История развития часов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Брянский Государственный Технический Университет

Дисциплина:     История  техники

Контрольная работа № 1

Студент                         Малашенко  Д. В.

Группа                                       З-04 ТМ-1

Преподаватель                Малахов Ю. А.

Брянск  2004г.

 1.Область применения и функциональное назначение

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 периодичность колебания; мерилом времени в этих случаях будет соответственно пройденный путь (или перемещение), угол поворота или число колебаний.

 

2.Немного из истории

История часов - это история развития техники. Часовщики и оружейных дел мастера открыли новую эпоху; с изобретением пружины работа по металлу приобрела совершенно новое, смелое и перспективное направление. Часовых дел мастера открыли мир миниатюрных изделий. На пространстве, зачастую не большем, чем медная монета, они создавали искусными руками тайный мир взаимосвязанных подвижных частиц. Можно ли было представить себе спутника более надежного и постоянного, чем равномерное тиканье механических часов? Увы, начиная со второй мировой войны и, особенно с тех пор, как в обиход стали прочно входить часы на электрическом и кварцевом ходу, привычное тиканье встречается все реже - в основном, среди многочисленных коллекционеров часов. Но в тоже время никогда еще старинные часы не были столь популярны. Только благодаря тому, что их изготавливали миллионными экземплярами, они до сих пор доступны даже для тех, кто обладает самым скромным бюджетом. История часов - это история прогресса и новаторской мысли, не имеющая аналогов ни в одном виде прикладного искусства. Часовых дел мастера создавали предметы потрясающей красоты и сложности, каждое из которых можно смело назвать произведением искусства.

Первым устройством, с  помощью которого человек измерял время, были солнечные часы. Посреди  ровной площадки вбивали колышек. В солнечный день колышек отбрасывал   тень на площадку, расчерченную, как  циферблат современных часов. В течение дня тень двигалась, и по её положению люди определяли время дня. Но в пасмурный день и ночью солнечные часы не работали. Уже в середине 3-го тысячелетия до н.э. в качестве простейших часов использовался гномон. Люди мерили шагами тень, которую отбрасывал в солнечный день высокий столб. Утром  тень очень длинная, в полдень она совсем короткая, а к вечеру снова удлиняется. И можно было точно вымерить, сколько шагов, в какое время она насчитывает.  В Древнем Египте и Греции время отсчитывали по солнечным часам с горизонтальными или вертикальными циферблатами.

          

                                                                 

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.

В античные времена изобретены солнечные часы, поражающие гениальностью замысла и простотой исполнения: стержень да площадка с делениями, на которую отбрасывается тень. Такого рода часы-обелиск сегодня стоят на одной из площадей Рима. В домах патрициев Древнего Рима за показаниями солнечных часов следил специальный прислужник, который и оповещал о наступлении очередного часа.      Существует их портативный вариант: солнечные часы-посох. Из гнезда в трости путник достает стержень, вставляет его в отверстие у рукояти и определяет время по делениям, которые опускаются к основанию. Известны солнечные часы-перстень: на миниатюрной площадке с делениями, защищенной откидывающейся крышкой, - крохотный стерженек, здесь же и компас...

Наряду с солнечными часами уже во 2-м и1-м тыс. до н.э. в Индии, Египте и  Греции строились водяные часы, которые показывали время и днём и ночью – не забывай только воды подливай.

Простейшие водяные часы представляли собой сосуд со шкалой, проградуированной в единицах времени. В сосуд капля за каплей поступала вода из наполненного до краёв (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 г. до н.э. Ктесибий создал водяные самодействующие часы (клепсидра), ставшие прототипом часов, которые применялись во многих странах вплоть до 18 в.

Автоматическая клепсидра была устроена так. На колонне были обозначены часы. Римскими цифрами-ночные, арабскими-дневные. Стрелкой служила палочка, которую держал в руках маленький крылатый мальчик. Он стоял на специальной трубочке, словно гимнаст-циркач на бревне. Трубочка была устроена так, что выдвигалась из часов сама собой и понемногу поднимала мальчика снизу до самого верха колонны вместе с палочкой, то есть стрелкой часов. Стрелка, двигаясь вместе с мальчиком, показывала время. За 24 часа мальчик поднимался до самого верха колонны и, понимая, что там ему делать нечего, падал вниз, чтобы медленно снова подниматься вверх. Так в любое время дня и ночи можно было узнать, который час.

И вот что ещё удивительно. Часы в те времена в разное время года были разной величины. По этому для каждого месяца года на колонне был начертан свой циферблат, то есть всего их было 12. Колонна медленно вращалась вокруг оси и подставляла под палочку тот циферблат, который нужно.

Каждые 24 часа вода выливалась из трубки и чуть-чуть поворачивала мельничное колёсико, а значит, поворачивалась немного и колонна. За год она делала полный оборот, и всё начиналось сначала.

 Равномерное движение положено в основу функционирования некоторых других типов часов, в том числе песочных.

    Песочные часы состоят  из  двух  грушевидных  емкостей,  соединенных    между  собой  узкими  концами.

В средние века, появились песочные часы, прикрепленные к дощечке с циферблатом, напоминавшим современный. Каждый час служитель переворачивал опустевший стеклянный сосуд и вручную переводил стрелку на циферблате. Тогда же появляется прибор - предшественник карманных и наручных часов - переносные песочные. Их носили, прикрепив ремнями к ноге ниже колена.      - Близ дворца Карла V, короля Испании, в отдельной часовне круглосуточно горела свеча с 24 нанесенными на ней делениями. Сгорая, свеча уменьшалась на одно деление в час, о чем слуги докладывали королю...

В  древнем  Китае  существовали, например, «часы, « которые   были  сделаны  из  пропитанных  маслом  веревок, на  которых  были  завязаны  узлы. Такой  шнурок  поджигали, и каждый  раз,  когда  пламя  достигало  узла,  проходил   определенный  отрезок  времени.   

Первое упоминание о механических часах содержится в византийской антологии (кон. 6 в.). Первые механические часы имели только одну стрелку – часовую. Одни историки приписывают изобретение механических часов Пацификусу из Вероны (начало 9 века), другие — монаху Герберту (впоследствии папа Сильвестр II), якобы в 996 сделавшему гиревые башенные часы для г. Магдебурга, которые не были механическими часами в современном понимании. Скорее всего, это были водяные часы с использованием механизмов для приведения в действие дополнит, устройств, например механизма боя часов, но не отсчёта времени. Достоверно известно, что простые по конструкции механические башенные часы были построены в Милане в 1335 г. 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.

Рис. 3. Шпиндельный спуск: 1-шпиндель; 2-грузы шпинделя;  3, 4-палеты; 5-спусковое колесо; 6-триб.

            В 14 в. появились первые механические часы со шпиндельным спуском (рис. 3).   

            По сравнению с водяными часами  шпиндельные часы   были  более  совершенные, но все же точность их хода не превышала 0,5 ч в сутки; до 16 в. они имели  лишь   часовую  стрелку.   Около     1510 г  Нюрнбергский механик П. 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    часов    имело   открытие   Г. Гали­леем    изохронности    малых    колебаний маятника,   т. е.   независимости   периода его  колебаний  от   амплитуды.    Галилей около    1640 г  предложил   новый   спусковой  механизм,   напоминающий   современный   хронометровый, но его идея не получила практического    воплощения.    Изобретателем   современных механических    часов    по    праву    считается    X. Гюйгенс, который,   в    1657    применил маятник  в  качестве регулятора хода часов. Маятник (длинный стержень с тяжелым грузом на конце) качается равномерно. Каждое колебание он совершает за одно и то же время. Маятник регулирует ход часов.

  Ма­ятниковые    часы,   даже   с   несовершенным шпиндельным      механизмом,    позволили снизить   погрешность за сутки  до  5—10 сек.   В   1675г  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. 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,   укреплённое  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.    В   связи с  применением    балансового    ре­гулятора    в   часах 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.

Рис. 4. Схема механизма маятниковых часов с крючковым спуском: / — поволок; 2 — ось скобы; 3 — скоба; 4 — спуско­вое колесо; 5 — основная колёсная пере­дача; 6 — колёсная передача стрелок; 7 — стрелки; 8 — гиревой привод; 9— маятник.

Значит, влияние на точность хода ма­ятниковых, особенно балансовых, Ч. ока­зывает изменение температуры окружающей среды. Погрешность хода маятниковых часов за сутки   при  изменении   температуры  на 1 °С за счёт изменения длины маятника при   стальном   стержне   составляет   0,5,

а при   деревянном — 0,2   сек;     для   балансовых   часов со стальной  спиралью около II секунд,   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  1761г французским  часовым   мастером  П. Леруа. Такие балансы с компенсационными грузами по ободу применяются в современных морских хронометрах. Русский механик И. П. Кулибин в кон. 18 в.предложил    оригинальную   конструкцию биметаллического   баланса.   В  конце   19 — нач.20 вв. швейцарский физик Ш. Э. Гильом создал материалы с близким к нулю коэффициентом линейного   расширения (для маятников) —инвар,  и с  минимальным  значением термоэластичности   коэффициентом (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 компенсационные устройства имеют температурную погрешность хода за сутки менее 0,05 сек на 1 °С, 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. Собакин. Кулибин, создал ряд уни­кальных часов, в т. часы, 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 веке в России успеш­но работали над совершенствованием часов механики Д. И. Толстой, И. П. Носов; часовщики братья И. Н. и Н. Н. Бутеноп в 1851—1852г полностью реконструиро­вали куранты Спасской башни Московского Кремля.

В конце XIV века появляются первые механические часы, и начинается постоянное состязание в техническом совершенстве, сложности прибора: куранты, отбивающие часы, получасы и четверти; системы, воспроизводящие мелодии; механические фигурки, в определенное время появляющиеся у циферблата и разыгрывающие пантомимы. Появляются миниатюрные часы с деталями в одну десятую грамма и часы-гиганты, у которых вес одной гири достигает 800 килограммов. Вершиной искусства часовых дел мастеров остаются и сегодня не превзойденные по сложности механизмы, такие, как состоящие из 18 тысяч деталей часы в Безансоне (Франция) с 75 одновременно действующими циферблатами.

XIX Век.1809 г. - Парижский ювелир Нитон, изготавливая подарок к свадьбе пасынка Наполеона Евгения Богарне и Августы Люксембургской, вмонтировал в усыпанный драгоценными камнями браслет миниатюрный часовой механизм. Он и не подозревал, что становится создателем наручных часов. Кстати, в то время его идею не оценили по достоинству: в почете была «луковица» - карманные часы с цепочкой, оснащенные боем, а иногда и репетицией (повторным сигналом времени, который давали нажатием кнопки).                                                                                                   

  XX Век-1904 г. - мастера Европы изготовили партию наручных часов для продажи в США. Но всю ее, как не нашедшую сбыта, пришлось вернуть в Старый Свет. А всего через несколько лет новинка получила признание у первых авиаторов. И наручные часы начали свое победное шествие: сегодня они выпускаются миллионами экземпляров ежегодно.

По назначению часы можно разделять (условно)   на   бытовые   и   специальные. В зависимости от условий использования различают бытовые Ч. наручные, кар­манные, настольные, настенные, улич­ные, башенные. В зависимости от назна­чения выделяют специализированные часы для подводного плавания, дорожные, антимагнитные и другие. Имеется большая группа часов специального, служебного на­значения: сигнальные, табельные, про­цедурные, программные и другие. По типу колебательных систем, используемых в современных часах, различают маятниковые, балансовые, камертонные, кварцевые и квантовые часы. Поскольку в часах поддержание коле­баний и индикация могут выполнять­ся от разных энергетических источников и разными способами, то различают механические, электромеханические (или контактные), электронно-механические (или бесконтактные) и электронные часы (например, кварцевые с цифровой индикацией на жидких кри­сталлах). Особо выделяют синхронные или, как их иногда называют, электрические часы, работающие от сети переменного тока. Такие часы по существу являются вторич­ными, а роль первичных часов выполняет генератор электростанции. Первичными часами могут быть также обычные часы, как правило, повышенной точности, от которых с минутными или полуминутными интер­валами по проводам передаются элект­рические импульсы вторичным часам.

Наиболее распространены (70-е гг. 20 в.) механические часы с механическим (пружин­ным, гиревым) приводом. Основные узлы современных механических часов (рис. 5) — двигатель, система колёс, ход или спусковой меха­низм, регулятор, стрелочный механизм и механизм заводки Ч. 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.

 Рис. 5. Схема механизма наручных ме­ханических часов: / — 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; // — 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.

 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 /5 (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 часов со стороны крышки расположен свободно качающийся груз в виде неуравновешенного сектора. При ношении часов на руке груз качается и че­рез колёсную передачу с реверсивным устройством подзаводит пружину; за 10—12 часов пружина получает завод, обеспечивающий ход часов 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. 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 часы имели работы швейцарских часовщиков М. Гиппа    и    Л. Бреге,    создавших    часы с   электроприводом.   В   электромеханических часах с электроприводом источник питания через контакты, управляемые маятником или балансом, периодически подключает­ся к приводу, в результате чего в спуско­вом регуляторе устанавливаются автоко­лебания. Роль двигателя таких Ч. выпол­няет сама колебательная система, движе­ние которой  с помощью  спец.   механизма преобразуется    в    прерывистое вращательное движение стрелок.

 До середины 20 века электромеханические часы были в основном крупногабаритными, маятникового, реже балансового типа. На усовершенствование конструкции ма­логабаритных, и, прежде всего наручных, электромеханических балансовых часов значит, влияние оказало появление малогабарит­ных и энергоёмких источников тока, миниатюрных контактов.                                                                                                         В начале 50-х гг.20   века   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.

Замена механических контактов, электрон­ными ключами на транзисторах, туннель­ных диодах, интегральных микросхемах решила проблему повышения надёжности электронно-механических часов Современные наручные электронно-механические балансовые часы име­ют точность хода ± 15 сек в сутки, по­требляют около 10 мкА от источника тока напряжением 1,3—1,5 в. Такие Ч. с тра­диционными колебательными системами (осцилляторами) — маятником или «ба­ланс — спиралью» — в отличие от кон­тактных часов иногда называют бесконтакт­ными. Быстродействие электронных уст­ройств и возможность управлять ими при малых амплитудах осцилляторов обусловили развитие камертонных и квар­цевых часов, обладающих высокой точ­ностью.

В 70-х гг. 20 века 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 1915г. В 1919г 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 часов впервые были из­готовлены фирмой «Булова уотч компани» (Bulova Watch Co) в США в 1950г; в СССР камертонные часы были выпущены в 1962 на 2-м Московском часовом заво­де. В этих часах применён храповой меха­низм для преобразования колебаний ка­мертона во вращение стрелок. Одна из схем электромеханических камертонных часов представлена на рис.   6.       

 Рис. 6. Схема механизма камертонных часов: Т — транзистор; R — резистор; С — конденсатор; Li — обмотка осво­бождения; Li— импульсная обмотка; • Е — источник питания (гальванический элемент); / — камертон; 2 — храповый механизм; 3 — колёсная передача; 4 — стрелки (часовая,  минутная, секундная).

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. В этих случаях схема управ­ления состоит из электронного делителя частоты, схемы формирования импуль­сов и усилителей. Большинство кварце­вых часов имеет шаговый электродвигатель. Регулировка хода часов осуществляется с помощью триммера в цепи кварцевого генератора. Впервые схема кварцевых часов была предложена В. А. Маррисоном (Великобритания) в 1929; в кон. 70-х гг. такие часы выпускают многие фирмы, например, в Швейцарии «Патек Филипп Эбош» (Раtek Philippe Ebauches), «Омега» (Ome­ga); в США — «Гамильтон»; в Японии — «Сэйко» (Seiko). Высокотемпературная стабильность, повышенная добротность и устойчивость кварцевых генераторов к внешне-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 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. 7,а). В СССР выпускаются (с 1977г) кварцевые часы, как со стрелочной, так и с цифровой индика­цией (рис. 7,б).

Для согласования показаний группы часов применяются системы единого времени. Они состоят из первичных высокоточных часов и группы вторичных часов, соединённых с первичными каналами связи. Первич­ные часы управляют работой вторичных часов, которые могут быть обычными электромеханическими часами или счётчиками электрических импульсов. Для повышения точности и надёжности системы единого времени вторичные часы часто делают автономными (самостоятельно идущими), ход которых периодически корректируется или син­хронизируется сигналами точного вре­мени от первичных часов.

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 секунд 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 ср. качества 30—60 сек в сутки; меха­нические будильники  1—1,5 мин в  сутки.                             

  Астрономические часы, отличающиеся большой точностью и ис­пользуются при астрономических наблюде­ниях. Знание точного времени необходи­мо при решении большинства задач астро­метрии, а также некоторых других разделов астрономии.

С древнейших времён вплоть до 15 в. время в астрономии  измерялось солнечными, песочными и водяными часами. Часы с механизмом из зубчатых колёс впервые были применены для астроно­мических наблюдений в 1484г. Однако вслед­ствие несовершенства регулятора пока­зания таких часов были грубы. Маятни­ковые часы, созданные впервые X. Гюй­генсом (1657), нашли широкое примене­ние в службах времени. Невозможность пользоваться маятниковыми часами в ус­ловиях мореплавания стимулировала создание хронометра, который обеспечи­вает точность хода, достаточную в экспе­диционных условиях, хотя и меньшую, чем у маятниковых часов. Гл. требова­ние, предъявляемое к астрономическим часам, сводится к обеспечению максимального, постоянства периода колебаний их регулятора (в маятниковых часах — маятника). При постоянном ускорении силы тяжести период колеба­ний маятника зависит: от приведённой длины маятника, от амплитуды, от плот­ности среды, в которой колеблется маят­ник. Изменение этих величин оказывает существ, влияние на ход часов. Так, изменение приведённой длины маятника, происходящее главным обр. из-за непостоянст­ва температуры, на 1 мкм вызывает из­менение суточного хода часов, на 0,04 сек. Для максимального уменьшения влияния темпера­туры на ход часов стержни маятников изготовляют из материалов с малым коэффициентом температурного расширения, уст­раивают различные компенсационные приспособления, часы помещают в изотермические камеры. Амплитуды маятников астрономических часов  обычно не превышают 120'. Измене­ние этой величины на 0,1', изменяет су­точный ход на 0,011 сек. Для устранения влияния изменений плотности среды маят­ник или весь механизм часов помещают в сосуд, из которого частично удалён воздух.

В конце 19 — начале 20 вв. получили рас­пространение часы Рифлера, изменение суточного хода которых не превышало ± 0,01 сек. В часах Рифлера впервые был применён так называемый свободный спуск маят­ника. В 1910г была разработана конструкция маятниковых часов Шорта с суточным изменением хода, не пре­вышавшим ±0,01 сек. Основной особенностью этих часов является применение двух маятников. Первичный («свободный») маятник, освобождённый от всякой механической работы, помещается в стеклянный цилиндр, в котором поддерживается давле­ние 20 мм ртутного столба. Цилиндр устанавли­вается в помещениях с круглогодично поддерживаемой постоянной температу­рой. Всю механическую работу по приведению в действие механизма часов исполнял вторичный маятник («маятник-раб»), ко­лебания которого с помощью специальных электрических системы синхронизировались с колебания­ми первичного. Вторичный маятник даёт импульс для поддержания колебаний обоих маятников. Наиболее точные маят­никовые часы — Федченко часы с изо­хронным подвесом маятника, обеспечи­вающим стабильную амплитуду кача­ний. Точность этих часов сравнима с точ­ностью лучших кварцевых часов, которые появились в 40—50-х гг. 20 в. Последние на относительно небольших интервалах времени обеспечивают точность отсчёта моментов времени, существенно более высокую, чем это дают астрономические наблюдения, но вследствие эффекта «старения» кварцевой пластинки, они не мо­гут определять самостоятельно равномер­ную шкалу времени. Кварцевые часы произвели переворот в деле получения и хранения точного времени. Это обеспе­чивается сопоставлением показаний мно­гих кварцевых часов и астрономическими на­блюдениями Развитие науки и техники привело к тому, что астрономические требования к точ­ности часов перестали быть уникальны­ми. В то же время организация передач сигналов точного времени по радио и по телевизионным Каналам позволила регулярно контролировать ход опорных часов аст­рономических обсерваторий по показаниям лучших часов единой государственной службы вре­мени и т.о. значительно повысить надёжность их работы.

Новинки техники

   Часы могут показывать время как в привычном нам 24-часовом режиме, так и в режиме 12 часов до и после полудня. Еще одна функция - "двойное время", она удобна, если вы собираетесь звонить по телефону в город, расположенный в другом часовом поясе. Возможна еще более сложная функция - "мировое время", позволяющая узнавать время в любом часовом поясе.

     Часы, издающие звуковые сигналы, в том числе и различные мелодии, сменяющие одна другую после каждого срабатывания будильника. Некоторые будильники устанавливаются на необходимое время произвольного числа и месяца. Звонок будильника можно включить так, чтобы он автоматически повторился через несколько минут. В некоторых моделях звуковой сигнал, если его не прерывать, становится все громче. Самым сложным из звуковых сигналов можно считать речевое сообщение. Часы со встроенным синтезатором речи объявляют начало каждого часа или после нажатия кнопки проговаривают текущее время.

     Часы с секундомером и таймером. Первый измеряет время от нуля до того, пока не будет нажата клавиша "стоп". Таймер отмеряет заданный период времени и выдает звуковой сигнал, когда время выйдет.

     В часы с калькулятором встраивают микропроцессор, способный выполнять четыре арифметических действия с 8-разрядными или 10-разрядными числами, то есть самым большим числом может быть 99999999 или 9999999999. Клавиатура калькулятора все реже снабжается клавишами - их роль играет безклавишная панель, чувствительная к нажатиям, - такая клавиатура не боится пыли и влажности.

Цифровой фотоаппарат в часах. Снимки получаются не очень высокого качества и только черно-белые, зато в памяти фотоаппарата помещается целых 100 кадров. К каждому кадру можно записать краткий комментарий (до 24 символов). Снимки можно просматривать на встроенном жидкокристаллическом мониторе, а когда память заполнится - перекачать в память компьютера или распечатать на принтере. Вес часов-фотокамеры - 32 грамма. (фирма "Касио")

Часы с музыкальным плейером. Музыку загружают туда из Интернета. Памяти хватает на полчаса звукозаписи с качеством, равноценным качеству компакт-диска. Если удовольствоваться качеством, как у компакт-кассеты, то записывается около 45 минут музыки. Прослушивание через наушники. Вес часов с музыкой - 70 граммов. (фирма "Касио")

Наручные часы с встроенным приемником спутниковой системы определения координат. Эти часы за минуту определят ваши географические координаты с точностью до 30 метров. Кроме того, они помнят результаты нескольких последних определений координат и в случае необходимости подскажут, как вернуться в исходный пункт, если вы заблудились. Часы весят 148 граммов. (фирма "Касио")      Для полного успеха путешествий с такими часами желательно иметь еще подробную карту. От этой необходимости избавляет электронный путеводитель. Он содержит и приемник для определения координат, и подробнейшую карту местности (модуль с картой меняется при каждой поездке), где постоянно показывается местоположение туриста. И все это тоже на руке, хотя есть еще и компьютер, управляющий всей системой и пристегиваемый к поясу. (Гейдельберг, Германия)

САМЫЕ, САМЫЕ, САМЫЕ...

Маленькие

Украинский  ученый  Николай Сядристый создал   в мире  самые    маленькие  часы   в виде  стрекозы, в голову которой    помещены    микрочасы. В них 130 деталей.

Старые

Самые старые башенные часы в Москве - это кремлевские куранты на Спасской башне.  Часы приводятся в действие тремя гирями весом по 224 килограмма. Вес маятника 32 килограмма. Механизм курантов заводится электромотором два раза в сутки

.

Точные

Самые   точные часы в мире - атомные. Они  используются   в качестве      эталона    времени.

Дорогие

Самые дорогие         наручные      часы   были    проданы    в 1996 году на аукционе    за 2 с лишним     миллиона    швейцарских франков.

Известные

Самые    известные     часы Биг Бен в Лондоне. Высота   башни, в которую  они встроены-98метров.

МАЯТНИК             .

            

1. Маятники физический и математический, Основной закон колебаний    маятника.

Маятником мы называем всякое тело, которое свободно подвешено вне своего центра тяжести,  и притом так,  что оно может качаться около точки под­веса. Мы упомянули о центре тяже­сти. Центром тяжести тела мы назы­ваем такую его точку, при которой свободно подвешенное в ней тело будет находиться  в безразличном  равновесии. Иными словами, при таком способе закрепления каждый предмет сохранит любое положение, которое мы ему придадим. Если мы вообра­зим, что масса  всего тела сосредото­чится в его центре тяжести, то такая точка будет отвечать на воздействие  внешних сил таким же образом, как   и  все тело.

 Математиче­ский маятник.

Пусть  в  любом  физическом  маятнике  происходит  такое  воображаемое  сжатие. Тогда он  обратится в простейший математический маятник, изображенный схематически на рисунке. Он состоит из:1)тяжелого, но непротяженного центра тяжести: S, 2) лишенного веса, неизменяющего своей длины и не сгибающегося   стержня маятника bи 3) неподвижной точки а около кото­рой происходят колебания. Такой воображаемый маятник на­зывается математическим маятником, или простым маятни­ком. Его можно  воспроизвести с некоторым приближением при наличии небольшого свинцового шарика, подвешенного на, тонкой шелковой нити.      

В противоположность воображаемому математическому маятнику каждый сооруженный из материального вещества маятник называется физическим, или сложным   маятником.           

Физический маятник, применяемый в часах, тем совер­шеннее, чем он ближе к математическому маятнику. Маят­ник часов должен, поэтому иметь, возможно, более легкий, но жесткий стержень и возможно более тяжелый и маленький груз. Применение маятника, как регулятора хода часов, осно­вано на следующем — правда, не вполне точном — положении: Длительность  качаний  одного  и  того  же маятника есть  величина постоянная.

       Галилей, открывший в 1583 г. закон колебаний маятника, находясь однажды в соборе в Пизе,  обратил  внимание на свешивающуюся, с потолка качающуюся лампаду. С доступ­ной ему точностью наблюдений он заметил, что длительность этих колебаний оставалась постоянной, хотя размахи посто­янно уменьшались. Подвергнув это явление научному иссле­дованию, великий мыслитель пришел к установлению выше­приведенного положения. Как вывод у него явилась мысль  применить маятник для измерения времени и регулирова­ния хода часов.

Сообщают, что Галилей, уже, будучи слепым, дал своему сыну Винценту указания для постройки маятниковых часов, но смерть обоих — и отца и сына — прервала осуществление идеи Галилея, а все заготовленные части будущих часов без­вестно пропали.

Другое столь же важное положение, которое,  как и пер­вое, было уже известно Галилею, утверждает, что продолжительность колебаний маятника зависит от длины маятника; с увеличением длины маятника, совершаемые им колебания за­медляются.

В простейших конструкциях часов маятник подвеши­вается с помощью петелек или даже нити. В лучших часах для подвеса применяется плоская пружина, реже — призма'.

   

1. Компенсационные маятники

Для  прецизионных  часов даже самый лучший деревян­ный стержень недостаточен, так как наиболее  тщательное  пропитывание маслом не устраняет полностью влияния сырости. Такие точные часы должны быть снабжены маятниками, у которых имеются особые приспособления, уравновешивающие влияние температурных колебаний (компенсация). Это так называемые компенсационные маятники. Из многих применяе­мых в  настоящее  время  компенсационных мятников наиболее распространенными являют­ся:1)маятник со стержневой компенсацией.2)ртутный маятник и 3) маятник из никелевой стали.

 Все три маятника, основаны на следующем: при повышении температуры вызывающем удлинение маятника, известная часть стержня расширяется к верху, притом так, чтобы центр качания сохранял неиз­менным свое положение относительно точки, вокруг которой происходит это качание, а это значит, что математическая длина маятника остается одинаковой при всяких тем­пературах.

У маятника со стержневой компенсацией это достигается таким образом: стержень маятника делают составным из не­скольких металлических прутьев, из  которых  одни могут  расширяться кверху, другие — книзу. Длина стержней рассчитана так, что­бы влияния этих двух противоположных рас­ширений были численно одинаковы. Ясно, что в таком случае линза маятника останется всегда па одной и той же высоте.

На рис. 8 ,изображен такой маятник: а, d, d’ — стальные стержни, они расширяются вниз; е и e’— цинковые стержни, они опираются на поперечный бру­сок   с   и поэтому расширяются кверху. На стальном стержне  т  укреплена линза  l  так, чтобы расширение ее не по­влияло на ход часов. С помощью регулирующей гайки  j  линза может быть, смотря по надобности, поднята  или опущена,  и,  значит, может  быть  изменена длина маятника.  Оба, цинковые  стержня  прикреплены  к  поперечным брускам в и c; стальные внешние стержни d и d' прикреплены к поперечным брускам  b  и  f;   но свободно проходят сквозь попереч­ный брусок с. Эти оба стержня продолжены несколько ниже поперечного бруска  в самую линзу, чтобы она не могла повернуться вокруг стального стерж­ня  т. Средний стальной стержень,  а  свободно проходит сквозь верхний поперечный брусок b,  но зато прикреплен  к  по­перечной  пластине  с.  Все эти скрепления  делают­ся  при  помощи штифтов и гаек.

                  Маятник со стержне­вой компенсацией был изобретен в 1726 г. Джо­ном Гаррисоном и применялся с тех пор со значительным успехом в различных видоизмене­ниях. Кста­ти отметим, что нередко маятники обыкновенных стенных часов, у которых стержни составлены из железных и латунных проволок, также называ­ют компенсационными маятниками. Но это неверно; они не являются компенсационными маятниками, большее число стержней применено только для украшения и ничего общего с компенсацией не имеет.

                  Другой компенсационный маятник представлен на рис. 9, это — ртутный маятник Грахама. Он был изобретен в 1715 г. Джорджем Граиамом, которому мы обязаны многими крупными   достижениями   в   области   часового   дела.  

                                                                  Рис.9. Ртутный маятник Грахама.

                 Линзой служит сосуд, наполненный до известной высоты ртутью. Стержни маятника и оба боковых стержня, которые служат рамой для сосуда с ртутью, — из стали. Когда температура повышается, стержень маятника, и оба боковые стержня удлиняются книзу; от этого, маятник становится длиннее. Одновременно с этим находящаяся в сосуде ртуть (ее спо­собность расширяться, по крайней мере, в десять раз больше, чем у стали)(1)  расширяется кверху и подымает при этом центр тяжести ртутного столба. Высота уровня ртути в ста канне и размеры прочих частей маятника подбираются так,  чтобы центр качаний всегда сохранял свое положение, не­смотря на изменение температуры и чтобы, следовательно, математическая длина маятника оставалась постоянной.

                 Этот компенсационный маятник изготовляется тоже раз­личных форм, хотя, по идее, все эти конструкции одинаковы. У такого маятника бывает один или несколько сосудов, иногда до четырех.

1 При изменении температуры ртутного столба высотой в 1 м на 10° С уровень ртути повышается на 1,57 мм  в, том случае, если она налита в стальной сосуд, и на 1,63 мм — если она в стеклянном сосуде,

2. Ртутный и инварный маятники Рифлера.

 Кварцевый ма­ятник Сатори

Из прочих ртутных маятников выделяется ртутный маят­ник Рифлера (рис. 10).                                                         

Стержень этого маятника представляет собою стальную трубку, наполненную ртутью до двух третей  ее высоты. На конце трубки сидит тяжелая латунная чечевица, поддержи­ваемая у ее центра при помощи двух регулировочных гаек. Под главной гирей на маятнике находятся еще два или три небольших диска, меняя вес которых, можно регулировать действие компенсации маятника. Подъем или опускание этих добавочных грузиков действует так же, как и переме­щение главного груза, а именно—соответственно ускоряет или замедляет колебания маятника. Ртутные маятники Риф­лера были первыми маятниками, изготовленными по точ­ному расчету. Улучшение конструкции новейших компенсационных маятников достигнуто путем применения для их изготовления специальных материалов. Из новых маят­ников в точных часах пользуются наибольшим распростра­нением  инварный маятники, показываю­щие прекрасные результаты. Француз­ский ученый, член академии Ш. Э. Гильом нашел, что сплав 35,7% никеля и 64,3% железа, который он назвал ин­варом — неизменяемым, — обладает очень малым температурным удлинением, а именно, приблизительно в 10-раз меньшим, чем у никеля и стали.

Другой   3, Рифлер произвел длительные опыты по применению этого сплава компенсации маятников и в 1897г сконструировал компенсационный инварный маятник. Инварный маятник Рифлера изображен на рис. 11. ,S — инварный стержень маятника, М и М1 — регулирую­щие гайка и контргайка. На гайку М опирается свободно двигающаяся по стержню маятника компенсационная трубка К, изготовляемая обыкновенно из латуни. Вторая компен­сационная трубка К1 — из стали — опирается на трубку К. Линза L - маятника, отлитая из латуни или чугуна, просвер­лена снизу до самой середины, так что она лежит на ком­пенсационной трубке К1 своею частью А. Длины компенса­ционных трубок К и К1 подбираются так, чтобы центр ка­чания маятника не смещался под влиянием изменений тем­пературы. Инварный маятник, сконструированный в 1903 г. проф. Л. Трассером, директором школы часового искус­ства в Глассхютте, сходен по идее с только что описанным маятником Рифлера, но несколько иной формы. О качествах этих маятников в литературе имеется мало указаний.

              Еще более пригодным материалом для маятников является плавленый аморфный (не кристаллический) кварц в виду его особенного малого температурного удлинения (в три раза меньше, чем у инвара). С другой стороны, кварцевые стержни крайне затруднительны в обработке, так как кварц вследствие своей твердости поддается только шлифовке. Поэтому инженер Натори в своем кварцевом маятнике, . сконструированном им в 1910 г. закрепляет крючок для под­вески маятника в часах, а также короткую компенсационную трубку, несущую на себе чечевицу маятника, при по­ мощи колец-хомутиков с зажимными винтами. По свиде­тельству Венской обсерватории такие маятники дали блестящие результаты.

               Для сравнения достоинства различных материалов, при­меняемых при изготовлении маятников, приводим табличку изменений суточного хода часов с различными маятниками, при изменении температуры маятника на 10° С.

Маятник

Изменения суточного хода в сек

Из стали

Из дерева1

 Из инвара

 Из плавленого кварца Компенсационный

 Рифлера

5,3

 2,6

 0,7

 0,2

от 0,2 до 0,01

   1 При отсутствии влажности и абсолютно сухом дереве.    

3. Температурное расслоение и его влияние на маятник.

             Все описанные компенсационные маятники могут хо­рошо работать только тогда, когда температура всех частей маятника одинакова. Часы должны быть тщательно защи­щены от резких колебаний температуры, иначе отдельные части маятника не успевают должным образом прогреваться. Вследствие  этого прецизионные часы устанавливают в спе­циальных подвалах, температура которых  меняется  плавно и незначительно, только на малые доли градуса.

               По этой же  причине  переменная  разность  температуры  по  высоте маятника, как это можно наблюдать в отапливаемых помещениях, также крайне вредна для правильной работы  компенсационных  маятников. Различные  компенсационные  маятники  отзываются на это по-разному. Часы с ртутными маятниками Грахама и Рифлера, несмотря на то, что послед­ний по предварительно  высказанным соображениям должен бы быть свободен от этого недостатка, изменяют, свой  суточ­ный  ход  примерно  на  0,3 сек  при  изменении  разности  тем­пературы  на одном метре высоты на 1° С.

                Маятник  со стержневой  компенсацией  подвержен  этому  недостатку в значительно меньшей степени, так как компен­сационные части расположены почти по всей длине стержня. Обыкновенные  инварные  маятники  Рифлера  зависят от разности  температур тоже заметно меньше, а именно 0,005 сек на 1°С  и  один  метр высоты.  

Список используемой литературы.

1. Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах) Главный редактор А.М. Прохоров издание 3-е

                                          М.,»Советская Энциклопедия». 1978г.

2. Генрих Канн

                                      Практическое руководство по часовому делу,

                                      М.: «ОНТИ» 1964г.

3. Шполянский В. А., Чернягин Б. М.,

                                      Электрические приборы времени,

                                       М.: Машиностроение 1973г.

4. Константинов А. И., Флер А.Г.,

                                       Время,

                                       Л.: Машиностроение 1971г.