северной и Южной Америки, простирающейся от центра современной Мексики до Белиза. Гватемалы, Сальвадора, Никарагуа и северной Коста-Рики.
Все эти древние часы, в которых «стрелками» были лучи Солнца или тени, называют теперь солнечными. Некоторые учёные относят к солнечным часам каменные сооружения-круги по типу Стоунхенджа, обнаруженные в разных частях мира.
Но мегалитические цивилизации (древние, те, что делали сооружения из больших камней, не используя связующий раствор) не оставили после себя письменных свидетельств учёта времени, потому учёным приходится строить и доказывать весьма сложные гипотезы осознания времени как материи и собственно происхождения часов.
Изобретателями солнечных часов называют египтян и междуреченцев, или месопотамцев. Однако первыми посчитали время: разделили год на 12 месяцев, день и ночь - на 12 часов, час - на 60 минут, минуту - на 60 секунд - всё-таки в Междуречье, или Месопотамии, царстве Вавилонии.
Это сделали вавилонские жрецы, используя солнечные часы. Сначала их инструментом были самые простые часы с плоским циферблатом и центральным стержнем, отбрасывающим тень. Но в течение года солнце садилось и вставало по-разному, и часы начинали «врать».
Усовершенствовал древние солнечные часы жрец Бероз. Циферблат часов он изготовил в виде чаши, точно повторяющей видимую форму небосвода. На конце иглы-стержня Бероз закрепил шарик, чья тень измеряла часы. Путь солнца в небе точно отражался в чаше, а на краях её жрец так хитро сделал разметку, что в любое время года его часы показывали верное время. Лишь один недостаток был у них: часы были бесполезны в пасмурную погоду и ночью.
Часы Бероза служили много веков. Ими пользовался Цицерон, их нашли на развалинах Помпей.
Происхождение песочных часов до сих пор не выяснено. Им предшествовали часы водяные - клепсидры и часы огненные. Песочные же, по данным Американского института (Нью-Йорк), могли быть изобретены в Александрии в 150 году до н. э.
Потом их след в истории исчезает и появляется уже в раннем Средневековье. Первое упоминание о песочных часах в эту пору связано с монахом, служившим в соборе Шартре (Франция) с использованием песочного хронометра.
Частотные упоминания песочных часов начинаются примерно с XIV века. Большинство их - об употреблении часов на кораблях, где применять или огонь как измерители времени просто невозможно. Движение судна не влияет на движение песка между двух сосудов, как не влияет и изменение температуры, потому песочные часы - у моряков: склянки - показывали более точное время в любых условиях.
Существовало множество моделей песочных часов - огромных и крошечных, служивших для разных хозяйственных нужд: от свершения церковной службы до измерения времени, нужного для приготовления выпечки.
Применение песочных часов пошло на спад после 1500 года, когда начинают активно использовать часы механические.
Сведения по этому вопросу противоречивы. Но большинство учёных склоняется к тому, что первыми создали механические часы в 725 году н. э. китайские мастера Лян Линцзань и И Син, жившие в правление династии Тан.
Они использовали в часах жидкостный анкерный (спусковой) механизм. Их изобретение усовершенствовали мастера Чжан Сисунь и Су Сун империи Сун (конец Х – начало XI века).
Однако позже в Китае технология пришла в упадок, зато была освоена арабами. По всей видимости, именно от них жидкостный (ртутный) анкерный механизм стал известен европейцам, которые с XII века начинают устанавливать башенные часы с водяным/ртутным спусковым механизмом.
Следующим часовым механизмом становятся грузы на цепях: колёсную передачу приводит в движение цепь, а регулирует шпиндельный ход и балансир фолио в форме коромысла с двигающимися гирями. Механизм был весьма неточен.
В XV веке появляются устройства с пружинным ходом, что позволяет сделать часы маленькими и использовать не только на башнях, но и в домах, носить в кармане и даже на руке.
Точных данных об изобретении нет. Одни источники называют 1504 год и жителя Нюрнберга Питера Генлейна. Другие связывают появление наручных часов с именем Блеза Паскаля, который просто привязал карманные часы на запястье с помощью тонкой верёвки.
Появление их относят и к 1571 году, когда граф Лестер подарил королеве Елизавете I браслет с часами. С той поры наручные часы стали аксессуаром женским, а у английских мужчин вошло в ход высказывание, что лучше уж носить юбку, чем часы на руке.
Есть и ещё одна дата - 1790 год. Считается, что именно тогда швейцарская фирма «Жаке Дроз и Лешо» выпустила первой наручные часы.
Кажется, всё, что связано с часами, каким-то таинственным образом скрывается не то временем, не то историей. Это справедливо и для электронных часов, на изобретение которых сразу несколько претендентов.
Самой же вероятной кажется «болгарская версия». В 1944 году болгарин Петыр Димитров Петров уезжает на обучение в Германию, а в 1951 году - в Торонто. Талантливый инженер становится участником программ НАСА, а в 1969 году, используя свои знания космических технологий, создаёт начинку для первых электронных часов «Пульсар».
Часы выпускает Hamilton Watch Company, а авторитетнейший часовой эксперт Г. Фрайд называет их появление «самым значительным рывком вперёд с того времени, как в 1675 году изобретена волосковая часовая пружина».
