stringtranslate.com

Колесо баланса

Колесо баланса в каминных часах . Сверху видна спиральная пружина баланса .
Колесо баланса в будильнике Apollo 1950-х годов от Lux Mfg. Co., на котором изображены пружина баланса (1) и регулятор (2)
Современное балансовое колесо в часовом механизме

Балансировочное колесо , или баланс , — это устройство для измерения времени, используемое в механических часах и небольших часах , аналогичное маятнику в маятниковых часах . Это утяжеленное колесо, которое вращается вперед и назад, возвращаясь к своему центральному положению спиральной торсионной пружиной , известной как пружина баланса или волосковая пружина . Оно приводится в движение спусковым механизмом , который преобразует вращательное движение зубчатой ​​передачи часов в импульсы, передаваемые на балансировочное колесо. Каждое колебание колеса (называемое «тик» или «удар») позволяет зубчатой ​​передаче продвигаться на заданную величину, перемещая стрелки вперед. Балансировочное колесо и волосковая пружина вместе образуют гармонический осциллятор , который из-за резонанса колеблется преимущественно с определенной скоростью, своей резонансной частотой или «ударами», и сопротивляется колебаниям с другими скоростями. Сочетание массы балансира и упругости пружины позволяет поддерживать время между каждым колебанием или «тиканьем» очень постоянным, что объясняет его почти универсальное использование в качестве хронометра в механических часах до настоящего времени. С момента его изобретения в 14 веке и до появления камертона и кварцевых механизмов в 1960-х годах практически каждое портативное устройство для измерения времени использовало какую-либо форму балансира.

Обзор

До 1980-х годов балансовые колеса использовались в качестве технологии измерения времени в хронометрах , банковских часовых механизмах , взрывателях с часовым механизмом для боеприпасов , будильниках , кухонных таймерах и секундомерах , но кварцевая технология заняла лидирующие позиции в этих областях, и основное ее применение сохранилось в качественных механических часах .

Современные (2007) балансировочные колеса часов обычно изготавливаются из Glucydur , сплава с низким тепловым расширением из бериллия , меди и железа , с пружинами из сплава с низким тепловым коэффициентом упругости, такого как Nivarox . [1] Два сплава подобраны таким образом, чтобы их остаточные температурные реакции компенсировались, что приводит к еще более низкой температурной погрешности. Колеса гладкие, чтобы уменьшить трение воздуха, а оси опираются на прецизионные подшипники из драгоценных камней . Старые балансировочные колеса использовали винты с грузами вокруг обода для регулировки равновесия (баланса), но современные колеса уравновешиваются компьютером на заводе, используя лазер для прожигания точного углубления в ободе, чтобы сделать их сбалансированными. [2] Балансировочные колеса вращаются вокруг 1+1 ⁄ 2 оборота с каждым качанием, то есть примерно на 270° в каждую сторону от их центрального положения равновесия. Скорость балансира регулируется с помощью регулятора , рычага с узкой щелью на конце, через которую проходит пружина баланса. Это удерживает часть пружины за щелью неподвижной. Перемещение рычага сдвигает щель вверх и вниз по пружине баланса, изменяя ее эффективную длину и, таким образом, резонансную частоту колебаний баланса. Поскольку регулятор вмешивается в действие пружины, хронометры и некоторые точные часы имеют «свободно рессорные» балансы без регулятора, такие как Gyromax . [1] Их скорость регулируется винтами веса на ободе баланса.

Скорость вибрации баланса традиционно измеряется в ударах (тиках) в час, или BPH, хотя также используются удары в секунду и Гц . Длина удара - это один оборот балансового колеса между изменениями направления, поэтому в полном цикле два удара. Балансы в точных часах разработаны с более быстрыми ударами, потому что они меньше подвержены влиянию движений запястья. [3] Будильники и кухонные таймеры часто имеют скорость 4 удара в секунду (14 400 BPH). Часы, изготовленные до 1970-х годов, обычно имели скорость 5 ударов в секунду (18 000 BPH). Современные часы имеют скорость 6 (21 600 BPH), 8 (28 800 BPH) и некоторые имеют 10 ударов в секунду (36 000 BPH). Audemars Piguet в настоящее время выпускает часы с очень высокой скоростью вибрации баланса 12 ударов/с (43 200 BPH). [4] Во время Второй мировой войны Элгин создал очень точный секундомер для экипажей бомбардировщиков ВВС США, который работал со скоростью 40 ударов в секунду (144 000 ударов в час), за что получил прозвище «Джиттербаг». [5]

Точность лучших часов с балансиром на запястье составляет около нескольких секунд в день. Самыми точными часами с балансиром были морские хронометры , которые использовались на кораблях для астронавигации , как точный источник времени для определения долготы . Ко Второй мировой войне они достигли точности в 0,1 секунды в день. [6]

Период колебания

Период колебаний балансира T в секундах, время, необходимое для одного полного цикла (двух тактов), определяется моментом инерции колеса I в килограмм-метрах 2 и жесткостью ( жесткостью пружины ) его балансировочной пружины κ в ньютон-метрах на радиан:

Фолиот (горизонтальная перекладина с гирями) из часов Де Вика, построенных в 1379 году, Париж

История

Возможно, самый ранний из существующих чертежей балансира — астрономические часы Джованни де Донди , построенные в 1364 году в Падуе, Италия. Балансир (в форме короны, вверху) имел такт в 2 секунды. Калька с иллюстрации из его трактата о часах 1364 года Il Tractatus Astrarii .

Балансир появился вместе с первыми механическими часами в Европе в XIV веке, но, кажется, неизвестно, когда и где он был впервые использован. Это улучшенная версия фолиота , раннего инерциального хронометра, состоящего из прямого стержня, вращающегося в центре, с грузами на концах, который колеблется вперед и назад. Грузы фолиота можно было вдвигать или выдвигать на стержне, чтобы регулировать ход часов. Первые часы в Северной Европе использовали фолиоты, в то время как в Южной Европе использовали балансировочные колеса. [7] Поскольку часы становились меньше, сначала как настольные и фонарные часы , а затем как первые большие часы после 1500 года, вместо фолиотов стали использовать балансировочные колеса. [8] Поскольку большая часть его веса расположена на ободе вдали от оси, балансировочное колесо могло иметь больший момент инерции, чем фолиот того же размера, и показывать лучшее время. Форма колеса также имела меньшее сопротивление воздуха, а его геометрия частично компенсировала ошибку теплового расширения из-за изменений температуры. [9]

Добавление пружины баланса

Раннее балансовое колесо с пружиной во французских часах XVIII века

Эти ранние балансовые колеса были грубыми хронометрами, потому что у них не было другого важного элемента: пружины баланса . Ранние балансовые колеса толкались в одном направлении спусковым механизмом до тех пор, пока флажок грани, который находился в контакте с зубцом на спусковом колесе, не проскользнул мимо кончика зубца («сбежал»), и действие спуска изменилось на обратное, толкая колесо обратно в другую сторону. В таком «инерционном» колесе ускорение пропорционально движущей силе. В часах без пружины баланса движущая сила обеспечивает как силу, которая ускоряет колесо, так и силу, которая замедляет его и обращает его вспять. Если движущая сила увеличивается, то и ускорение, и замедление увеличиваются, в результате чего колесо начинает быстрее толкаться вперед и назад. Это сделало хронометраж сильно зависящим от силы, прикладываемой спусковым механизмом. В часах движущая сила, создаваемая главной пружиной , приложенная к спусковому механизму через зубчатую передачу часов, уменьшалась в течение периода работы часов по мере того, как главная пружина раскручивалась. Без каких-либо средств выравнивания движущей силы часы замедлялись в течение периода работы между заводами, поскольку пружина теряла силу, заставляя часы отставать во времени. Вот почему все часы с пружиной предварительного баланса требовали фузеи (или в некоторых случаях стекфриды ) для выравнивания силы от главной пружины, достигающей спуска, для достижения даже минимальной точности. [10] Даже с этими устройствами часы до пружины баланса были очень неточными.

Идея пружины баланса была вдохновлена ​​наблюдениями, что пружинящие щетинистые мундштуки свиньи, добавленные для ограничения вращения колеса, повышали его точность. [11] [12] Роберт Гук впервые применил металлическую пружину к балансу в 1658 году, а Жан де Отфейль и Христиан Гюйгенс усовершенствовали его до его нынешней спиральной формы в 1674 году. [9] [13] [14] Добавление пружины сделало колесо баланса гармоническим осциллятором , основой всех современных часов . Это означает, что колесо вибрировало на естественной резонансной частоте или «билось» и сопротивлялось изменениям в своей частоте колебаний, вызванным трением или изменением движущей силы. Это важнейшее новшество значительно увеличило точность часов, с нескольких часов в день [15] до, возможно, 10 минут в день, [16] превратив их из дорогих новинок в полезных хронометристов.

Температурная ошибка

После добавления пружины баланса основным оставшимся источником неточности был эффект изменения температуры. Ранние часы имели пружины баланса, сделанные из простой стали, и балансы из латуни или стали, и влияние температуры на них заметно влияло на скорость.

Повышение температуры увеличивает размеры пружины баланса и баланса из-за теплового расширения . Прочность пружины, восстанавливающая сила, которую она производит в ответ на отклонение, пропорциональна ее ширине и кубу ее толщины и обратно пропорциональна ее длине. Повышение температуры фактически сделало бы пружину сильнее, если бы оно повлияло только на ее физические размеры. Однако гораздо больший эффект в пружине баланса, изготовленной из простой стали, заключается в том, что эластичность металла пружины значительно уменьшается по мере повышения температуры, чистый эффект заключается в том, что простая стальная пружина становится слабее с повышением температуры. Повышение температуры также увеличивает диаметр стального или латунного балансового колеса, увеличивая его инерцию вращения, его момент инерции , что затрудняет ускорение пружины баланса. Два эффекта повышения температуры на физические размеры пружины и баланса, усиление пружины баланса и увеличение инерции вращения баланса, имеют противоположные эффекты и в некоторой степени компенсируют друг друга. [17] Основным эффектом температуры, влияющим на ход часов, является ослабление пружины баланса с повышением температуры.

В часах, которые не компенсируют влияние температуры, более слабой пружине требуется больше времени, чтобы вернуть балансовое колесо обратно к центру, поэтому «биение» замедляется, и часы отстают. Фердинанд Берту обнаружил в 1773 году, что обычный латунный баланс и стальная волосковая пружина, подвергнутые повышению температуры на 60 °F (33 °C), отстают на 393 секунды ( 6+1 ⁄ 2 минуты) в день, из которых 312 секунд приходится на снижение упругости пружины. [18]

Балансировочное колесо с температурной компенсацией

Биметаллическое колесо баланса с температурной компенсацией из карманных часов начала 1900-х годов. Диаметр 17 мм. (1) Перемещение противоположных пар грузов ближе к концам плеч увеличивает температурную компенсацию. (2) Откручивание пар грузов около спиц замедляет скорость колебаний. Регулировка одного груза изменяет равновесие или баланс.

Потребность в точных часах для астрономической навигации во время морских путешествий привела ко многим достижениям в технологии баланса в 18 веке в Британии и Франции. Даже ошибка в 1 секунду в день в морском хронометре могла привести к ошибке в 17 миль (27 км) в местоположении судна после 2-месячного плавания. Джон Харрисон был первым, кто применил температурную компенсацию к балансировочному колесу в 1753 году, используя биметаллическую «компенсационную планку» на пружине, в первых успешных морских хронометрах H4 и H5. Они достигли точности в доли секунды в день, [16] но компенсационная планка больше не использовалась из-за ее сложности.

Более простое решение было разработано около 1765 года Пьером Леруа и улучшено Джоном Арнольдом и Томасом Эрншоу : колесо баланса Эрншоу или компенсирующее колесо. [19] Ключевым моментом было заставить колесо баланса изменять размер в зависимости от температуры. Если бы можно было заставить баланс уменьшаться в диаметре по мере нагревания, меньший момент инерции компенсировал бы ослабление пружины баланса, сохраняя период колебаний прежним.

Для этого внешний обод баланса был сделан из «сэндвича» из двух металлов: слой стали внутри сплавлен со слоем латуни снаружи. Полоски этой биметаллической конструкции изгибаются в сторону стали при нагревании, поскольку тепловое расширение латуни больше, чем у стали. Обод был разрезан в двух точках рядом со спицами колеса, поэтому он напоминал S-образную форму (см. рисунок) с двумя круглыми биметаллическими «рычагами». Эти колеса иногда называют «Z-балансами». Повышение температуры заставляет рычаги изгибаться внутрь к центру колеса, а смещение массы внутрь уменьшает момент инерции баланса, подобно тому, как вращающийся фигурист может уменьшить свой момент инерции, втягивая руки. Это уменьшение момента инерции компенсировало уменьшенный крутящий момент, создаваемый более слабой пружиной баланса. Величина компенсации регулируется подвижными грузами на рычагах. Морские хронометры с таким типом баланса имели погрешность всего 3–4 секунды в день в широком диапазоне температур. [20] К 1870-м годам компенсированные балансы начали использоваться в часах.

Ошибка средней температуры

Балансиры морского хронометра середины 1800-х годов с различными системами «вспомогательной компенсации» для уменьшения погрешности средней температуры

Стандартный компенсационный баланс Эрншоу значительно уменьшил ошибку, вызванную колебаниями температуры, но не устранил ее. Как впервые описал Дж. Г. Ульрих, скомпенсированный баланс, настроенный на поддержание правильного времени при заданной низкой и высокой температуре, будет на несколько секунд в день быстрее при промежуточных температурах. [21] Причина в том, что момент инерции баланса изменяется пропорционально квадрату радиуса компенсационных плеч и, следовательно, температуры. Но упругость пружины изменяется линейно с температурой.

Чтобы смягчить эту проблему, производители хронометров приняли различные схемы «вспомогательной компенсации», которые уменьшили погрешность ниже 1 секунды в день. Такие схемы состояли, например, из небольших биметаллических рычагов, прикрепленных к внутренней части балансира. Такие компенсаторы могли изгибаться только в одном направлении к центру балансира, но изгиб наружу был бы заблокирован самим колесом. Заблокированное движение вызывает нелинейную температурную реакцию, которая могла бы немного лучше компенсировать изменения упругости пружины. Большинство хронометров, которые впервые прошли ежегодные испытания в Гринвичской обсерватории между 1850 и 1914 годами, были конструкциями вспомогательной компенсации. [22] Вспомогательная компенсация никогда не использовалась в часах из-за ее сложности.

Лучшие материалы

Баланс и пружина из сплава с низким температурным коэффициентом в механизме ETA 1280 от часов Benrus Co., выпущенных в 1950-х годах.

Биметаллический компенсированный баланс был выведен из употребления в начале 20 века из-за достижений в металлургии. Шарль Эдуард Гийом получил Нобелевскую премию за изобретение в 1896 году инвара , сплава никелевой стали с очень низким тепловым расширением, и элинвара (от élasticité invariable , «неизменная эластичность»), сплава, эластичность которого неизменна в широком диапазоне температур, для пружин баланса. [23] Твердый инварный баланс с пружиной из элинвара в значительной степени не зависел от температуры, поэтому он заменил трудно настраиваемый биметаллический баланс. Это привело к появлению серии улучшенных сплавов с низким температурным коэффициентом для балансов и пружин.

До разработки Elinvar Гийом также изобрел сплав для компенсации средней температурной погрешности в биметаллических весах, наделив его отрицательным квадратичным температурным коэффициентом. Этот сплав, названный анибалом, является небольшой вариацией инвара. Он почти полностью нейтрализовал температурный эффект стальной волосковой пружины, но все еще требовал биметаллического компенсированного балансира, известного как балансир Гийома. Эта конструкция в основном устанавливалась в высокоточных хронометрах, предназначенных для соревнований в обсерваториях. Квадратичный коэффициент определяется его местом в уравнении расширения материала; [24]

где:

длина образца при некоторой опорной температуре
это температура выше контрольной
длина образца при температуре
линейный коэффициент расширения
квадратичный коэффициент расширения

Сноски

  1. ^ ab Odets, Walt (2007). "The Balance Wheel of a Watch". The Horologium . TimeZone.com. Архивировано из оригинала 6 июля 2007 года . Получено 2007-06-16 .
  2. ^ Одетс, Уолт (2005). "Сборка балансирного колеса". Словарь деталей часов . TimeZone Watch School . Получено 15 июня 2007 г.
  3. ^ Арнштейн, Уолт (2007). "Быстрее значит точнее?, TimeZone.com". Архивировано из оригинала 2007-06-08 . Получено 2007-06-15 .
  4. ^ "Часы Jules Audemars с Audemars Piguet Escapement". Пресс-релиз Audemars . Журнал Professional Watches. 19 января 2009 г. Архивировано из оригинала 28.12.2009 г. Получено 15 октября 2020 г.
  5. ^ Шлитт, Уэйн (2002). «Сайт коллекционера Элгина» . Проверено 20 июня 2007 г.
  6. ^ "Marine Chronometer". Encyclopaedia Britannica online . Encyclopaedia Britannica Inc. 2007. Получено 15 июня 2007 г.
  7. ^ Уайт, Линн-младший (1966). Средневековая технология и социальные изменения . Oxford Press. ISBN 978-0-19-500266-9., стр. 124
  8. ^ Милхэм, Уиллис И. (1945). Время и хранители времени . Нью-Йорк: MacMillan. ISBN 0-7808-0008-7., стр. 92
  9. ^ ab Headrick, Michael (апрель 2002 г.). «Происхождение и эволюция анкерного часового спуска». IEEE Control Systems . 22 (2): 41–52. doi :10.1109/37.993314. Архивировано из оригинала 25.10.2009 . Получено 06.06.2007 .
  10. ^ "Brittens Old Clocks & Watches" под редакцией Сесила Клаттона, Г. Х. Бейли и К. А. Илберта, девятое издание, исправленное и дополненное Сесилом Клаттоном. Bloomsbury Books London 1986 ISBN 0906223695 стр. 16 
  11. ^ Бриттен, Фредерик Дж. (1898). О пружинении и регулировке часов. Нью-Йорк: Spon & Chamberlain . Получено 16 апреля 2008 г.стр. 9
  12. ^ Брирли, Гарри С. (1919). Рассказ о времени сквозь века. Нью-Йорк: Doubleday . Получено 16 апреля 2008 г.стр. 108–109
  13. ↑ Милхэм 1945, стр. 224.
  14. ^ Отфей, ​​Жан де (1647-1724) Автор текста (1722). Construction nouvelle de trois montres portatives, d'un nouveau balancier en forme de croix,... d'un gnomon spéculaire... et autres curiositez, par M. l'abbé de Haute-Feuille. [Орлеан, июнь 1722 г.].{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  15. ↑ Милхэм 1945, стр. 226.
  16. ^ ab "Революция в хронометрировании". Прогулка сквозь время . Национальный институт стандартов и технологий . 2004. Получено 13 октября 2022 г.
  17. ^ AL Rawlings, Timothy Treffry, The Science of Clocks and Watches, Издатель: BHI, ISBN 0 9509621 3 9 , Издание: 1993, 3-е дополненное и исправленное издание. 
  18. ↑ Бриттен 1898, стр. 37
  19. ↑ Милхэм 1945, стр. 233.
  20. ^ Глазго, Дэвид (1885). Watch and Clockmaking. Лондон: Cassel & Co. Получено 16.04.2008 .стр. 227
  21. ^ Гулд, Руперт Т. (1923). Морской хронометр. Его история и развитие . Лондон: JD Potter. ISBN 0-907462-05-7.стр. 176–177
  22. ↑ Гулд 1923, стр. 265–266.
  23. ^ Милхэм 1945, стр. 234
  24. ↑ Гулд, стр. 201.

Ссылки

Внешние ссылки