Спусковой механизм — это механическое соединение в механических часах , которое подает импульсы на элемент хронометража и периодически отпускает зубчатую передачу для движения вперед, продвигая стрелки часов. Импульсное действие передает энергию элементу хронометража часов (обычно маятнику или балансировочному колесу ), чтобы возместить энергию, потерянную на трение во время его цикла, и поддерживать колебание хронометра. Спусковой механизм приводится в действие силой от спиральной пружины или подвешенного груза, передаваемой через зубчатую передачу часов. Каждое колебание маятника или балансировочного колеса освобождает зуб спускового колеса спуска , позволяя зубчатой передаче часов продвигаться или «сбегать» на фиксированную величину. Это регулярное периодическое продвижение перемещает стрелки часов вперед с постоянной скоростью. В то же время зуб толкает элемент хронометража, прежде чем другой зуб зацепится за поддон спуска, возвращая спусковой механизм в его «заблокированное» состояние. Внезапная остановка зубца спускового механизма создает характерный «тикающий» звук, который можно услышать при работе механических часов.
Первый механический спусковой механизм, спусковой механизм с верге , был изобретен в средневековой Европе в XIII веке и стал решающим нововведением, которое привело к развитию механических часов. Конструкция спуска оказывает большое влияние на точность часов, и усовершенствования в конструкции спуска привели к улучшению измерения времени в эпоху механического измерения времени с XIII по XIX век.
Спусковые механизмы также используются в других механизмах, помимо часов. Ручные пишущие машинки использовали спусковые механизмы для шага каретки при наборе каждой буквы (или пробела). Исторически спусковые механизмы с жидкостным приводом использовались для дизайна умывальника в Древней Греции и эллинистическом мире , особенно в Египте Птолемея , в то время как спусковые механизмы с жидкостным приводом применялись в часовых механизмах, начиная с династии Тан в Китае и достигнув кульминации во время династии Сун .
Важность спускового механизма в истории технологий заключается в том, что он стал ключевым изобретением, сделавшим возможным создание полностью механических часов . [1] [2] Изобретение первого полностью механического спускового механизма, спускового механизма с конической головкой , в Европе XIII века положило начало изменению методов измерения времени с непрерывных процессов, таких как поток воды в водяных часах , на повторяющиеся колебательные процессы, такие как качание маятников , которые могли быть более точными. [2] Осциллирующие хронометры являются контролирующими устройствами во всех современных часах.
Самый ранний спусковой механизм с жидкостным приводом был описан греческим инженером Филоном Византийским (III в. до н. э.) в его техническом трактате «Пневматика» (глава 31) как часть умывальника . [ 3] Ложка с противовесом, питаемая резервуаром с водой, опрокидывается в тазу, когда она полна, выпуская при этом сферический кусок пемзы . После того, как ложка опустошается, ее снова поднимает противовес, закрывая дверцу на пемзе натягивающейся веревкой. Примечательно, что комментарий Филона о том, что «ее конструкция похожа на конструкцию часов», указывает на то, что такие механизмы спуска уже были встроены в древние водяные часы. [3]
В Китае буддийский монах династии Тан И Син вместе с правительственным чиновником Лян Линзанем изготовили спусковой механизм в 723 (или 725) году для работы армиллярной сферы и часового привода , работающего на воде , что стало первым в мире часовым механизмом. [4] [5] Часовщики династии Сун (960–1279) Чжан Сысунь (ок. конца X века) и Су Сун (1020–1101) надлежащим образом применяли спусковые устройства для своих астрономических часовых башен , [6] прежде чем технология пришла в упадок и пришла в упадок. По словам историка Дерека Дж. де Соллы Прайса , китайский спусковой механизм распространился на запад и стал источником западной технологии спуска. [7] По словам Ахмада И. Хассана , ртутный спусковой механизм в испанской работе для Альфонсо X в 1277 году можно проследить до более ранних арабских источников. [8] [ ненадежный источник? ] Знания об этих ртутных спусковых механизмах могли распространиться по Европе с переводами арабских и испанских текстов. [8] [9]
Однако ни один из них не был настоящим механическим спусковым механизмом, поскольку они все еще зависели от потока жидкости через отверстие для измерения времени. Например, в часах Су Сонга вода текла в контейнер на шарнире. Роль спускового механизма заключалась в том, чтобы опрокидывать контейнер каждый раз, когда он заполнялся, тем самым продвигая колеса часов каждый раз, когда отмерялось равное количество воды. Время между спусками зависело от скорости потока, как и во всех жидкостных часах. Скорость потока жидкости через отверстие меняется в зависимости от изменения температуры и вязкости и уменьшается с давлением, когда уровень жидкости в исходном контейнере падает. Развитие механических часов зависело от изобретения спускового механизма, который позволял бы управлять движением часов с помощью колеблющегося груза.
Первый механический спусковой механизм, спусковой механизм с вертлюгом , использовался в колокольном звоне, называемом аларумом, в течение нескольких столетий, прежде чем был адаптирован для часов. [10] В Европе XIV века он появился как хронометрист в первых механических часах, которые были большими башенными часами [11] (хотя некоторые источники утверждают, что французский архитектор Виллар де Оннекур изобрел первый спусковой механизм около 1237 года из-за рисунка в его записных книжках канатной связи, чтобы поворачивать статую ангела, следуя за солнцем, [12] консенсус заключается в том, что это не был спусковой механизм. [13] [14] [15] [16] [17] [18] ) Его происхождение и первое использование неизвестны, поскольку трудно отличить, какие из этих ранних башенных часов были механическими, а какие — водяными . [19] Однако косвенные доказательства, такие как внезапное увеличение стоимости и конструкции часов, указывают на конец XIII века как на наиболее вероятную дату разработки современного часового спуска. [11] Астроном Роберт Англикус писал в 1271 году, что часовщики пытались изобрести спусковой механизм, но пока не преуспели. [20] С другой стороны, большинство источников сходятся во мнении, что механические часы спускового механизма существовали к 1300 году. [21] [22] [11]
На самом деле, самое раннее описание спускового механизма в рукописи Ричарда Уоллингфорда 1327 года Tractatus Horologii Astronomici о часах, которые он построил в аббатстве Сент-Олбанс , было не гранью, а разновидностью, называемой стробоскопическим спусковым механизмом. [23] [24] [11] Он состоял из пары спусковых колес на одной оси с чередующимися радиальными зубцами. Стержень грани был подвешен между ними, с короткой перемычкой, которая вращалась сначала в одном направлении, а затем в другом, когда ступенчатые зубцы проталкивались мимо. Хотя других примеров не известно, возможно, что это была первая конструкция часового спускового механизма. [23]
Однако, верж был стандартным спусковым механизмом, который использовался во всех других ранних часах и часах, и оставался единственным спусковым механизмом в течение 400 лет. Его трение и отдача ограничивали его производительность, но точность этих вержевых и фолиевых часов была еще более ограничена их ранними балансовыми колесами фолиевого типа , которые из-за отсутствия пружины баланса не имели естественного «биения», поэтому не было особого стимула улучшать спусковой механизм.
Большой скачок в точности, произошедший в результате изобретения маятника и балансировочной пружины около 1657 года, которые сделали элементы измерения времени как в часах, так и в часах гармоническими осцилляторами , сосредоточил внимание на ошибках спуска, и более точные спуски вскоре вытеснили грань. Следующие два столетия, «золотой век» механического часового дела , увидели изобретение, возможно, 300 конструкций спуска, хотя только около 10 выдержали испытание временем и широко использовались в часах. [25] Они описаны по отдельности ниже.
Изобретение в 1920-х годах кварцевого генератора и кварцевых часов , которые к 1930-м годам стали самыми точными часами, переместило технологические исследования в области хронометража в сторону электронных методов, и конструкция спускового механизма перестала играть роль в повышении точности хронометража.
Надежность спуска зависит от качества изготовления и уровня обслуживания. Плохо сконструированный или плохо обслуживаемый спуск может вызвать проблемы. Спуск должен точно преобразовывать колебания маятника или балансирного колеса во вращение часовой или часовой зубчатой передачи, а также должен передавать достаточно энергии маятнику или балансирному колесу для поддержания его колебаний.
Во многих спусковых механизмах разблокировка спуска включает скользящее движение; например, в анимации, показанной выше, поддоны анкера скользят по зубцам колеса спуска, когда маятник качается. Поддоны часто изготавливаются из очень твердых материалов, таких как полированный камень (например, искусственный рубин), но даже в этом случае они обычно требуют смазки. Поскольку смазочное масло со временем ухудшается из-за испарения, пыли, окисления и т. д., необходима периодическая повторная смазка. Если этого не делать, часы могут работать ненадежно или вообще остановиться, а компоненты спуска могут подвергаться быстрому износу. Повышенная надежность современных часов обусловлена в первую очередь более качественными маслами, используемыми для смазки. Срок службы смазки может превышать пять лет в высококачественных часах.
В некоторых спусковых механизмах трение скольжения исключено; примерами служат спусковые механизмы «кузнечик» Джона Гаррисона, созданные в XVIII веке. Это позволяет избежать необходимости смазки спускового механизма (хотя это не устраняет необходимость смазки других частей зубчатой передачи).
Точность механических часов зависит от точности устройства отсчета времени. Если это маятник, то период качания маятника определяет точность. Если стержень маятника сделан из металла, он будет расширяться и сжиматься под воздействием тепла, удлиняя или укорачивая маятник; это изменяет время, необходимое для качания. В дорогих маятниковых часах используются специальные сплавы, чтобы минимизировать это искажение. Градусы дуги, по которым маятник может качаться, различаются; высокоточные маятниковые часы имеют очень маленькие дуги, чтобы минимизировать круговую погрешность .
Маятниковые часы могут достигать выдающейся точности. Даже в 20 веке маятниковые часы были эталонными часами в лабораториях.
Спусковые механизмы также играют большую роль в точности. Точная точка движения маятника, в которой подается импульс, будет влиять на то, насколько точно по времени маятник будет качаться. В идеале импульс должен быть равномерно распределен по обе стороны от самой низкой точки качания маятника. Это называется «быть в ритме». Это происходит потому, что толкание маятника, когда он движется к середине качания, заставляет его набирать обороты, тогда как толкание его, когда он движется от середины качания, заставляет его терять обороты. Если импульс распределен равномерно, то он дает энергию маятнику, не изменяя время его качания. [26]
Период маятника немного зависит от размера колебания. Если амплитуда изменяется с 4° до 3°, период маятника уменьшится примерно на 0,013 процента, что соответствует приросту примерно на 12 секунд в день. Это вызвано тем, что восстанавливающая сила на маятнике является круговой, а не линейной; таким образом, период маятника лишь приблизительно линейен в режиме приближения малого угла . Чтобы быть независимым от времени, траектория должна быть циклоидальной . Чтобы минимизировать эффект с амплитудой, колебания маятника поддерживаются как можно меньшими.
Как правило, каким бы ни был метод импульса, действие спуска должно иметь наименьшее воздействие на осциллятор, которое может быть достигнуто, будь то маятник или баланс в часах. Этот эффект, который все спуски имеют в большей или меньшей степени, известен как ошибка спуска .
Любой спусковой механизм с трением скольжения будет нуждаться в смазке, но по мере его ухудшения трение будет увеличиваться, и, возможно, на устройство отсчета времени будет передаваться недостаточная мощность. Если устройство отсчета времени представляет собой маятник, возросшие силы трения уменьшат фактор Q , увеличивая резонансную полосу и уменьшая его точность. Для часов с пружинным приводом импульсная сила, прикладываемая пружиной, изменяется по мере того, как пружина раскручивается, следуя закону Гука . Для часов с гравитационным приводом импульсная сила также увеличивается по мере того, как движущий груз падает, и больше цепи подвешивает груз к зубчатой передаче; на практике, однако, этот эффект наблюдается только в больших общественных часах, и его можно избежать с помощью замкнутой цепи.
Часы и часы меньшего размера не используют маятники в качестве устройства отсчета времени. Вместо этого они используют пружину баланса : тонкую пружину, соединенную с металлическим балансовым колесом, которое колеблется (вращается вперед и назад). Большинство современных механических часов имеют рабочую частоту 3–4 Гц (колебаний в секунду) или 6–8 ударов в секунду (21 600–28 800 ударов в час; bph). В некоторых часах используются более высокие или низкие скорости (33 600 bph или 19 800 bph). Рабочая частота зависит от жесткости пружины баланса ( постоянной пружины ); чтобы отсчитывать время, жесткость не должна меняться в зависимости от температуры. Следовательно, пружины баланса используют сложные сплавы; в этой области часовое дело все еще развивается. Как и в случае с маятником, спусковой механизм должен обеспечивать небольшой толчок каждый цикл, чтобы поддерживать колебание балансового колеса. Кроме того, со временем возникает та же проблема со смазкой; часы теряют точность (обычно они ускоряются), когда смазка спускового механизма начинает выходить из строя. [ необходима цитата ]
Карманные часы были предшественниками современных наручных часов. Карманные часы, находясь в кармане, обычно находились в вертикальной ориентации. Гравитация приводит к некоторой потере точности, поскольку со временем она усиливает любую несимметрию в весе баланса. Турбийон был изобретен, чтобы минимизировать это: баланс и пружина помещены в клетку, которая вращается (обычно, но не обязательно, один раз в минуту), сглаживая гравитационные искажения. Этот очень умный и сложный часовой механизм является ценным усложнением в наручных часах, хотя естественное движение владельца в любом случае имеет тенденцию сглаживать гравитационные воздействия.
Самыми точными коммерчески производимыми механическими часами были электромеханические часы Shortt-Synchronome со свободным маятником, изобретенные WH Shortt в 1921 году, которые имели погрешность около 1 секунды в год. [27] [28] Самыми точными механическими часами на сегодняшний день, вероятно, являются электромеханические часы Littlemore, построенные известным археологом ET Hall в 1990-х годах. В статье Холла [29] он сообщает о погрешности в 3 части в 10 9 , измеренной в течение 100 дней (погрешность около 0,02 секунды за этот период). Оба эти часа являются электромеханическими : они используют маятник в качестве элемента хронометража, но для подачи энергии на маятник используется электрическая энергия, а не механическая зубчатая передача.
С 1658 года, когда введение маятника и балансировочной пружины сделало возможным создание точных часов, было подсчитано, что было изобретено более трехсот различных механических спусковых механизмов, но только около 10 нашли широкое применение. [30] Они описаны ниже. В 20 веке электрические методы измерения времени заменили механические часы, поэтому конструкция спускового механизма стала малоизвестной диковинкой.
Самый ранний механический спусковой механизм, датируемый примерно 1275 годом [ требуется ссылка ], был спусковым механизмом с гребнем , также известным как спусковой механизм с корончатым колесом. Он использовался в первых механических часах и изначально контролировался фолиотом , горизонтальной планкой с грузами на обоих концах. Спусковой механизм состоит из спускового колеса, имеющего форму короны, с заостренными зубцами, торчащими аксиально из стороны, ориентированными горизонтально. Перед корончатым колесом находится вертикальный вал, прикрепленный к фолиоту сверху, который несет две металлические пластины (поддоны), торчащие как флаги из флагштока, ориентированные примерно на девяносто градусов друг от друга, так что только один зацепляет зубцы корончатого колеса за раз. Когда колесо вращается, один зуб толкает верхний поддон, вращая вал и прикрепленный фолиотом. Когда зуб толкает верхний поддон, нижний поддон качается на пути зубцов с другой стороны колеса. Зуб зацепляется за нижний поддон, вращая вал обратно в другую сторону, и цикл повторяется. Недостатком спуска было то, что каждый раз, когда зубец приземлялся на поддон, импульс фолиота толкал коронное колесо назад на небольшое расстояние, прежде чем сила колеса обращала движение вспять. Это называлось « откатом » и было источником износа и неточности.
Верге был единственным спусковым механизмом, который использовался в часах и наручных часах в течение 350 лет. В часах и наручных часах с пружинным приводом требовалась фузея для выравнивания силы главной пружины . Он использовался в первых маятниковых часах в течение примерно 50 лет после изобретения маятниковых часов в 1656 году. В маятниковых часах коронное колесо и рейка были ориентированы так, чтобы они были горизонтальными, а маятник подвешивался к рейке. Однако верге является самым неточным из обычных спусковых механизмов, и после того, как маятник был представлен в 1650-х годах, верге начали заменять другими спусковыми механизмами, отказавшись от них только к концу 1800-х годов. К этому времени мода на тонкие часы потребовала, чтобы спусковое колесо было сделано очень маленьким, что усиливало эффекты износа, и когда часы этого периода заводят сегодня, они часто будут работать очень быстро, прибавляя много часов в день.
Йост Бюрги изобрел спусковой механизм с крестообразным биением в 1584 году, разновидность спускового механизма с верге, который имел два фолиота, вращавшихся в противоположных направлениях. [31] Согласно современным свидетельствам, его часы достигли замечательной точности в пределах минуты в день, [31] на два порядка лучше, чем другие часы того времени. Однако это улучшение, вероятно, было связано не с самим спусковым механизмом, а скорее с лучшим мастерством и изобретением им ремонтуара , устройства, которое изолировало спусковой механизм от изменений движущей силы. [31] Без пружины баланса с крестообразным биением было бы не более изохронным, чем с верге. [31]
Спусковой механизм Галилея — конструкция часового спуска, изобретенная около 1637 года итальянским ученым Галилео Галилеем (1564 - 1642). Это была самая ранняя конструкция маятниковых часов . Поскольку к тому времени он уже ослеп, Галилей описал устройство своему сыну , который нарисовал его эскиз. Сын начал строительство прототипа, но и он, и Галилей умерли до того, как он был завершен.
Изобретенный около 1657 года Робертом Гуком , якорь (см. анимацию справа) быстро вытеснил верж, став стандартным спусковым механизмом, использовавшимся в маятниковых часах вплоть до 19 века. Его преимущество состояло в том, что он уменьшал широкие углы качания маятника вержа до 3–6°, делая маятник почти изохронным и позволяя использовать более длинные, более медленно движущиеся маятники, которые потребляли меньше энергии. Якорь отвечает за длинную узкую форму большинства маятниковых часов и за разработку дедушкиных часов , первых якорных часов, которые продавались на коммерческой основе, которые были изобретены около 1680 года Уильямом Клементом, который оспаривал заслугу за спусковой механизм с Гуком. Спусковой механизм увеличил точность маятниковых часов до такой степени, что минутная стрелка была добавлена на циферблат в конце 1600-х годов (до этого часы имели только часовую стрелку).
Якорь состоит из спускового колеса с острыми, наклоненными назад зубцами и детали в форме «якоря», вращающейся над ним, которая качается из стороны в сторону, связанной с маятником. Якорь имеет наклонные поддоны на рычагах, которые поочередно цепляются за зубцы спускового колеса, получая импульсы. Работа механически похожа на спусковой механизм с вертлюгом, и у него есть два недостатка спускового механизма с вертлюгом: (1) маятник постоянно толкается зубом спускового колеса на протяжении всего своего цикла и никогда не может свободно качаться, что нарушает его изохронность, и (2) это возвратный спуск; якорь толкает спусковое колесо назад во время части своего цикла. Это вызывает люфт , повышенный износ шестерен часов и неточность. Эти проблемы были устранены в спусковом механизме с апериодическим ходом , который медленно заменил якорь в точных часах.
Спуск Грэхема или асинхронный спуск был усовершенствованием анкерного спуска, впервые созданного Томасом Томпионом по проекту Ричарда Таунли в 1675 году [33] [34] [35], хотя его часто приписывают преемнику Томпиона Джорджу Грэхему , который популяризировал его в 1715 году. [36] В анкерном спуске качание маятника толкает спусковое колесо назад во время части его цикла. Эта «отдача» нарушает движение маятника, вызывая неточность, и меняет направление зубчатой передачи, вызывая люфт и внося высокие нагрузки в систему, что приводит к трению и износу. Главное преимущество асинхронного спуска заключается в том, что он устраняет отдачу. [10]
В случае апериодического хода поддоны имеют вторую изогнутую «запирающую» поверхность, концентрическую вокруг оси, на которой вращается якорь. Во время крайних положений маятника зуб спускового колеса упирается в эту запирающую поверхность, не передавая импульса маятнику, что предотвращает откат. В нижней части маятника зуб соскальзывает с запирающей поверхности на наклонную «импульсную» поверхность, давая маятнику толчок, прежде чем поддон отпустит зуб. Апериодический ход впервые был использован в прецизионных регуляторных часах, но из-за своей большей точности вытеснил якорь в 19 веке. Он используется почти во всех современных маятниковых часах [26], за исключением башенных часов, в которых часто используются гравитационные спуски.
Изобретенная около 1741 года Луи Аманом, эта версия апериодического спуска может быть сделана довольно прочной. Вместо использования зубцов, спусковое колесо имеет круглые штифты, которые останавливаются и освобождаются ножницеобразным анкером. Этот спуск, который также называется спуском Амана или (в Германии) спуском Маннхардта , довольно часто используется в башенных часах. [ необходима цитата ]
Спусковой механизм с фиксатором или хронометром использовался в морских хронометрах , хотя некоторые точные часы в течение 18-го и 19-го веков также использовали его. [37] Он считался самым точным из спусковых механизмов с балансирным колесом до начала 20-го века, когда хронометры с рычажным спуском начали превосходить их в конкуренции. [38] Ранняя форма была изобретена Пьером Леруа в 1748 году, который создал тип спуска с поворотным фиксатором, хотя это было теоретически несовершенно. [39] [40] [41] Первая эффективная конструкция спускового механизма с фиксатором была изобретена Джоном Арнольдом около 1775 года, но с фиксатором, поворачивающимся. Этот спусковой механизм был модифицирован Томасом Эрншоу в 1780 году и запатентован Райтом (на которого он работал) в 1783 году; однако, как изображено в патенте, он был неработоспособен. Арнольд также спроектировал пружинный стопорный спусковой механизм, но, с улучшенной конструкцией, версия Эрншоу в конечном итоге возобладала, поскольку основная идея претерпела несколько незначительных изменений в течение последнего десятилетия XVIII века. Окончательная форма появилась около 1800 года, и эта конструкция использовалась до тех пор, пока механические хронометры не устарели в 1970-х годах.
Фиксатор представляет собой отсоединённый спусковой механизм; он позволяет балансировочному колесу качаться без помех в течение большей части его цикла, за исключением короткого периода импульса, который дается только один раз за цикл (каждый второй качание). [39] Поскольку зуб ведущего спускового колеса движется почти параллельно паллете, спусковой механизм имеет малое трение и не нуждается в смазке. По этим причинам, среди прочих, фиксатор считался самым точным спусковым механизмом для часов с балансировочным колесом. [42] Джон Арнольд был первым, кто использовал стопорный спусковой механизм с пружиной баланса с перекручивающейся спиралью (запатентовано в 1782 году), и с этим усовершенствованием его часы стали первыми по-настоящему точными карманными хронометрами, сохраняющими время с точностью до 1 или 2 секунд в день. Они производились с 1783 года.
Однако спусковой механизм имел недостатки, которые ограничивали его применение в часах: он был хрупким и требовал квалифицированного обслуживания; он не был самозаводящимся, поэтому если часы вибрировали во время использования и баланс останавливался, они не заводились снова; и его было сложнее производить в больших объемах. Поэтому самозаводящийся рычажный спусковой механизм стал доминирующим в часах.
Горизонтальный или цилиндрический спуск, изобретенный Томасом Томпионом в 1695 году [43] и усовершенствованный Джорджем Грэхемом в 1726 году [44], был одним из спусков, которые заменили спусковой механизм с вергеем в карманных часах после 1700 года. Главной его привлекательностью было то, что он был намного тоньше, чем с вергеем, что позволяло делать часы модно тонкими. Часовщики обнаружили, что он страдает от чрезмерного износа, поэтому он нечасто использовался в 18 веке, за исключением нескольких часов высокого класса с цилиндрами, сделанными из рубина . Французы решили эту проблему, сделав цилиндр и колесо спуска из закаленной стали, [43] и спусковой механизм использовался в больших количествах в недорогих французских и швейцарских карманных часах и небольших часах с середины 19-го по 20-й век.
Вместо паллет спусковой механизм использует разрезной цилиндр на валу балансира, в который зубцы спуска входят один за другим. [43] [44] Каждый клиновидный зубец импульсирует балансир, надавливая на край цилиндра, когда он входит, удерживается внутри цилиндра, когда он поворачивается, и снова импульсирует колесо, когда оно выходит с другой стороны. Колесо обычно имело 15 зубцов и импульсировало баланс под углом от 20° до 40° в каждом направлении. [43] Это фрикционный спусковой механизм с зубцами, находящимися в контакте с цилиндром в течение всего цикла балансира, и поэтому он не был таким точным, как «отдельные» спуски, такие как рычаг, а высокие силы трения вызывали чрезмерный износ и требовали более частой очистки. [44]
Дуплексный часовой спуск был изобретен Робертом Гуком около 1700 года, усовершенствован Жаном Батистом Дютертром и Пьером Ле Руа и окончательно оформлен Томасом Тайрером, который запатентовал его в 1782 году. [45] Ранние формы имели два спусковых колеса. Дуплексный спуск был сложен в изготовлении, но достигал гораздо более высокой точности, чем цилиндрический спуск, и мог сравниться с (ранним) рычажным спуском , а при тщательном изготовлении был почти таким же хорошим, как стопорный спуск. [45] [46] [47] Он использовался в качественных английских карманных часах примерно с 1790 по 1860 год, [48] [49] [50] и в Waterbury, дешевых американских часах «для всех», в 1880–1898 годах. [51] [52]
В дуплексе, как и в спусковом механизме хронометра, с которым он имеет сходство, балансир получает импульс только во время одного из двух колебаний в своем цикле. [48] Спусковое колесо имеет два набора зубцов (отсюда и название «дуплекс»); длинные фиксирующие зубцы выступают со стороны колеса, а короткие импульсные зубцы торчат аксиально сверху. Цикл начинается с фиксирующего зубца, упирающегося в рубиновый диск. Когда балансир качается против часовой стрелки через свое центральное положение, выемка в рубиновом диске освобождает зуб. Когда спусковое колесо поворачивается, паллета находится как раз в правильном положении, чтобы получить толчок от импульсного зубца. Затем следующий фиксирующий зубец падает на рубиновый ролик и остается там, пока балансир завершает свой цикл и качается обратно по часовой стрелке (CW), и процесс повторяется. Во время колебания CW импульсный зубец снова на мгновение падает в выемку рубинового ролика, но не освобождается.
Дуплекс технически является фрикционным спусковым механизмом; зуб, упирающийся в ролик, добавляет некоторое трение балансовому колесу во время его качания [48] [53], но оно очень минимально. Как и в хронометре, во время импульса трение скольжения незначительно, поскольку паллета и импульсный зуб движутся почти параллельно, поэтому требуется мало смазки. [54] Однако он уступил предпочтение рычагу; его жесткие допуски и чувствительность к ударам сделали дуплексные часы непригодными для активных людей. Как и хронометр, он не является самозапускающимся и уязвим для «настройки»; если внезапный толчок останавливает баланс во время его качания по часовой стрелке, он не может снова начать работу.
Рычажный спуск , изобретенный Томасом Маджем в 1750 году, использовался в подавляющем большинстве часов с 19 века. Его преимущества: (1) это «отдельный» спуск; в отличие от цилиндрических или дуплексных спусков балансовое колесо контактирует с рычагом только в течение короткого импульсного периода, когда он качается через свое центральное положение и свободно качается в течение остальной части своего цикла, увеличивая точность, и (2) это самозапускающийся спуск, поэтому, если часы потрясти так, что балансовое колесо остановится, они автоматически запустятся снова. Первоначальной формой был реечный рычаговый спуск, в котором рычаг и балансовое колесо всегда находились в контакте через зубчатую рейку на рычаге. Позже было обнаружено, что все зубцы с шестерен можно снять, кроме одного, и это создало отсоединенный рычаговый спуск. Британские часовщики использовали английский отсоединенный рычаг, в котором рычаг находился под прямым углом к балансовому колесу. Позже швейцарские и американские производители использовали линейный рычаг, в котором рычаг находился на одной линии между балансовым колесом и спусковым колесом; эта форма используется в современных часах. В 1798 году Луи Перрон изобрел недорогую, менее точную форму, называемую штифтовым спусковым механизмом , который использовался в дешевых « долларовых часах » в начале 20-го века и до сих пор используется в дешевых будильниках и кухонных таймерах. [55]
Редким, но интересным механическим спусковым механизмом является спусковой механизм «кузнечик » Джона Харрисона, изобретенный в 1722 году. В этом спусковом механизме маятник приводится в движение двумя шарнирными рычагами (поддонами). Когда маятник качается, конец одного рычага зацепляется за спусковое колесо и слегка отводит его назад; это освобождает другой рычаг, который отходит в сторону, чтобы позволить спусковому колесу пройти. Когда маятник снова качается назад, другой рычаг зацепляется за колесо, толкает его назад и освобождает первый рычаг и так далее. Спусковой механизм «кузнечик» использовался в очень немногих часах со времен Харрисона. Спусковые механизмы «кузнечик», изготовленные Харрисоном в 18 веке, все еще работают. Большинство спусковых механизмов изнашиваются гораздо быстрее и тратят гораздо больше энергии. Однако, как и другие ранние спусковые механизмы, «кузнечик» импульсивно воздействует на маятник на протяжении всего его цикла; ему никогда не позволяют свободно качаться, что приводит к ошибке из-за изменений в силе привода, [56] и часовщики 19-го века сочли его неконкурентоспособным по сравнению с более отсоединенными спусковыми механизмами, такими как апериодический. [57] [56] Тем не менее, при достаточной тщательности в конструкции он способен на точность. Современные экспериментальные часы-кузнечик, часы Burgess B, имели измеренную погрешность всего 5 ⁄ 8 секунды в течение 100 рабочих дней. [58] После двух лет эксплуатации они имели погрешность всего ±0,5 секунды после барометрической коррекции. [59] [60]
Гравитационный спуск использует небольшой груз или слабую пружину, чтобы дать импульс непосредственно маятнику. Самая ранняя форма состояла из двух рычагов, которые были повернуты очень близко к пружине подвески маятника с одним рычагом с каждой стороны маятника. Каждый рычаг нес небольшую апериодическую паллету с наклонной плоскостью, ведущей к ней. Когда маятник поднимал один рычаг достаточно высоко, его паллета освобождала спусковое колесо. Почти сразу же другой зуб на спусковом колесе начинал скользить вверх по наклонной поверхности на другом рычаге, тем самым поднимая рычаг. Он достигал паллеты и останавливался. Другой рычаг тем временем все еще находился в контакте с маятником и снова опускался в точку ниже, чем он начал. Это опускание рычага давало импульс маятнику. Конструкция постоянно развивалась с середины 18-го века до середины 19-го века. В конечном итоге он стал предпочтительным спусковым механизмом для башенных часов , поскольку их колесные передачи подвергаются большим изменениям движущей силы, вызванным большими внешними стрелками с их переменными ветровыми, снеговыми и ледяными нагрузками. Поскольку в гравитационном спусковом механизме движущая сила от колесной передачи сама по себе не приводит в движение маятник, а просто сбрасывает грузы, которые обеспечивают импульс, спусковой механизм не подвержен изменениям движущей силы.
«Двойной трехногий гравитационный спусковой механизм», показанный здесь, является формой спуска, впервые изобретенной адвокатом по имени Блоксэм и позднее усовершенствованной лордом Гримторпом . Это стандарт для всех точных часов «Башни».
На показанной здесь анимации два «гравитационных рычага» окрашены в синий и красный цвета. Два трехногих спусковых колеса также окрашены в синий и красный цвета. Они работают в двух параллельных плоскостях, так что синее колесо воздействует только на блокировочный блок на синем рычаге, а красное колесо воздействует только на красный рычаг. В реальном спусковом механизме эти удары вызывают громкие слышимые «тики», и они обозначены появлением * рядом с блокировочными блоками. Три черных подъемных штифта являются ключом к работе спускового механизма. Они заставляют утяжеленные гравитационные рычаги подниматься на величину, обозначенную парой параллельных линий на каждой стороне спускового механизма. Этот прирост потенциальной энергии представляет собой энергию, передаваемую маятнику в каждом цикле. Для часов Trinity College Cambridge масса около 50 граммов поднимается на 3 мм каждые 1,5 секунды, что составляет 1 мВт мощности. Движущая сила от падающего груза составляет около 12 мВт, поэтому для приведения в действие спускового механизма используется существенный избыток мощности. Большая часть этой энергии рассеивается при ускорении и замедлении фрикционной «мухи», прикрепленной к спусковым колесам.
Большие часы в башне Елизаветы в Вестминстере, которые звонят на лондонском Биг-Бене, используют двойной трехногий гравитационный спуск.
Изобретенный около 1974 года [61] и запатентованный в 1980 году [62] британским часовщиком Джорджем Дэниелсом , коаксиальный спуск является одним из немногих новых часовых спусков, принятых в коммерческую эксплуатацию в наше время.
Можно считать [ по мнению кого? ] что его отдаленное происхождение связано с спусковым механизмом, изобретенным Робертом Робином в 1792 году, который дает одиночный импульс в одном направлении; с блокировкой, достигаемой пассивными рычажными палетами, [63] конструкция коаксиального спуска больше похожа на конструкцию другого варианта Робина, спуска Фасольда, который был изобретен и запатентован американцем Чарльзом Фасольдом в 1859 году. [64] [65] [66] Оба спуска Робина и Фасольда дают импульс только в одном направлении.
Последний спусковой механизм имеет рычаг с неравными падениями; он зацепляется с двумя спусковыми колесами разного диаметра. Меньшее импульсное колесо воздействует на одиночную паллету на конце рычага, в то время как заостренные паллеты рычага блокируют большее колесо. Баланс зацепляется с рычагом и приводится им в движение через роликовый штифт и вилку рычага. Паллета рычага «анкер» блокирует большее колесо, и, когда оно разблокируется, паллета на конце рычага получает импульс от меньшего колеса через вилку рычага. Обратный ход «мертвый», при этом паллеты «анкер» служат только для блокировки и разблокировки, импульс подается в одном направлении через паллету одиночного рычага. Как и в случае с дуплексом, блокирующее колесо больше, чтобы уменьшить давление и, следовательно, трение.
Однако спусковой механизм Daniels достигает двойного импульса с пассивными рычажными паллетами, служащими только для блокировки и разблокировки большего колеса. С одной стороны, импульс подается посредством меньшего колеса, действующего на рычажный паллет через ролик и импульсный штифт. При возврате рычаг снова разблокирует большее колесо, которое подает импульс непосредственно на импульсный ролик на оси баланса.
Главное преимущество заключается в том, что это позволяет обоим импульсам возникать на центральной линии или вокруг нее, с расцепляющим трением в обоих направлениях. [ требуется ссылка ] Этот режим импульса в теории превосходит рычажный спуск, который имеет зацепляющее трение на входном поддоне. Долгое время это считалось мешающим влиянием на изохронность баланса. [67] [68]
Покупатели больше не покупают механические часы в первую очередь из-за их точности, поэтому производители были мало заинтересованы в инвестировании в необходимое оборудование, хотя, наконец, Omega приняла его в 1990 году. [68]
Поскольку точность намного выше, чем у любых механических часов, достижимая с недорогими кварцевыми часами , улучшенные конструкции спускового механизма больше не мотивируются практическими потребностями хронометража, а являются новинками на рынке часов высокого класса. В попытке привлечь внимание общественности в последние десятилетия некоторые производители механических часов высокого класса представили новые спусковые механизмы. Ни один из них не был принят ни одним часовщиком, кроме их первоначального создателя.
На основе патентов, первоначально поданных Rolex от имени изобретателя Николя Деона, [69] постоянный спуск был разработан компанией Girard-Perregaux в виде рабочих прототипов в 2008 году (Николя Деон тогда возглавлял отдел исследований и разработок Girard-Perregaux), а к 2013 году он был использован в часах.
Ключевым компонентом этого спуска является кремниевая изогнутая пластина, которая сохраняет упругую энергию. Эта пластина сгибается до точки, близкой к ее нестабильному состоянию, и высвобождается со щелчком при каждом повороте балансира, чтобы придать колесу импульс, после чего оно снова взводится колесной передачей. Заявленное преимущество заключается в том, что, поскольку пластина передает колесу одинаковое количество энергии при каждом освобождении, балансир изолирован от изменений импульсной силы из-за колесной передачи и главной пружины, которые вызывают неточности в обычных спусках.
Parmigiani Fleurier с его спусковым механизмом Genequand и Ulysse Nardin с его спусковым механизмом Ulysse Anchor воспользовались свойствами плоских пружин из кремния. Независимый часовщик De Bethune разработал концепцию, в которой магнит заставляет резонатор вибрировать с высокой частотой, заменяя традиционную пружину баланса . [70]
В конце 19 века были разработаны электромеханические спусковые механизмы для маятниковых часов. В них переключатель или фотоэлемент активировали электромагнит для короткого периода качания маятника. В некоторых часах импульс электричества, который приводил в движение маятник, также приводил в движение плунжер, который приводил в движение зубчатую передачу.
В 1843 году Маттеус Хипп впервые упомянул чисто механические часы, приводимые в движение переключателем под названием «echappement à palette». [71] Разнообразная версия этого спуска использовалась с 1860-х годов внутри маятниковых часов с электрическим приводом, так называемый «hipp-toggle». [72] С 1870-х годов в улучшенной версии маятник приводил в движение храповое колесо через собачку на стержне маятника, а храповое колесо приводило в движение остальную часть часового механизма, чтобы показывать время. Маятник не приводился в движение при каждом качании или даже через установленный интервал времени. Он приводился в движение только тогда, когда его дуга качания опускалась ниже определенного уровня. Помимо счетной собачки, маятник нес небольшую лопасть, известную как пуговица Хиппа, поворачиваемую вверху, которая могла совершенно свободно качаться. Он был помещен так, что тащился по треугольному полированному блоку с V-образным пазом в верхней части. Когда дуга качания маятника была достаточно большой, лопасть пересекала паз и свободно качалась на другой стороне. Если дуга была слишком маленькой, лопасть никогда не покидала дальнюю сторону паза, а когда маятник качался назад, она сильно толкала блок вниз. Блок нес контакт, который замыкал цепь с электромагнитом, который приводил в движение маятник. Маятник приводился в движение только по мере необходимости.
Этот тип часов широко использовался в качестве главных часов в больших зданиях для управления многочисленными подчиненными часами. Большинство телефонных станций использовали такие часы для управления синхронизированными событиями, такими как управление настройкой и тарификацией телефонных звонков, путем выдачи импульсов различной длительности, например, каждую секунду, шесть секунд и т. д.
Разработанный в 1895 году Фрэнком Хоупом-Джонсом , переключатель Synchronome и гравитационный спусковой механизм стали основой для большинства их часов в 20 веке. [73] А также основой ведомого маятника в свободных маятниковых часах Shortt-Synchronome. [74] Собирающий рычаг, прикрепленный к маятнику, перемещает 15-зубчатое счетное колесо в одном положении, с собачкой, предотвращающей движение в обратном направлении. К колесу прикреплена лопасть, которая один раз за 30-секундный оборот освобождает гравитационный рычаг. Когда гравитационный рычаг падает, он толкает поддон, прикрепленный непосредственно к маятнику, давая ему толчок. Как только рычаг падает, он создает электрический контакт, который активирует электромагнит для сброса гравитационного рычага и действует как полуминутный импульс для ведомых часов. [75]
В 20 веке английский часовщик Уильям Гамильтон Шорт изобрел часы со свободным маятником, запатентованные в сентябре 1921 года и произведенные компанией Synchronome Company, с точностью до одной сотой секунды в день. В этой системе хронометрирующий «главный» маятник, стержень которого изготовлен из специального стального сплава с 36% никеля, называемого инваром , длина которого очень мало меняется с температурой, качается максимально свободно от внешнего воздействия, запечатанный в вакуумной камере и не совершает никакой работы. Он находится в механическом контакте со своим спусковым механизмом всего лишь на долю секунды каждые 30 секунд. Вторичный «ведомый» маятник поворачивает храповик, который запускает электромагнит чуть реже, чем каждые тридцать секунд. Этот электромагнит отпускает рычаг гравитации на спусковой механизм над главным маятником. Через долю секунды (но ровно каждые 30 секунд) движение главного маятника отпускает рычаг гравитации, чтобы он упал ниже. В этом процессе рычаг гравитации дает крошечный импульс главному маятнику, который заставляет маятник качаться. Рычаг гравитации падает на пару контактов, замыкая цепь, которая делает несколько вещей:
Поскольку именно ведомый маятник освобождает рычаг гравитации, эта синхронизация жизненно важна для работы часов. Синхронизирующий механизм использовал небольшую пружину, прикрепленную к валу ведомого маятника, и электромагнитный якорь, который ловил пружину, если ведомый маятник двигался немного позже, тем самым сокращая период ведомого маятника для одного колебания. Ведомый маятник был настроен на движение немного медленнее, так что примерно на каждом втором импульсе синхронизации пружина ловилась якорем. [76]
Эта форма часов стала стандартом для использования в обсерваториях (было изготовлено около 100 таких часов [77] ) и стала первыми часами, способными обнаруживать небольшие изменения скорости вращения Земли.
цилиндровый спуск.
Дуплексный спусковой механизм...
