Пружина баланса

Колесо баланса в будильнике 1950-х годов , на котором показаны (1) пружина баланса и (2) регулятор.

Фрагмент рабочего балансировочного колеса в каминных часах, демонстрирующий движение пружины баланса (вверху по центру)

Балансировочная пружина , или волосковая пружина , — это пружина, прикрепленная к балансировочному колесу в механических часах . Она заставляет балансировочное колесо колебаться с резонансной частотой во время работы часов, что контролирует скорость вращения колес часов, а значит, и скорость движения стрелок. Часто устанавливается рычаг регулятора , который можно использовать для изменения свободной длины пружины и, таким образом, регулировки скорости хода часов.

Балансировочная пружина — это тонкая спиральная или винтовая торсионная пружина, используемая в механических часах , будильниках , кухонных таймерах , морских хронометрах и других механизмах измерения времени для управления скоростью колебания балансировочного колеса. Балансировочная пружина является существенным дополнением к балансировочному колесу, заставляя его колебаться вперед и назад. Балансировочная пружина и балансировочное колесо вместе образуют гармонический осциллятор , который колеблется с точным периодом или «биением», сопротивляясь внешним возмущениям и отвечая за точность измерения времени.

Добавление пружины баланса к колесу баланса около 1657 года Робертом Гуком и Христианом Гюйгенсом значительно увеличило точность портативных часов, превратив ранние карманные часы из дорогих новинок в полезные хронометры. Усовершенствования пружины баланса ответственны за дальнейшее значительное увеличение точности с того времени. Современные пружины баланса изготавливаются из специальных сплавов с низким температурным коэффициентом , таких как ниварокс, чтобы уменьшить влияние изменений температуры на скорость, и тщательно сформированы, чтобы минимизировать влияние изменений движущей силы по мере того, как главная пружина работает вниз. До 1980-х годов колеса баланса и пружины баланса использовались практически в каждом портативном устройстве для измерения времени, но в последние десятилетия технология электронного кварцевого измерения времени заменила механический часовой механизм, и основное оставшееся применение пружин баланса - в механических часах.

Типы балансирных пружин:

1. плоская спираль
2. спираль Breguet
3. спираль хронометра ^[1] с закругленными концами,
4. ранние балансировочные пружины

.

История

Рисунок одной из первых пружин баланса, прикрепленной к балансировочному колесу, выполненный Христианом Гюйгенсом .

Существует некоторый спор относительно того, был ли он изобретен около 1660 года британским физиком Робертом Гуком или голландским ученым Христианом Гюйгенсом , с вероятностью того, что Гук первым высказал эту идею, но Гюйгенс построил первые функционирующие часы , в которых использовалась пружина баланса. ^{[2] [3]} До этого времени в часах использовались балансовые колеса или фолиоты без пружин, но они были очень чувствительны к колебаниям движущей силы, заставляя часы замедляться по мере раскручивания главной пружины . Введение пружины баланса привело к огромному увеличению точности карманных часов , возможно, с нескольких часов в день ^[4] до 10 минут в день, ^[5] что впервые сделало их полезными хронометристами. Первые пружины баланса имели всего несколько оборотов.

Несколько ранних часов имели регулятор Барроу, который использовал червячный привод , но первый широко используемый регулятор был изобретен Томасом Томпионом около 1680 года. ^[6] В регуляторе Томпиона бордюрные штифты были установлены на полукруглой зубчатой ​​рейке, которая регулировалась установкой ключа на зубчатое колесо и его поворотом. Современный регулятор, рычаг, вращающийся концентрически с балансирным колесом, был запатентован Джозефом Босли в 1755 году, но он не заменил регулятор Томпиона до начала 19 века. ^[7]

Регулятор

Для регулировки скорости пружина баланса обычно имеет регулятор . Регулятор представляет собой подвижный рычаг, установленный на кране баланса или мосту, поворачиваемый соосно с балансом. Узкая прорезь образована на одном конце регулятора двумя выступающими вниз штифтами, называемыми штифтами бордюра, или штифтом бордюра и штифтом с более тяжелой частью, называемым башмаком. Конец внешнего витка пружины баланса закреплен в штифте, который закреплен на кране баланса. Затем внешний виток пружины проходит через прорезь регулятора. Часть пружины между штифтом и прорезью удерживается неподвижно, поэтому положение прорези контролирует свободную длину пружины. Перемещение регулятора сдвигает прорезь вдоль внешнего витка пружины, изменяя ее эффективную длину. Перемещение прорези от штифта укорачивает пружину, делая ее более жесткой, увеличивая скорость колебаний баланса и заставляя часы выигрывать время.

Регулятор немного мешает движению пружины, вызывая неточность, поэтому точные часы, такие как морские хронометры и некоторые часы высокого класса, являются свободно пружинными , то есть у них нет регулятора. Вместо этого их скорость регулируется винтами синхронизации на балансовом колесе.

Существует два основных типа регуляторов балансировочной пружины:

• Регулятор Tompion, в котором бордюрные штифты установлены на секторной рейке, перемещаемой шестерней. Шестерня обычно снабжена градуированным серебряным или стальным диском.
• Регулятор Bosley, как описано выше, в котором штифты установлены на рычаге, вращающемся соосно с балансом, причем конец рычага может перемещаться по градуированной шкале. Существует несколько вариантов, которые повышают точность перемещения рычага, включая регулятор- улитку , в котором рычаг подпружинен против кулачка спирального профиля, который может поворачиваться, микрометр, в котором рычаг перемещается червячной передачей, и регулятор типа лебединой шеи или тростника , в котором положение рычага регулируется тонким винтом, причем рычаг удерживается в контакте с винтом пружиной в форме изогнутой лебединой шеи. Это было изобретено и запатентовано американцем Джорджем П. Ридом, патент США № 61,867 от 5 февраля 1867 года.

Существует также регулятор из свиной шерсти или свиной щетины , в котором жесткие волокна располагаются на концах дуги баланса и мягко останавливают ее перед тем, как отбросить назад. Часы ускоряются за счет сокращения дуги. Это не регулятор пружины баланса, он использовался в самых первых часах до изобретения пружины баланса.

Существует также регулятор Барроу, но это на самом деле более ранний из двух основных методов придания главной пружине "натяжения настройки"; это необходимо для поддержания цепи фузеи в натяжении, но недостаточно для фактического приведения часов в движение. Часы Verge можно регулировать, регулируя натяжение настройки, но если присутствует какой-либо из ранее описанных регуляторов, то это обычно не делается.

Материал

Для пружин баланса использовались различные материалы. Раньше использовалась сталь, но без какой-либо закалки или отпуска; в результате эти пружины постепенно ослабевали, и часы начинали отставать. ^{[ требуется цитата ]} Некоторые часовщики, например Джон Арнольд , использовали золото, что позволяет избежать проблемы коррозии, но сохраняет проблему постепенного ослабления. Закаленная и отпущенная сталь была впервые использована Джоном Харрисоном и впоследствии оставалась предпочтительным материалом вплоть до 20-го века.

В 1833 году Э. Дж. Дент (изготовитель Больших часов парламента ) экспериментировал со стеклянной пружиной баланса. Она была гораздо менее подвержена воздействию тепла, чем сталь, что снижало требуемую компенсацию, а также не ржавела. Другие испытания со стеклянными пружинами показали, что их было сложно и дорого изготавливать, и они страдали от широко распространенного восприятия хрупкости, которое сохранялось до времени стекловолокна и волоконно-оптических материалов. ^[8] Волосковые пружины, изготовленные из травленого кремния, были введены в конце 20-го века и не подвержены намагничиванию. ^[9]

Влияние температуры

Модуль упругости материалов зависит от температуры. Для большинства материалов этот температурный коэффициент достаточно велик, чтобы изменения температуры существенно влияли на ход балансира и пружины баланса. Первые производители часов с пружинами баланса, такие как Гук и Гюйгенс, наблюдали этот эффект, но не нашли для него решения.

Харрисон, в ходе разработки морского хронометра, решил проблему с помощью «компенсационного острия» — по сути, биметаллического термометра , который регулировал эффективную длину пружины баланса в зависимости от температуры. Хотя эта схема работала достаточно хорошо, чтобы позволить Харрисону соответствовать стандартам, установленным Законом о долготе , она не получила широкого распространения.

Около 1765 года Пьер Ле Рой (сын Жюльена Ле Рой ) изобрел компенсационный баланс, который стал стандартным подходом для температурной компенсации в часах и хронометрах. При этом подходе форма баланса изменяется или корректирующие грузы перемещаются по спицам или ободу баланса с помощью чувствительного к температуре механизма. Это изменяет момент инерции балансового колеса, и изменение регулируется таким образом, чтобы компенсировать изменение модуля упругости пружины баланса. Конструкция компенсационного баланса Томаса Эрншоу , которая состоит просто из балансового колеса с биметаллическим ободом, стала стандартным решением для температурной компенсации.

Элинвар

Хотя компенсирующий баланс был эффективен как способ компенсации влияния температуры на пружину баланса, он не мог обеспечить полное решение. Базовая конструкция страдает от «средней температурной ошибки»: если компенсация настроена так, чтобы быть точной при экстремальных температурах, то она будет немного неточной при температурах между этими экстремальными значениями. Различные механизмы «вспомогательной компенсации» были разработаны, чтобы избежать этого, но все они страдают от сложности и трудности в настройке.

Около 1900 года Шарль Эдуард Гийом , изобретатель элинвара , создал принципиально иное решение . Это сплав никеля и стали, обладающий свойством, что модуль упругости практически не зависит от температуры. Часы, оснащенные пружиной баланса из элинвара, либо не требуют никакой температурной компенсации вообще, либо требуют очень малой. Это упрощает механизм, а также означает, что средняя температурная погрешность также устраняется или, как минимум, резко уменьшается.

Изохронизм

Пружина баланса подчиняется закону Гука : восстанавливающий момент пропорционален угловому смещению. Когда это свойство точно выполняется, пружина баланса называется изохронной , а период колебания не зависит от амплитуды колебания. Это важное свойство для точного измерения времени, поскольку ни один механический привод не может обеспечить абсолютно постоянную движущую силу. Это особенно верно в часах и переносных часах, которые приводятся в действие главной пружиной, которая обеспечивает уменьшающуюся движущую силу по мере ее раскручивания. Другой причиной изменения движущей силы является трение, которое изменяется по мере старения смазочного масла.

Ранние часовщики эмпирически находили подходы, позволяющие сделать пружины баланса изохронными. Например, Арнольд в 1776 году запатентовал винтовую (цилиндрическую) форму пружины баланса, в которой концы пружины были закручены внутрь. В 1861 году М. Филлипс опубликовал теоретическую трактовку проблемы. ^[10] Он продемонстрировал, что пружина баланса, центр тяжести которой совпадает с осью балансирного колеса, является изохронной.

В общей практике наиболее распространенным методом достижения изохронности является использование перевёрнутой спирали Бреге, которая помещает часть самого внешнего витка волосковой спирали в другую плоскость, чем остальная часть пружины. Это позволяет витку волосковой спирали расширяться и сжиматься более равномерно и симметрично при вращении балансира. Существуют два типа перевёрнутых спирали — постепенная перевёрнутая спирали и Z-образный изгиб. Постепенная перевёрнутая спирали получается путём наложения двух постепенных поворотов на волосковую спирали, образуя подъём ко второй плоскости на половине окружности. Z-образный изгиб делает это путём наложения двух перегибов с дополнительными углами в 45 градусов, достигая подъёма ко второй плоскости примерно на три высоты секции пружины. Второй метод применяется из эстетических соображений и гораздо сложнее в исполнении. Из-за сложности формирования внешней спирали в современных часах часто используется немного менее эффективный «изгиб», который представляет собой ряд резких изгибов (в плоскости), чтобы отвести часть внешней спирали от остальной части пружины.

Период колебания

Пружина баланса и колесо баланса (которое обычно называют просто балансом ) образуют гармонический осциллятор . Пружина баланса обеспечивает восстанавливающий крутящий момент , который ограничивает и обращает движение баланса, так что он колеблется вперед и назад. Его резонансный период делает его устойчивым к изменениям от возмущающих сил, что делает его хорошим устройством для измерения времени. Жесткость пружины, ее коэффициент пружины, в Н·м/радиан^2, вместе с моментом инерции колеса баланса , в кг·м ^{2 , определяют} период колебания колеса . Уравнения движения для баланса выводятся из угловой формы закона Гука и угловой формы второго закона Ньютона: ${\displaystyle \kappa \,}$ ${\displaystyle I\,}$ ${\displaystyle T\,}$ $${\displaystyle \tau =-\kappa \theta =I\alpha \,\ .}$$

${\displaystyle \alpha \,}$— угловое ускорение, . Следующее дифференциальное уравнение для движения колеса получается путем перестановки приведенного выше уравнения: ${\displaystyle d^{2}\theta \,/dt^{2}}$ $${\displaystyle {\frac {d^{2}\theta }{dt^{2}}}+{\frac {\kappa }{I}}\theta =0\,}$$

Решением этого уравнения движения для баланса является простое гармоническое движение , т. е. синусоидальное движение постоянного периода: $${\displaystyle \theta (t)=A\cos \left({\sqrt {\frac {\kappa }{I}}}t\right)+B\sin \left({\sqrt {\frac {\kappa }{I}}}t\right)\,}$$

Таким образом, из приведенных выше результатов можно вывести следующее уравнение периодичности колебаний: Этот период контролирует ход часов. $${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {I}{\kappa }}}\,}$$

Смотрите также

• История приборов для измерения времени

Ссылки

1. "Skeleton Clock with chronometer escapement - Herschel". YouTube . 10 апреля 2009 г. Архивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. Получено 15 мая 2010 г.
2. AR Hall, «Часовое дело и критика: Роберт Гук», Studia Copernicana, XVI, Ossolineum , 1978, 261–281.
3. Гулд, Руперт Т. (1923). Морской хронометр. Его история и развитие . Лондон: JD Potter. С. 158–171. ISBN 0-907462-05-7.
4. Милхэм, Уиллис И. (1945). Время и хранители времени . Нью-Йорк: MacMillan. С. 226. ISBN 0-7808-0008-7.
5. "Революция в хронометрировании". Прогулка по времени . Национальный институт стандартов и технологий . 2004. Архивировано из оригинала 2022-10-13 . Получено 2022-10-13 .
6. Манди, Оливер. «Регулятор». Краткий словарь технических терминов . The Watch Cabinet. Архивировано из оригинала 2008-03-05 . Получено 2008-05-14 .
7. Манди, Оливер. "Регулятор Босли". Краткий словарь технических терминов . Архивировано из оригинала 29-06-2009.
8. «Морской хронометр, его история и развитие» Р. Т. Гулда. Страница 161.
9. «Антимагнитность или провал? Углубленный взгляд на развитие кремния в часовом деле». 10 августа 2019 г. Архивировано из оригинала 5 июня 2020 г. Получено 30 июля 2020 г.
10. М. Филлипс, «Sur le Spiral Reglant», Париж, 1861 г.