История происхождения часов

Часы, прибор для измерения текущего времени (в секундах, минутах, часах). Часы относятся к категории «приборов времени», куда входят также хронометр, секундомер, таймер, реле времени и комбинированные приборы, например часы с секундомером. Для измерения времени можно использовать равномерное поступательное или вращательное движение и периодические колебания; мерилом времени в этих случаях будет соответственно пройденный путь (или перемещение), угол поворота или число колебаний.

Первым устройством, с помощью которого человек измерял время, были солнечные часы. В Древнем Египте и Греции время отсчитывали по солнечным часам с горизонтальными или вертикальными циферблатами (рис. 1.1). В Самарканде в 1-й половине 15 в. Улугбек построил солнечные часы высотой около 50 м. В средние века в Европе значительное распространение получили часы с вертикальным циферблатом. Такие часы, например, сохранились в Москве на здании Историко-архивного института и старом здании МГУ. Наряду с солнечными часами уже во 2-м и 1-м тыс. до н. э. в Индии, Египте, Китае и Греции строились водяные часы, которые показывали время и днём, и ночью. Простейшие водяные часы представляли собой сосуд со шкалой, проградуированной в единицах времени. В сосуд капля за каплей поступала вода из наполненного до краев (из внешнего источника) резервуара. Постоянство давления воды в резервуаре обеспечивало равномерное наполнение сосуда и равномерное повышение уровня воды в нём, отмечаемое по шкале. Около 150 лет до н. э. Ктесибий создал водяные часы (рис. 1.2), ставшие прототипом часов, которые применялись во многих странах вплоть до 18 в. Равномерное движение положено в основу функционирования и некоторых других типов часов, в том числе песочных.

Рисунок 1.1 Солнечные часы: а — горизонтальные; б — вертикальные; 1 — стержень (пластина), тень от которой служит указателем времени на циферблате 2.

потребительское свойство ассортимент ручные часы.

Рисунок 1.2 Клепсидра (водяные часы): а — внешний вид; б — разрез; 1 — трубка подачи воды из постороннего источника; 2 — фигура, из глаз которой вода капля за каплей равномерно поступает по трубке 3 в резервуар 4; 5 — пробка с укрепленной на ней фигурой 6, показывающей палочкой время на цилиндрическом циферблате 7; 8 — трубка сифона, по которой в конце суток вода вытекает из наполненного резервуара 4, поворачивая цилиндр 7 вокруг вертикальной оси на ¹/₃₆₅ часть окружности.

Первое упоминание о механических часах содержится в византийской антологии (конец 6 в.). Достоверно известно, что простые по конструкции механические башенные часы были построены в Милане в 1335; в 1348—64 Донди в Италии создал часы, которые наряду с отсчётом времени воспроизводили движение Солнца, Луны и пяти планет; в 1354 были установлены часы Страсбургского собора с курантами, календарём и движущимися фигурами. В России первые башенные часы были сделаны в 1404 в Московском Кремле монахом Лазарем Сербиным; они имели гиревые двигатели, механизм боя, планетарный механизм. В 15—17 вв. башенные часы начали устанавливать во многих городах России.

В 14 в. появились первые механические часы со шпиндельным спуском (рис. 1.3). По сравнению с водяными часами шпиндельные часы были более совершенными, но всё же точность их хода не превышала 0,5 ч в сутки; до 16 в. они имели одну лишь часовую стрелку. Около 1510 нюрнбергский механик Хенлейн впервые применил вместо гирь стальную пружину и создал карманные часы со шпиндельным механизмом. Из-за несовершенства пружин и самого шпиндельного механизма, не имеющего собственного периода колебаний, показания этих часов сильно зависели от степени заводки пружины. В 1525 Я. Цех из Праги предложил фузею, или улитку, — приспособление для выравнивания усилия пружины во времени, что позволило повысить точность пружинных часов. Шпиндельные часы, хотя и имели невысокую точность, отличались высокой надёжностью и просуществовали до конца 19 в.

Огромное значение для повышения точности имело открытие Г. Галилеем, он предложил новый спусковой механизм, напоминающий современный хронометровый, но его идея не получила практического воплощения. Изобретателем современных механических часов по праву считается Х. Гюйгенс, который в 1657 г. применил маятник в качестве регулятора часов.

Рисунок 1.3. Шпиндельный спуск: 1 — шпиндель; 2 — грузы шпинделя; 3, 4 — палеты; 5 — спусковое колесо; 6 — триб Маятниковые часы даже с несовершенным шпиндельным механизмом позволили снизить погрешность за сутки до 5—10 сек. В 1675 г. английский часовщик У. Клемент предложил заменить шпиндельный механизм на крючковый, представляющий собой простейшую разновидность анкерного спускового механизма. Такой механизм сохранился до наших дней в простейших маятниковых часах типа ходиков (рис. 1.4). Новый шаг в совершенствовании часов связан с именем англичанина Дж. Грагама, который изобрёл несвободный анкерный механизм, имеющий значительно меньшие потери энергии, чем крючковый механизм Клемента. В 1675 Гюйгенс предложил в качестве регулятора колебаний использовать систему «баланс—спираль». Баланс — это колесо с массивным металлическим (обычно латунным) ободом, укрепленное на стальной оси; спираль — тонкая пружина, один конец которой крепится к оси баланса, а другой — к неподвижной опоре. Выведенная из состояния покоя система «баланс — спираль» совершает колебания вокруг своей оси; момент инерции баланса и жёсткость спирали определяют период колебаний системы. Такая колебательная система обладает собственным периодом колебаний; она достаточно надёжна при переноске и транспортировке часов.

Рисунок 1.4. Схема механизма маятниковых часов с крючковатым спуском: 1 — поводок; 2 — ось скобы; 3 — скоба; 4 — спусковое колесо; 5 — основная колёсная передача; 6 — колёсная передача стрелок; 7 — стрелки; 8 — гиревой привод; 9 — маятник.

В связи с применением балансового регулятора в часы с пружинным двигателем потребовалось дальнейшее совершенствование спусковых механизмов. До конца 19 в. в карманных часах широко применялся изобретённый Грагамом в начале 18 в. цилиндровый механизм. Со 2-й половины 19 в. получил распространение свободный анкерный механизм, до сего времени применяющийся во всех переносных, в том числе наручных и карманных часах. В связи с повышением точности часовых механизмов в конце 17 в. в карманных часах устанавливают минутные стрелки, а примерно с 1760 в часах стали применять секундные стрелки.

Значительное влияние на точность хода маятниковых, особенно балансовых, часов оказывает изменение температуры окружающей среды. Погрешность хода маятниковых часов за сутки при изменении температуры на 1 °C за счёт изменения длины маятника при стальном стержне составляет 0,5, а при деревянном — 0,2 сек; для балансовых часов со стальной спиралью около 11 сек, в основном за счёт изменения её жёсткости. В середине 18 в. было создано несколько типов маятников, температурная погрешность которых устранялась методом компенсации. Температурная компенсация балансового регулятора, основанная на применении биметалла, была предложена в 1761 г. французским часовым мастером П. Леруа. Такие балансы с компенсационными грузами по ободу применяются в современных морских хронометрах. Русский механик И. П. Кулибин в конце 18 в. предложил оригинальную конструкцию биметаллического баланса. В конце 19 — начале 20 вв. швейцарский физик Ш. Э. Гильом создал материалы с близким к нулю коэффициентом линейного расширения (для маятников) — инвар, и с минимальным значением термоэластического коэффициента (для часовых спиралей) — элинвар. Использование этих материалов в часах в сочетании с компенсационными устройствами практически устранило температурные воздействия на ход механических часов. Так, например, часы с маятником из инвара даже без компенсационного устройства имеют температурную погрешность хода за сутки менее 0,05 сек на 1 °C, а наручные часы со спиралью из элинвара — менее 0,5 сек, что вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к часам широкого потребления.

В России в 18 в. над совершенствованием часов, в частности спускового механизма и способов температурной компенсации, работали выдающиеся механики Кулибин, Т. И. Волосков, инженер Л. Сабакин. Кулибин создал ряд уникальных часов, в том числе хранящиеся в Эрмитаже, часы в форме яйца, с фигурами, автоматически выполняющими во время боя сложные движения; карманные планетарные часы с семью стрелками, показывающими часы, минуты, секунды, дни недели, месяцы, фазы Луны, восход и заход Солнца. В 19 в. в России успешно работали над совершенствованием часов механики Д. И. Толстой, И. П. Носов; часовщики братья И.Н. и Н. Н. Бутеноп в 1851—52г. полностью реконструировали куранты Спасской башни Московского Кремля.

Наиболее распространены (70-е гг. 20 в.) механические часы с механическим (пружинным, гиревым) приводом. Основные узлы современных механических часов (рис. 1.5) — двигатель, система колёс, ход или спусковой механизм, регулятор, стрелочный механизм и механизм заводки часов. Пружина (двигатель) вращает барабан 1 (внутри которого она находится) и через него систему колёс 2—5, частота вращения которых определяется периодом колебаний системы «баланс — спираль» 6—7. Числа зубьев колёс и период колебаний баланса подбирают так, чтобы колесо 2 делало один оборот в час, а колесо 4 — один оборот в минуту; на их осях могут устанавливаться соответственно минутная и секундная стрелки. Практически же минутная стрелка закрепляется не на самой оси колеса 2, а на трибе 9, позволяющем переводить стрелку независимо от колёс 2—5. Колесо 2 через передачу 9—11— 12 приводит в движение колесо 10, на котором крепится часовая стрелка. При заводке вращение головки 15 (через вал 14, муфту 18 и колёса 17, 19 и 20) сообщается валу, на который наматывается пружина. При переводе стрелок вытягивают головку 15, муфта 18 с помощью рычагов 16 отводится от триба 17 и вступает в зацепление с переводными колёсами 13, вращение которых сообщается стрелкам. Современные часы оснащают часто дополнительным механизмом, показывающим числа и дни недели, а в крупных часах и месяцы. В наручных часах часто применяют противоударные устройства, предохраняющие их механизм от поломок. Всё большее распространение получают наручные механические часы с автоматическим подзаводом, в которых на механизме со стороны крышки расположен свободно качающийся груз в виде неуравновешенного сектора. При ношении часы на руке груз качается и через колёсную передачу с реверсивным устройством подзаводит пружину; за 10—12 часов пружина получает завод, обеспечивающий ход Часы (прибор) в течение 20 и более часов. Потребитель освобождается от необходимости заводить часы и, что особенно важно, они работают при более постоянном значении усилия заводной пружины, в результате чего часы имеют более высокую точность хода. Первые попытки применения электрических устройств в часах относятся к 30—40-м гг. 19 в.

Рис. 1.5. Схема механизма наручных механических часов: 1 — заводной барабан; 2, 3, 4 — основная зубчатая передача; 5 — спусковое колесо; 6 — баланс; 7 — спираль; 8 — анкерная вилка; 9 — триб минутной стрелки; 10 — часовое колесо; 11 — триб вексельного колеса; 12 — вексельное колесо; 13 — переводные колёса; 14 — заводной вал; 15 — заводная головка; 16 — переводной и заводной рычаги; 17 — заводной триб; 18 — кулачковая муфта; 19 — заводное колесо; 20 — барабанное колесо

Первоначально получили распространение электромеханические маятниковые и балансовые часы, в которых завод осуществлялся с помощью электромагнита, электродвигателя и т. д. Большое значение для дальнейшего развития электромеханических часов имели работы швейцарских часовщиков М. Гиппа и Л. Бреге, создавших часы с электроприводом. До середины 20 в. электромеханические часы были в основном крупногабаритными, маятникового, реже балансового типа. На усовершенствование конструкции малогабаритных, и прежде всего наручных, электромеханических балансовых часов значительное влияние оказало появление малогабаритных и энергоёмких источников тока, миниатюрных контактов. В начале 50-х гг. 20 в. появились балансовые наручные электромеханические часы, выпущенные фирмами во Франции — «Лип» (Lip), в США — «Гамильтон» (Hamilton), электрическая цепь которых при подаче импульса балансу замыкалась механическими контактами. В 70-х гг. 20 в. получили широкое распространение наручные и настольные камертонные часы с автономной работой без смены батареи от 1 до 2 лет при точности хода ±2 сек в сутки. Первый камертонный регулятор с контактным прерывателем был создан А. Гийе в 1915. В 1919 У. Эклс и Ф. Джордан (Великобритания) и А. Абрахам и Э. Блох (Франция) предложили схему лампового камертонного регулятора с электромагнитной системой привода. Камертонные регуляторы на транзисторах для наручных часы впервые были изготовлены фирмой «Булова уотч компани» (Bulova Watch Со) в США в 1950; в России камертонные часы были выпущены в 1962 на 2-м Московском часовом заводе. В этих часах применен храповой механизм для преобразования колебаний камертона во вращение стрелок. Одна из схем электромеханических камертонных часов представлена на рис. 6. При колебаниях камертона в обмотке освобождения наводится эдс, которая открывает транзистор, в результате чего в импульсную обмотку поступает ток от источника питания. Частота колебаний камертона — 360 гц.

В электронно-механических часах с относительно высокочастотными (порядка 32 кгц) кварцевыми осцилляторами электрические импульсы спускового регулятора управляют работой шагового или синхронного электродвигателя или синхронизируют работу двигателей постоянного тока.

Рисунок 1.6 Схема камертонных часов: Т — транзистор; R — резистор; C — конденсатор; L₁ — обмотка освобождения; L₂ — импульсная обмотка; E — источник питания (гальванический элемент); 1 — камертон; 2 — храповый механизм; 3 — колёсная передача; 4 — стрелки (часовая, минутная, секундная).

Впервые схема кварцевых часов была предложена В. А. Маррисоном (Великобритания) в 1929 г.; в конце 70-х гг. их выпускают многие фирмы, например в Швейцарии «Патек Филипп Эбош» (Patek Philippe Ebauches), «Омега» (Omega); в США — «Гамильтон»; в Японии — «Сэйко» (Seiko). Высокотемпературная стабильность, повышенная добротность и устойчивость кварцевых генераторов к внешним динамическим воздействиям обеспечивают точность бытовых малогабаритных электронно-механических часов около 2 сек, а в крупногабаритных прецизионных — 0,001 сек в сутки. Кварцевые наручные часы получили распространение благодаря возможностям современной технологии изготовления полупроводников и созданию интегральных микросхем. Часы (прибор) с электронной схемой и цифровой индикацией на жидких кристаллах или светодиодах называются электронными. Электронная часть этих часов содержит, кроме кварцевого генератора, делители частоты (счётчик), дешифраторы (рис. 1.7а). В России начали выпускать в 1977 г. кварцевые часы как со стрелочной, так и с цифровой индикацией (рис. 7б).

Рисунок 1.7 Кварцевые наручные часы с цифровой индикацией на жидких кристаллах: а — блок-схема; б — внешний вид; К — кристалл кварца; Г — генератор электрических колебаний; С — триммер; f — частота колебаний; Дш — дешифратор.

Современные часы обеспечивают широкий диапазон по точности в зависимости от практических потребностей измерения времени. Так, например, атомные эталоны, используемые, в частности, при космических исследованиях, имеют относительную погрешность около 10^?13; высокоточные маятниковые часы порядка 10^?11; кварцевые морские хронометры 10^?8 (т. е. точность их хода составляет несколько тысячных долей сек за сутки); наручные кварцевые часы имеют точность хода в пределах 2 сек в сутки, камертонные и балансовые электронно-механические часы до 15 сек в сутки; механические бытовые часы высокого качества до 5 сек, а среднего качества 30—60 сек в сутки; механические будильники 1—1,5 мин в сутки.