Маятниковые часы — это часы , в которых в качестве хронометрического элемента используется маятник , качающийся груз . Преимущество маятника для хронометража заключается в том, что он является приблизительным гармоническим осциллятором : он качается вперед и назад в точном интервале времени, зависящем от его длины, и сопротивляется качанию с другой скоростью. С момента своего изобретения в 1656 году Христианом Гюйгенсом , вдохновленным Галилео Галилеем , до 1930-х годов маятниковые часы были самым точным хронометром в мире, что объясняет их широкое распространение. [1] [2] На протяжении 18 и 19 веков маятниковые часы в домах, на фабриках, в офисах и на железнодорожных станциях служили основными стандартами времени для планирования повседневной жизни, рабочих смен и общественного транспорта. Их большая точность позволяла ускорить темп жизни, что было необходимо для промышленной революции . [3] : стр.623 Домашние маятниковые часы были заменены менее дорогими синхронными электрическими часами в 1930-х и 40-х годах. Маятниковые часы в настоящее время хранятся в основном из-за их декоративной и антикварной ценности.
Маятниковые часы должны быть неподвижны для работы. Любое движение или ускорение повлияет на движение маятника, вызывая неточности, поэтому в переносных часах должны использоваться другие механизмы.
Маятниковые часы были изобретены 25 декабря 1656 года голландским ученым и изобретателем Христианом Гюйгенсом и запатентованы в следующем году. Он описал их в своей рукописи Horologium, опубликованной в 1658 году. [4] Гюйгенс поручил изготовление своих часов часовщику Саломону Костеру , который фактически построил часы. [4] Гюйгенс был вдохновлен исследованиями маятников Галилео Галилея, начавшимися около 1602 года. Галилей открыл ключевое свойство, которое делает маятники полезными хронометрами: они изохронны, что означает, что период качания маятника примерно одинаков для качаний разного размера. [5] [6] В 1637 году Галилей описал своему сыну механизм, который мог поддерживать качание маятника, который был назван первой конструкцией маятниковых часов (изображение вверху) . Он был частично сконструирован его сыном в 1649 году, но ни один из них не дожил до его завершения. [4] [7] Введение маятника, первого гармонического осциллятора , используемого для измерения времени, значительно увеличило точность часов, с примерно 15 минут в день до 15 секунд в день [8], что привело к их быстрому распространению, поскольку существующие часы « verge and foliot » были модернизированы с помощью маятников. К 1659 году маятниковые часы производились во Франции часовщиком Николаусом Хане, а в Англии — Ахашвероусом Фромантелем . [4]
Эти ранние часы, из-за их спусковых механизмов , имели широкие колебания маятника [4] в 80–100°. В своем анализе маятников 1673 года, Horologium Oscillatorium , Гюйгенс показал, что широкие колебания делают маятник неточным, заставляя его период, а следовательно, и ход часов, меняться с неизбежными изменениями движущей силы, обеспечиваемой движением . [ 4] Осознание часовщиками того, что только маятники с небольшими колебаниями в несколько градусов являются изохронными, побудило Роберта Гука изобрести анкерный спусковой механизм около 1658 года, [4] который уменьшил колебания маятника до 4–6°. [9] Анкер стал стандартным спусковым механизмом, используемым в маятниковых часах. В дополнение к повышенной точности, узкий маятниковый ход анкера позволил корпусу часов вместить более длинные, медленные маятники, которые требовали меньше энергии и вызывали меньший износ механизма. Секундный маятник (также называемый королевским маятником) длиной 0,994 м (39,1 дюйма), в котором период времени составляет две секунды, стал широко использоваться в качественных часах. Длинные узкие часы, построенные вокруг этих маятников, впервые изготовленные Уильямом Клементом около 1680 года, который также заявил об изобретении анкерного спуска, [4] стали известны как дедушкины часы . Возросшая точность, полученная в результате этих разработок, привела к тому, что минутная стрелка, ранее редкая, была добавлена на циферблат часов, начиная с 1690 года. [10] [4]
Волна часовых инноваций XVIII и XIX веков, последовавшая за изобретением маятника, принесла много усовершенствований в маятниковые часы. [3] : стр. 624 Аварийный спуск, изобретенный в 1675 году Ричардом Таунли и популяризированный Джорджем Грэхемом около 1715 года в его прецизионных «регуляторных» часах, постепенно заменил анкерный спуск [11] [4] и теперь используется в большинстве современных маятниковых часов. Наблюдение за тем, что маятниковые часы замедляются летом, привело к осознанию того, что тепловое расширение и сжатие стержня маятника при изменении температуры является источником погрешности. Эта проблема была решена изобретением температурно-компенсированных маятников; ртутного маятника Грэхема в 1721 году и решетчатого маятника Джона Харрисона в 1726 году. [12] [4] Благодаря этим усовершенствованиям к середине XVIII века прецизионные маятниковые часы достигли точности в несколько секунд в неделю.
До 19 века часы изготавливались вручную отдельными мастерами и стоили очень дорого. [3] : стр. 625 Богатая орнаментация маятниковых часов этого периода указывает на их ценность как символов статуса богатых людей. Часовщики каждой страны и региона Европы разработали свои собственные отличительные стили. К 19 веку фабричное производство деталей часов постепенно сделало маятниковые часы доступными для семей среднего класса.
Во время промышленной революции более быстрый темп жизни и планирование смен и общественного транспорта, такого как поезда, зависели от более точного хронометража, который стал возможен благодаря маятнику. [3] : стр. 624 Повседневная жизнь была организована вокруг домашних маятниковых часов. Более точные маятниковые часы, называемые регуляторами , устанавливались в деловых помещениях и на железнодорожных станциях и использовались для планирования работы и установки других часов. Потребность в чрезвычайно точном хронометрировании в астрономической навигации для определения долготы на кораблях во время длительных морских путешествий привела к разработке самых точных маятниковых часов, называемых астрономическими регуляторами . Эти точные приборы, установленные в часовых хранилищах в военно-морских обсерваториях и сохранявшие точность в пределах доли секунды путем наблюдения за транзитами звезд над головой, использовались для установки морских хронометров на военно-морских и коммерческих судах. Начиная с 19 века астрономические регуляторы в военно-морских обсерваториях служили основными стандартами для национальных служб распределения времени , которые распространяли сигналы времени по телеграфным проводам. [13] С 1909 года Национальное бюро стандартов США (теперь NIST ) основывало стандарт времени США на маятниковых часах Рифлера , точность которых составляла около 10 миллисекунд в день. В 1929 году оно перешло на свободные маятниковые часы Shortt-Synchronome , прежде чем в 1930-х годах перейти на кварцевые стандарты. [14] [15] Имея погрешность менее одной секунды в год, Shortt были самыми точными коммерчески производимыми маятниковыми часами. [16] [17] [18] [19] [20]
Маятниковые часы оставались мировым стандартом точного измерения времени в течение 270 лет, до изобретения кварцевых часов в 1927 году, и использовались в качестве стандартов времени во время Второй мировой войны . Французская служба времени включала маятниковые часы в свой ансамбль стандартных часов до 1954 года. [21] Домашние маятниковые часы начали заменяться в качестве домашнего хронометра в 1930-х и 1940-х годах синхронными электрическими часами , которые показывали более точное время, поскольку были синхронизированы с колебаниями электросети .Самыми точными экспериментальными маятниковыми часами, когда-либо созданными [22] [23], возможно, являются часы Littlemore, построенные Эдвардом Т. Холлом в 1990-х годах [24] (подаренные в 2003 году Национальному музею часов и часов , Колумбия, Пенсильвания, США). Самые большие маятниковые часы, превышающие 30 м (98 футов), были построены в Женеве (1972) и Гданьске (2016). [25] [26]
Механизм, который управляет механическими часами, называется движением. Движение всех механических маятниковых часов состоит из следующих пяти частей: [27]
Дополнительные функции в часах, помимо основного хронометража, называются усложнениями . Более сложные маятниковые часы могут включать в себя следующие усложнения:
В электромеханических маятниковых часах, таких как используемые в механических Мастер-часах, источник питания заменен на электрически работающий соленоид , который подает импульсы маятнику с помощью магнитной силы , а спусковой механизм заменен переключателем или фотодетектором , который определяет, когда маятник находится в правильном положении для получения импульса. Их не следует путать с более поздними кварцевыми маятниковыми часами, в которых электронный модуль кварцевых часов качает маятник. Это не настоящие маятниковые часы, поскольку хронометрирование контролируется кварцевым кристаллом в модуле, а качающийся маятник — это всего лишь декоративная имитация.
Маятник в большинстве часов (см. схему) состоит из деревянного или металлического стержня (a) с металлическим грузом, называемым грузом (b), на конце. Груз традиционно имеет форму линзы, чтобы уменьшить сопротивление воздуха. Деревянные стержни часто использовались в качественных часах, поскольку у дерева коэффициент теплового расширения ниже , чем у металла. Стержень обычно подвешивается к раме часов с помощью короткой прямой пружины из металлической ленты (d) ; это позволяет избежать нестабильности, которая была вызвана обычным шарниром. В самых точных часах-регуляторах маятник подвешен на металлических ножевых лезвиях, опирающихся на плоский агат (твердый минерал, который сохраняет хорошо отполированную поверхность).
Маятник приводится в движение рычагом, висящим сзади, прикрепленным к анкерной части (h) спускового механизма , называемой «костылем» (e) , заканчивающейся «вилкой» (f) , которая охватывает стержень маятника. Каждое колебание маятника освобождает спусковое колесо, а зуб колеса давит на одну из паллет , оказывая кратковременное давление через костыль и вилку на стержень маятника, чтобы поддерживать его качание.
Большинство качественных часов, включая все напольные часы, имеют «секундный маятник», в котором каждое колебание маятника занимает одну секунду (полный цикл занимает две секунды), что составляет приблизительно один метр (39 дюймов) в длину от оси до центра груза. Каминные часы часто имеют полусекундный маятник, который составляет приблизительно 25 сантиметров (9,8 дюйма) в длину. Только несколько башенных часов используют более длинные маятники, 1,5-секундный маятник, длиной 2,25 м (7,4 фута), или иногда двухсекундный маятник, 4 м (13 футов), который используется в Больших часах Вестминстера, в которых находится Биг-Бен .
Маятник качается с периодом, который меняется с квадратным корнем его эффективной длины. Для малых качаний период T , время одного полного цикла (два качания), равен
где L — длина маятника, g — локальное ускорение свободного падения . Все маятниковые часы имеют средства регулировки скорости. Обычно это регулировочная гайка (c) под маятниковым грузом, которая перемещает груз вверх или вниз по его стержню. Перемещение груза вверх уменьшает длину маятника, уменьшая период маятника, поэтому часы отстают. В некоторых маятниковых часах точная настройка выполняется с помощью вспомогательной настройки, которая может представлять собой небольшой груз, перемещаемый вверх или вниз по стержню маятника. В некоторых главных часах и башенных часах настройка выполняется с помощью небольшого лотка, установленного на стержне, куда помещаются или удаляются небольшие грузы для изменения эффективной длины, поэтому скорость можно регулировать, не останавливая часы.
Период маятника немного увеличивается с шириной (амплитудой) его колебания. Скорость ошибки увеличивается с амплитудой, поэтому при ограничении небольшими колебаниями в несколько градусов маятник почти изохронен ; его период не зависит от изменений амплитуды. Поэтому колебание маятника в часах ограничено 2°–4°.
Малые углы качания имеют тенденцию к изохронному поведению из-за математического факта, что приближение становится действительным, когда угол приближается к нулю. При такой замене уравнение маятника становится уравнением гармонического осциллятора, который имеет фиксированный период во всех случаях. По мере того, как угол качания становится больше, приближение постепенно перестает работать, и период больше не фиксирован.
Основным источником погрешности маятниковых часов является тепловое расширение; длина стержня маятника немного изменяется при изменении температуры, что приводит к изменению скорости хода часов. Повышение температуры приводит к расширению стержня, что делает маятник длиннее, поэтому его период увеличивается, и часы отстают. Во многих старых качественных часах использовались деревянные стержни маятника, чтобы уменьшить эту погрешность, так как дерево расширяется меньше, чем металл.
Первым маятником, исправляющим эту ошибку, был ртутный маятник, изобретенный Грэхемом в 1721 году, который использовался в прецизионных регуляторных часах вплоть до 20 века. Они имели груз, состоящий из контейнера с жидкой металлической ртутью . Повышение температуры приводило к расширению стержня маятника, но ртуть в контейнере также расширялась, и ее уровень в контейнере слегка поднимался, перемещая центр тяжести маятника вверх к оси. При использовании правильного количества ртути центр тяжести маятника оставался на постоянной высоте, и, таким образом, его период оставался постоянным, несмотря на изменения температуры.
Наиболее широко используемый температурно-компенсированный маятник был сетчатым маятником, изобретенным Джоном Харрисоном около 1726 года. Он состоял из «сетки» параллельных стержней из металла с высоким тепловым расширением, такого как цинк или латунь , и металла с низким тепловым расширением, такого как сталь . При правильном сочетании изменение длины стержней с высоким тепловым расширением компенсировало изменение длины стержней с низким тепловым расширением, снова достигая постоянного периода маятника при изменении температуры. Этот тип маятника стал настолько ассоциироваться с качеством, что декоративные «поддельные» сетчатые маятники часто можно увидеть на маятниковых часах, которые не имеют фактической функции температурной компенсации.
Начиная примерно с 1900 года некоторые из самых точных научных часов имели маятники, изготовленные из материалов с ультранизким коэффициентом расширения, таких как сплав никелевой стали инвар или плавленый кварц , которые требовали лишь незначительной компенсации влияния температуры.
Вязкость воздуха, через который качается маятник, будет меняться в зависимости от атмосферного давления, влажности и температуры. Это сопротивление также требует мощности, которая в противном случае могла бы быть применена для увеличения времени между заводами. Традиционно маятниковый груз изготавливается с узкой обтекаемой формой линзы, чтобы уменьшить сопротивление воздуха, на которое уходит большая часть движущей силы в качественных часах. В конце 19-го и начале 20-го века маятники для прецизионных регуляторных часов в астрономических обсерваториях часто работали в камере, которая была накачана до низкого давления, чтобы уменьшить сопротивление и сделать работу маятника еще более точной, избегая изменений атмосферного давления. Тонкая настройка скорости часов могла быть выполнена путем небольших изменений внутреннего давления в герметичном корпусе.
Чтобы точно отсчитывать время, маятниковые часы должны быть выровнены. Если это не так, маятник качается больше в одну сторону, чем в другую, нарушая симметричную работу спуска. Это состояние часто можно услышать в тикающем звуке часов. Тики или «удары» должны быть с точно равными интервалами, чтобы создавать звук «тик...так...тик...так»; если это не так и есть звук «тик-так...тик-так...», часы сбились с такта и их необходимо выровнять. Эта проблема может легко привести к остановке часов, и это одна из самых распространенных причин для вызова сервисной службы. Спиртовой уровень или часовой таймер могут достичь более высокой точности, чем при использовании звука удара; прецизионные регуляторы часто имеют встроенный спиртовой уровень для этой задачи. Старые отдельно стоящие часы часто имеют ножки с регулируемыми винтами для их выравнивания, более современные имеют регулировку выравнивания в механизме. Некоторые современные маятниковые часы оснащены устройствами «автоматической регулировки хода» или «саморегулирующейся регулировки хода» и не нуждаются в такой регулировке.
Поскольку скорость маятника будет увеличиваться с увеличением гравитации, а локальное гравитационное ускорение меняется в зависимости от широты и высоты на Земле, маятниковые часы с самой высокой точностью должны быть перенастроены, чтобы сохранять время после перемещения. Например, маятниковые часы, перемещенные с уровня моря на высоту 4000 футов (1200 м), будут терять 16 секунд в день. [28] С самыми точными маятниковыми часами даже перемещение часов на вершину высокого здания приведет к потере измеримого времени из-за меньшей гравитации. [29] Локальная гравитация также изменяется примерно на 0,5% с широтой между экватором и полюсами, причем гравитация увеличивается на более высоких широтах из-за сплющенной формы Земли. Таким образом, точные регуляторные часы, используемые для небесной навигации в начале 20-го века, должны были быть перекалиброваны при перемещении на другую широту.
Также называемый маятником с крутильной пружиной, это колесообразная масса (чаще всего четыре сферы на перекрестных спицах), подвешенная к вертикальной полосе (ленте) из пружинной стали, используемая в качестве регулирующего механизма в часах с крутильным маятником . Вращение массы заводит и раскручивает пружину подвеса, при этом импульс энергии прикладывается к верхней части пружины. Главным преимуществом этого типа маятника является его низкое потребление энергии; с периодом 12–15 секунд, по сравнению с периодом гравитационного маятника 0,5–2 секунды, можно изготавливать часы, которые нужно заводить только каждые 30 дней или даже только один раз в год или чаще. Поскольку восстанавливающая сила обеспечивается упругостью пружины , которая изменяется в зависимости от температуры, она больше подвержена изменениям температуры, чем гравитационный маятник. Самые точные торсионные часы используют пружину из элинвара , которая имеет низкий температурный коэффициент упругости.
Часы с крутильным маятником, требующие только ежегодного завода, иногда называют « 400-дневными часами» или « юбилейными часами », иногда их дарят в качестве свадебного подарка. Крутильные маятники также используются в «вечных» часах, которые не требуют завода, поскольку их главная пружина поддерживается заведенной за счет изменений атмосферной температуры и давления с помощью мехов. Часы Atmos , один из примеров, используют крутильный маятник с длинным периодом колебаний 60 секунд.
Спусковой механизм — это механическое соединение, которое преобразует силу от колесной передачи часов в импульсы, которые заставляют маятник качаться вперед и назад. Это часть, которая издает «тикающий» звук в работающих маятниковых часах. Большинство спусковых механизмов состоят из колеса с заостренными зубцами, называемого спусковым колесом , которое вращается колесной передачей часов, и поверхностей, на которые упираются зубцы, называемых палетами . Во время большей части качания маятника колесо не может вращаться, потому что зуб упирается в одну из палет; это называется «заблокированным» состоянием. При каждом качании маятника палета освобождает зуб спускового колеса. Колесо вращается вперед на фиксированное расстояние, пока зуб не зацепится за другую палету. Эти освобождения позволяют колесной передаче часов продвигаться вперед на фиксированное расстояние с каждым качанием, перемещая стрелки вперед с постоянной скоростью, контролируемой маятником.
Хотя спуск необходим, его сила нарушает естественное движение маятника, и в точных маятниковых часах это часто было ограничивающим фактором точности часов. На протяжении многих лет в маятниковых часах использовались различные спуски, чтобы попытаться решить эту проблему. В 18 и 19 веках конструкция спускового механизма была на переднем крае достижений в хронометрии. Анкерный спусковой механизм (см. анимацию) был стандартным спусковым механизмом, использовавшимся до 1800-х годов, когда в точных часах появилась улучшенная версия, апериодический спусковой механизм . Он используется почти во всех маятниковых часах сегодня. Ремонтуар , небольшой пружинный механизм, перематываемый через определенные интервалы, который служит для изоляции спуска от изменяющейся силы колесной передачи, использовался в нескольких точных часах. В башенных часах колесная передача должна вращать большие стрелки на циферблате часов снаружи здания, и вес этих стрелок, изменяющийся в зависимости от накопления снега и льда, создавал переменную нагрузку на колесную передачу. Гравитационные спусковые механизмы использовались в башенных часах.
К концу 19 века специализированные спусковые механизмы использовались в самых точных часах, называемых астрономическими регуляторами , которые использовались в военно-морских обсерваториях и для научных исследований. Спусковой механизм Рифлера, используемый в часах-регуляторах Клеменса-Рифлера, имел точность до 10 миллисекунд в день. Были разработаны электромагнитные спусковые механизмы, которые использовали переключатель или фотоэлемент для включения соленоидного электромагнита, чтобы дать маятнику импульс без необходимости механической связи. Самыми точными маятниковыми часами были часы Shortt-Synchronome, сложные электромеханические часы с двумя маятниками, разработанные в 1923 году WH Shortt и Frank Hope-Jones , которые имели точность лучше одной секунды в год. Подчиненный маятник в отдельных часах был связан электрической цепью и электромагнитами с главным маятником в вакуумном резервуаре. Подчиненный маятник выполнял функции хронометража, оставляя главный маятник качаться практически без помех от внешних воздействий. В 1920-х годах Shortt-Synchronome на короткое время стал высшим стандартом для измерения времени в обсерваториях, прежде чем кварцевые часы вытеснили маятниковые часы в качестве точных стандартов времени.
Система индикации почти всегда представляет собой традиционный циферблат с движущимися часовой и минутной стрелками. Многие часы имеют маленькую третью стрелку, указывающую секунды на вспомогательном циферблате. Маятниковые часы обычно предназначены для установки путем открытия стеклянной крышки и ручного перемещения минутной стрелки по циферблату до нужного времени. Минутная стрелка установлена на скользящей фрикционной муфте, которая позволяет вращать ее на ее валу. Часовая стрелка приводится в движение не от колесной передачи , а от вала минутной стрелки через небольшой набор шестерен, поэтому вращение минутной стрелки вручную также устанавливает часовую стрелку.
Маятниковые часы долговечны и не требуют особого ухода, что является одной из причин их популярности.
Как и в любом механизме с подвижными частями, требуется регулярная чистка и смазка . Для часов были разработаны специальные смазочные материалы с низкой вязкостью, одним из наиболее широко используемых является синтетическое масло на основе полиалканоата .
Пружины и штифты могут изнашиваться и ломаться, поэтому их необходимо заменять.
Маятниковые часы были не просто утилитарными хронометрами; из-за своей высокой стоимости они были символами статуса , которые выражали богатство и культуру их владельцев. Они развивались в ряде традиционных стилей, характерных для разных стран и времен, а также для их предполагаемого использования. Стили корпусов в некоторой степени отражают стили мебели, популярные в тот период. Эксперты часто могут определить, когда были сделаны антикварные часы в течение нескольких десятилетий, по тонким различиям в их корпусах и циферблатах. Вот некоторые из различных стилей маятниковых часов:
