Годинники (прилад)
Час и, прилад для вимірювання поточного часу (в секундах, хвилинах, годинах). Ч. відносяться до категорії «приладів часу», куди входять також хронометр , секундомір , таймер , реле часу і комбіновані прилади, наприклад Ч. з секундоміром. Для вимірювання часу можна використовувати рівномірний поступальний або обертальний рух і періодичні коливання; мірилом часу в цих випадках буде відповідно пройдений шлях (або переміщення), кут повороту або число коливань.
Першим пристроєм, за допомогою якого людина вимірювала час, були сонячні Ч. Уже в середині 3-го тисячоліття до н. е. в якості найпростіших Ч. використовувався гномон . У Стародавньому Єгипті і Греції час відраховували по сонячним Ч. з горизонтальними або вертикальними циферблатами (рис. 1). У Самарканді в 1-ій половині 15 ст. Улугбек побудував сонячні Ч. заввишки близько 50 м. У середні віки в Європі значного поширення набули Ч. з вертикальним циферблатом. Такі Ч., наприклад, збереглися в Москві на будівлі Історико-архівного інституту і старій будівлі МГУ. Поряд з сонячними Ч. вже в 2-му і 1-м тис. До н. е. в Індії, Єгипті, Китаї і Греції будувалися водяні Ч., які показували час і вдень, і вночі. Найпростіші водяні Ч. представляли собою посудину зі шкалою, проградуірованной в одиницях часу. У посудину крапля за краплею поступала вода з наповненого вщерть (із зовнішнього джерела) резервуару. Постійність тиску води в резервуарі забезпечувало рівномірний наповнення судини і рівномірне підвищення рівня води в ньому, що відзначається за шкалою. Близько 150 до н. е. Ктесібій створив водяні Ч. (рис. 2), що стали прототипом Ч., які застосовувалися в багатьох країнах аж до 18 в. Рівномірний рух покладений в основу функціонування і деяких інших типів Ч., в тому числі пісочних.
Перша згадка про механічні Ч. міститься у візантійській антології (кінець 6 ст.). Одні історики приписують винахід механічних Ч. Паціфікусу з Верони (почало 9 ст.), Інші - ченцеві Герберту (згодом папа Сильвестр II), нібито в 996 зробив гирьові баштові Ч. для р Магдебурга, що не були механічними Ч. у сучасному розумінні . Швидше за все це були водяні Ч. з використанням механізмів для приведення в дію додаткових пристроїв, наприклад механізму бою Ч., але не відліку часу. Достовірно відомо, що прості за конструкцією механічні баштові Ч. були побудовані в Мілані в 1335; в 1348-64 Донді в Італії створив Ч., які поряд з відліком часу відтворювали рух Сонця, Місяця і п'яти планет; в 1354 були встановлені Ч. Страсбурзького собору з курантами, календарем і рухомими фігурами. У Росії перші баштові Ч. були зроблені в 1404 в Московському Кремлі ченцем Лазарем Сербиним; вони мали гирьові двигуни, механізм бою, планетарний механізм. У 15-17 вв. баштові Ч. почали встановлювати в багатьох містах Росії.
У 14 ст. з'явилися перші механічні Ч. з шпиндельним спуском (рис. 3). У порівнянні з водяними Ч. шпиндельні Ч. були досконалішими, але все ж точність їх ходу не перевищувала 0,5 ч в добу; до 16 в. вони мали одну лише годинну стрілку. Близько 1510 нюрнберзький механік П. Хенлейн вперше застосував замість гирь сталеву пружину і створив кишенькові Ч. з шпиндельним механізмом. Через недосконалість пружин і самого шпиндельного механізму, що не має власного періоду коливань, свідчення цих Ч. сильно залежали від ступеня заведення пружини. У 1525 Я. Цех з Праги запропонував фузею, або равлика, - пристосування для вирівнювання зусилля пружини в часі, що дозволило підвищити точність пружинних Ч. шпиндельні Ч., хоча і мали невисоку точність, відрізнялися високою надійністю і проіснували до кінця 19 ст.
Величезне значення для підвищення точності Ч. мало відкриття Р. Галілеєм ізохронності малих коливань маятника , Т. Е. Незалежності періоду його коливань від амплітуди. Галілей близько 1640 запропонував новий спусковий механізм, що нагадує сучасний хронометровий, але його ідея не отримала практичного втілення. Винахідником сучасних механічних Ч. по праву вважається Х. Гюйгенс , Який в 1657 застосував маятник як регулятора Ч. Маятникові Ч. навіть з недосконалим шпиндельним механізмом дозволили понизити погрішність за добу до 5-10 сек. У 1675 англійський годинникар У. Клемент запропонував замінити шпиндельний механізм на крючковий, що представляє собою найпростішу різновид анкерного спускового механізму (див. анкер ). Такий механізм зберігся до наших днів в простих маятникових Ч. типу ходиків (рис. 4). Новий крок у вдосконаленні Ч. пов'язаний з ім'ям англійця Дж. Грагама, який винайшов невільний анкерний механізм, який має значно менші втрати енергії, ніж крючковий механізм Клемента. У 1675 Гюйгенс запропонував в якості регулятора коливань використовувати систему «баланс-спіраль». Баланс - це колесо з масивним металевим (зазвичай латунним) ободом, укріплене на сталевій осі; спіраль - тонка пружина, один кінець якої кріпиться до осі балансу, а інший - до нерухомої опори. Виведена із стану спокою система «баланс - спіраль» здійснює коливання навколо своєї осі; момент інерції балансу і жорсткість спіралі визначають період коливань системи. Така коливальна система володіє власним періодом коливань; вона досить надійна при перенесенні і транспортуванні Ч. У зв'язку із застосуванням балансового регулятора в Ч. з пружинним двигуном потрібно подальше вдосконалення спускових механізмів. До кінця 19 ст. в кишенькових Ч. широко застосовувався винайдений Грагама на початку 18 ст. циліндровий механізм. З 2-ї половини 19 ст. набув поширення вільний анкерний механізм, до цих пір застосовується у всіх переносних, в тому числі наручних і кишенькових, Ч. У зв'язку з підвищенням точності годинникових механізмів в кінці 17 ст. в кишенькових Ч. встановлюють хвилинні стрілки, а приблизно з 1760 в Ч. стали застосовувати секундні стрілки.
Значний вплив на точність ходу маятникових, особливо балансових, Ч. надає зміну температури навколишнього середовища. Похибка ходу маятникових Ч. за добу при зміні температури на 1 ° С за рахунок зміни довжини маятника при сталевому стрижні складає 0,5, а при дерев'яному - 0,2 сек; для балансових Ч. із сталевою спіраллю близько 11 сек, в основному за рахунок зміни її жорсткості. В середині 18 ст. було створено кілька типів маятників, температурна похибка яких усувалася методом компенсації. Температурна компенсація балансового регулятора, заснована на застосуванні біметалу, була запропонована в 1761 французьким годинним майстром П. Леруа. Такі баланси з компенсаційними вантажами по ободу застосовуються в сучасних морських хронометрах. Російський механік І. П. Кулібін в кінці 18 ст. запропонував оригінальну конструкцію біметалічного балансу. В кінці 19 - початку 20 ст. швейцарський фізик Ш. Е. Гильом створив матеріали з близьким до нуля коефіцієнтом лінійного розширення (для маятників) - інвар , І з мінімальним значенням термоеластіческого коефіцієнта (для годинних спіралей) - елінвар . Використання цих матеріалів в Ч. в поєднанні з компенсаційними пристроями практично усунуло температурні дії на хід механічних Ч. Так, наприклад, Ч. з маятником з инвара навіть без компенсаційного пристрою мають температурну похибку ходу за добу менше 0,05 сек на 1 ° С, а наручні Ч. із спіраллю з елінвар - менше 0,5 сек, що цілком задовольняє вимогам, що пред'являються до Ч. широкого вжитку.
У Росії в 18 ст. над вдосконаленням Ч., зокрема спускового механізму і способів температурної компенсації, працювали видатні механіки Кулібін, Т. І. Волосків, інженер Л. Сабакін. Кулібін створив ряд унікальних Ч., в тому числі що зберігаються в Ермітажі Ч. в формі яйця, з фігурами, що автоматично виконують під час бою складні рухи; кишенькові планетарні Ч. з сім'ю стрілками, що показують години, хвилини, секунди, дні тижня, місяці, фази Місяця, схід і захід Сонця. У 19 ст. в Росії успішно працювали над вдосконаленням Ч. механіки Д. І. Толстой, І. П. Носов; годинникарі брати І. Н. і Н. Н. Бутеноп в 1851-52 повністю реконструювали куранти Спаської башти Московського Кремля (см. Кремлівські куранти ).
За призначенням Ч. можна розділити (умовно) на побутові та спеціальні. Залежно від умов використання розрізняють побутові Ч. наручні, кишенькові, настільні, настінні, вуличні, баштові. Залежно від призначення виділяють спеціалізовані Ч. для підводного плавання, дорожні, антимагнітні і ін. Є велика група Ч. спеціального, службового призначення: сигнальні, табельні, процедурні, програмні та ін. За типом коливальних систем, використовуваних в сучасних Ч., розрізняють митників, балансові, камертонні, кварцові і квантові годинник . Оскільки в Ч. підтримка коливань і індикація можуть виконуватися від різних енергетичних джерел і різними способами, то розрізняють механічні, електромеханічні (або контактні), електронно-механічні (або безконтактні) і електронні Ч. (наприклад, кварцові з цифровою індикацією на рідких кристалах) . Особливо виділяють синхронні або, як їх іноді називають, електричні Ч., що працюють від мережі змінного струму. Такі Ч. по суті є вторинними, а роль первинних Ч. виконує генератор електростанції. Первинними Ч. можуть бути також звичайні Ч., як правило, підвищеної точності, від яких з хвилинними або півхвилинними інтервалами по дротах передаються електричні імпульси вторинним Ч.
Найбільш поширені (70-і рр. 20 ст.) Механічні Ч. з механічним (пружинним, гирьовим) приводом. Основні вузли сучасних механічних Ч. (рис. 5) - двигун, система коліс, хід або спусковий механізм, регулятор, стрілочний механізм і механізм заведення Ч. Пружина (двигун) обертає барабан 1 (всередині якого вона знаходиться) і через нього систему коліс 2 -5, частота обертання яких визначається періодом коливань системи «баланс - спіраль» 6-7. Числа зубів коліс і період коливань балансу підбирають так, щоб колесо 2 робило один оборот в годину, а колесо 4 - один оборот в хвилину; на їх осях можуть встановлюватися відповідно хвилинна і секундна стрілки. Практично ж хвилинна стрілка закріплюється не на самій осі колеса 2, а на триби 9, що дозволяє переводити стрілку незалежно від коліс 2-5. Колесо 2 через передачу 9-11 12 приводить в рух колесо 10, на якому кріпиться годинникова стрілка. При заведенні обертання головки 15 (через вал 14, муфту 18 і колеса 17, 19 і 20) повідомляється валу, на який намотується пружина. При переведенні стрілок витягують головку 15, муфта 18 за допомогою важелів 16 відводиться від триба 17 і вступає в зачеплення з перекладними колесами 13, обертання яких повідомляється стрілкам. Сучасні Ч. оснащують часто додатковим механізмом, що показує числа і дні тижня, а в великих часах і місяці. У наручних Ч. часто застосовують протиударні пристрої, що оберігають їх механізм від поломок. Все більшого поширення набувають наручні механічні Ч. з автоматичним заведенням, в яких на механізмі Ч. з боку кришки розташований вільно хитний вантаж у вигляді неврівноваженого сектора. При носінні Ч. на руці вантаж гойдається і через колісну передачу з реверсивним пристроєм заведенням пружину; за 10-12 годин пружина отримує завод, що забезпечує хід Ч. протягом 20 і більше годин. Споживач звільняється від необхідності заводити Ч. і, що особливо важливо, вони працюють при більш постійному значенні зусилля заводний пружини, в результаті чого Ч. мають вищу точність ходу.
Перші спроби застосування електричних пристроїв в Ч. відносяться до 30-40-их рр. 19 в. Спочатку набули поширення електромеханічні маятникові і балансові Ч., в яких завод здійснювався за допомогою електромагніту, електродвигуна і т.д. Велике значення для подальшого розвитку електромеханічних Ч. мали роботи швейцарських годинникарів М. Гиппа і Л. Бреге, що створили Ч. з електроприводом. В електромеханічних Ч. з електроприводом джерело живлення через контакти, керовані маятником або балансом, періодично підключається до приводу, в результаті чого в спусковому регуляторі встановлюються автоколивання. Роль двигуна таких Ч. виконує сама коливальна система, рух якої з допомогою спец. механізму перетворюється в переривистий обертальний рух стрілок.
До середини 20 ст. електромеханічні Ч. були в основному великогабаритними, маятникового, рідше балансового типу. На удосконалення конструкції малогабаритних, і перш за все наречених, електромеханічних балансових Ч. значний вплив мала поява малогабаритних і енергоємних джерел струму, мініатюрних контактів. На початку 50-х рр. 20 в. з'явилися балансові наручні електромеханічні Ч., випущені фірмами у Франції - «Ліп» (Lip), в США - «Гамільтон» (Hamilton), електричний ланцюг яких при подачі імпульсу балансу замикався механічними контактами.
Заміна механічних контактів електронними ключами на транзисторах, тунельних діодах, інтегральних мікросхемах вирішила проблему підвищення надійності електронно-механічних Ч. Сучасні наручні електронно-механічні балансові Ч. мають точність ходу ± 15 сек на добу, споживають близько 10 мка від джерела струму напругою 1,3 -1,5 в. Такі Ч. з традиційними коливальними системами (осцилляторами) - маятником або «баланс - спіраллю» - на відміну від контактних Ч. інколи називають безконтактними. Швидкодію електронних пристроїв і можливість управляти ними при малих амплітудах осциляторів зумовили розвиток камертонних і кварцових Ч., що володіють високою точністю.
У 70-х рр. 20 в. набули широкого поширення наручні та настільні камертонні Ч. з автономною роботою без зміни батареї від 1 до 2 років при точності ходу ± 2 сек на добу. Перший камертонний регулятор з контактним переривником був створений А. Гійє в 1915. У 1919 У. Еклс і Ф. Джордан (Великобританія) і А. Абрахам і Е. Блох (Франція) запропонували схему лампового камертонного регулятора з електромагнітної системою приводу. Камертонні регулятори на транзисторах для наручних Ч. вперше були виготовлені фірмою «Булова уотч компані» (Bulova Watch З) в США в 1950; в СРСР камертонні Ч. були випущені в 1962 на 2-му Московському годинниковому заводі. У цих Ч. застосований механізм хропіння для перетворення коливань камертона в обертання стрілок. Одна зі схем електромеханічних камертонних Ч. представлена на рис. 6. При коливаннях камертона в обмотці звільнення наводиться ЕРС, яка відкриває транзистор, в результаті чого в імпульсну обмотку надходить струм від джерела живлення. Частота коливань камертона - 360 гц.
В електронно-механічних Ч. з відносно високочастотними (порядка 32 кГц) кварцовими осцилляторами електричні імпульси спускового регулятора керують роботою крокового або синхронного електродвигуна або синхронізують роботу двигунів постійного струму. У цих випадках схема управління складається з електронного дільника частоти, схеми формування імпульсів і підсилювачів. Більшість кварцових Ч. має кроковий електродвигун. Регулювання ходу Ч. здійснюється за допомогою тріммера в ланцюзі кварцового генератора. Вперше схема кварцевих Ч. була запропонована В. А. Маррісоном (Великобританія) в 1929; в кінці 70-х рр. такі Ч. випускають багато фірм, наприклад в Швейцарії «Патек Філіп Ебоші» (Patek Philippe Ebauches), «Омега» (Omega); в США - «Гамільтон»; в Японії - «Сейко» (Seiko). Високотемпературна стабільність, підвищена добротність і стійкість кварцевих генераторів до зовнішніх динамічних впливів забезпечують точність побутових малогабаритних електронно-механічних Ч. близько 2 сек, а в великогабаритних прецизійних - 0,001 сек на добу.
Кварцові наручні Ч. набули поширення завдяки можливостям сучасної технології виготовлення напівпровідників і створенню інтегральних мікросхем. Ч. з електронною схемою і цифровою індикацією на рідких кристалах або світлодіодах називаються електронними. Електронна частина цих Ч. містить, окрім кварцового генератора, дільники частоти (лічильник), дешифратори (рис. 7а). В СРСР випускаються (1977) кварцові годинники як зі стрілочної, так і з цифровою індикацією (рис. 7б).
Для узгодження показань групи Ч. застосовуються системи єдиного часу. Вони складаються з первинних високоточних Ч. і групи вторинних Ч., сполучених з первинними каналами зв'язку. Первинні Ч. управляють роботою вторинних Ч., які можуть бути звичайними електромеханічними Ч. або лічильниками електричних імпульсів. Для підвищення точності і надійності системи єдиного часу вторинні Ч. часто роблять автономними (самостійно йдуть), хід яких періодично коректується або синхронізується сигналами точного часу від первинних Ч.
Сучасні Ч. забезпечують широкий діапазон по точності в залежності від практичних потреб віміру годині. Так, например, Атомні Еталон, вікорістовувані, зокрема, при космічніх дослідженнях, ма ють відносну похібку около 10 ¾ 13; вісокоточні маятнікові Ч. порядку 10 ¾ 11; кварцові морські хронометри 10 ¾ 8 (т. е. точність їх ходу складає декілька Тисячний доль сік за добу); наручні кварцові годинники мають точність ходу в межах 2 сік в добу, камертонні і балансові електронно-механічні Ч. до 15 сік в добу; механічні побутові Ч. високої якості до 5 сек, а середньої якості 30-60 сек на добу; механічні будильники 1-1,5 хв на добу.
Літ .: Аксельрод З. М., Теорія і проектування приладів часу, Л., 1969; Дроздов Ф. В., Прилади часу, М., 1940; Баутін Н. Н., Динамічні моделі вільних годинних ходів, в кн .: Пам'яті А. А. Андронова, М., 1955; Шполянський В. А., Чернягин Б. М., Електричні прилади часу, М., 1964; Константинов А. І., Флєєр А. Г., Час, М., 1971; Andrade JF С., Horlogerie et chronom é trie, P., 1924; Defossez L., Th é orie g é né rale d'horlogerie, t. 1, Le Chaux-de-Fonds, 1950; Haag J., Les mouvements vibratoires, t. 1. P., 1952.
В. І. Денисов, Б. М. Чернягин.
Мал. 7. Кварцові наручні годинники з цифровою індикацією на рідких кристалах: а - блок-схема; б - зовнішній вигляд; К - кристал кварцу; Г - генератор електричних коливань; З - тріммер; f - частота коливань; Дш - дешифратор.
Мал. 4. Схема механізму маятникового годинника з гачкуватим спуском: 1 - повідець; 2 - вісь скоби; 3 - скоба; 4 - спусковий колесо; 5 - основна колісна передача; 6 - колісна передача стрілок; 7 - стрілки; 8 - гирьовий привід; 9 - маятник.
Мал. 5. Схема механізму наручного механічного годинника: 1 - заводний барабан; 2, 3, 4 - основна левередж; 5 - спусковий колесо; 6 - баланс; 7 - спіраль; 8 - анкерна вилка; 9 - триб хвилинної стрілки; 10 - годинне колесо; 11 - триб вексельного колеса; 12 - вексельне колесо; 13 - перекладні колеса; 14 - заводний вал; 15 - заводна головка; 16 - перекладної і заводний важелі; 17 - заводний триб; 18 - кулачкова муфта; 19 - заводне колесо; 20 - барабанне колесо.
Мал. 3. Шпиндельний спуск: 1 - шпиндель; 2 - вантажі шпинделя; 3, 4 - палети; 5 - спусковий колесо; 6 - триб.
Мал. 6. Схема камертонних годин: Т - транзистор; R - резистор; C - конденсатор; L1 - обмотка звільнення; L 2 - імпульсна обмотка; E - джерело живлення (гальванічний елемент); 1 - камертон; 2 - храповий механізм; 3 - колісна передача; 4 - стрілки (годинна, хвилинна, секундна).
Мал. 2. Клепсидра (водяний годинник): а - зовнішній вигляд; б - розріз; 1 - трубка подачі води з стороннього джерела; 2 - фігура, з очей якої вода крапля за краплею рівномірно поступає по трубці 3 в резервуар 4; 5 - пробка з укріпленою на ній фігурою 6, яка б показала паличкою час на циліндричному циферблаті 7; 8 - трубка сифона, по якій в кінці доби вода витікає з наповненого резервуара 4, повертаючи циліндр 7 довкола вертикальної осі на 1/365 частину окружності.
Мал. 1. Сонячний годинник: а - горизонтальні; б - вертикальні; 1 - стрижень (пластина), тінь від якої служить покажчиком часу на циферблаті 2.