Спусковой механизм — это механическое соединение в механических часах , которое подает импульсы элементу измерения времени и периодически освобождает зубчатую передачу для движения вперед, продвигая стрелки часов. Импульсное действие передает энергию элементу хронометра (обычно маятнику или балансовому колесу ), чтобы возместить энергию, потерянную на трение во время цикла, и поддерживать колебания хронометриста. Спусковой механизм приводится в движение спиральной пружиной или подвешенным грузом, передаваемым через зубчатую передачу часов. Каждое колебание маятника или балансового колеса освобождает зуб спускового колеса , позволяя зубчатой передаче часов продвигаться вперед или «уходить» на фиксированную величину. Это регулярное периодическое продвижение перемещает стрелки часов вперед с постоянной скоростью. В то же время зуб толкает элемент хронометра, прежде чем другой зуб зацепится за поддон спускового механизма, возвращая спусковой механизм в «заблокированное» состояние. Внезапная остановка зубца спуска вызывает характерный «тикающий» звук, который можно услышать при работе механических часов.
Первый механический спусковой механизм, крайний спусковой механизм , был изобретен в средневековой Европе в 13 веке и стал решающим нововведением, которое привело к созданию механических часов. Конструкция спуска оказывает большое влияние на точность часов, а усовершенствования конструкции спуска привели к улучшению измерения времени в эпоху механического измерения времени с 13 по 19 века.
Помимо часов, спусковые механизмы используются и в других механизмах. В пишущих машинках с ручным управлением использовались спусковые механизмы для перемещения каретки при вводе каждой буквы (или пробела). Исторически спусковой механизм с жидкостным приводом использовался для конструкции умывальника в древней Греции и эллинистическом мире , особенно в Птолемеевском Египте , в то время как спусковой механизм с жидкостным приводом применялся в часовых механизмах , начиная с династии Тан в Китае и достигнув кульминации во время династии Сун .
Важность спуска в истории техники заключается в том, что это было ключевое изобретение, сделавшее возможным создание полностью механических часов . [1] [2] Изобретение первого полностью механического спуска, краевого спуска , в Европе 13-го века инициировало изменение методов измерения времени с непрерывных процессов, таких как поток воды в водяных часах , на повторяющиеся колебательные процессы, например, раскачивание маятников , которое могло быть более точным. [2] Колеблющиеся хронометры являются управляющими устройствами во всех современных часах.
Самый ранний спусковой механизм с жидкостным приводом был описан греческим инженером Филоном Византийским (3 век до н. э.) в его техническом трактате «Пневматика» (глава 31) как часть умывальника . [3] Ложка с противовесом, снабженная резервуаром для воды, когда она наполнена, опрокидывается в тазу, высвобождая при этом сферический кусок пемзы . Как только ложка опорожняется, ее снова подтягивают противовесом, закрывая дверцу пемзы натяжной веревкой. Примечательно, что комментарий Филона о том, что «их конструкция аналогична конструкции часов», указывает на то, что такие спусковые механизмы уже были интегрированы в древние водяные часы. [3]
В Китае буддийский монах династии Тан И Син вместе с правительственным чиновником Ляном Линцаном в 723 (или 725) году совершил спусковой механизм, работающий на водяной армиллярной сфере и приводе часов , что стало первым в мире часовым механизмом спуска. [4] [5] Часологи династии Сун (960–1279) Чжан Сысунь (конец 10 века) и Су Сун (1020–1101) должным образом применили спусковые устройства для своих башен с астрономическими часами , [6] до того, как технология застоялась и пошла вспять. . По словам историка Дерека Дж. де Соллы Прайса , китайский спусковой механизм распространился на запад и стал источником западных спусковых технологий. [7] Согласно Ахмаду Ю. Хасану , ртутный спуск в испанской работе Альфонсо X в 1277 году можно проследить до более ранних арабских источников. [8] [ ненадежный источник? ] Знания об этих утечках ртути, возможно, распространились по Европе вместе с переводами арабских и испанских текстов. [8] [9]
Однако ни один из них не был настоящим механическим спусковым механизмом, поскольку для измерения времени они по-прежнему зависели от потока жидкости через отверстие. Например, в часах Су Сун вода текла в емкость на шарнире. Роль спускового механизма заключалась в том, чтобы опрокидывать контейнер каждый раз, когда он заполнялся, таким образом продвигая колеса часов каждый раз, когда отмерялось равное количество воды. Время между выпусками зависело от скорости потока, как и все жидкие часы. Скорость потока жидкости через отверстие варьируется в зависимости от изменения температуры и вязкости и уменьшается с увеличением давления, когда уровень жидкости в исходном контейнере падает. Развитие механических часов зависело от изобретения спуска, который позволил бы управлять движением часов с помощью колеблющегося груза.
Первый механический спусковой механизм, крайний спусковой механизм , использовался в колокольном аппарате, называемом будильником, в течение нескольких столетий, прежде чем его приспособили к часам. [10] В Европе 14-го века он появился в качестве хронометриста в первых механических часах, которые представляли собой большие башенные часы [11] (хотя некоторые источники утверждают, что французский архитектор Виллар де Оннекур изобрел первый спусковой механизм около 1237 года благодаря рисунку в его блокноты веревочной связи, чтобы повернуть статую ангела, чтобы она следовала за солнцем, [12] все согласны с тем, что это не был спусковой механизм. [13] [14] [15] [16] [17] [18] ) Это 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 13 века как наиболее вероятную дату развития современного часового спуска. [11] Астроном Робертус Английский писал в 1271 году, что часовщики пытались изобрести спусковой механизм, но пока безуспешно. [20] С другой стороны, большинство источников согласны с тем, что часы с механическим спуском существовали к 1300 году. [21] [22] [11]
На самом деле, самое раннее описание спуска в рукописи Ричарда Уоллингфорда « Tractatus Horologii Astronomici» 1327 года на часах, которые он построил в аббатстве Сент-Олбанс , было не гранью, а разновидностью, называемой стробоскопическим спуском. [23] [24] [11] Он состоял из пары спусковых колес на одной оси с чередующимися радиальными зубьями. Между ними висел крайний стержень с короткой крестовиной, которая вращалась сначала в одном направлении, а затем в другом, когда зубцы проходили мимо. Хотя другой пример неизвестен, вполне возможно, что это была первая конструкция часового спуска. [23]
Тем не менее, край был стандартным спусковым механизмом, который использовался во всех остальных ранних часах, и оставался единственным спусковым механизмом в течение 400 лет. Трение и отдача ограничивали их производительность, но точность этих часов с гранями и листами была более ограничена их ранними балансовыми колесами типа « фолиот » , которые из-за отсутствия балансовой пружины не имели естественного «биения», поэтому не было особого стимула для улучшения. спусковой механизм.
Большой скачок в точности, произошедший в результате изобретения маятника и балансовой пружины примерно в 1657 году, в результате чего элементы хронометража как в часах, так и в часовых генераторах стали гармоничными , сосредоточил внимание на погрешностях спуска, и вскоре более точные спусковые механизмы вытеснили эту грань. В следующие два столетия, «золотой век» механического часового искусства , было изобретено около 300 конструкций спуска, хотя только около 10 из них выдержали испытание временем и широко использовались в часах. [25] Они описаны отдельно ниже.
Изобретение кварцевого генератора и кварцевых часов в 1920-х годах, которые к 1930-м годам стали самыми точными часами, переместило технологические исследования в области измерения времени в сторону электронных методов, а конструкция спуска перестала играть роль в повышении точности хронометража.
Надежность спуска зависит от качества изготовления и уровня обслуживания. Плохо сконструированный или плохо обслуживаемый спусковой механизм вызовет проблемы. Спусковой механизм должен точно преобразовывать колебания маятника или балансового колеса во вращение часов или часовой зубчатой передачи, а также должен передавать маятнику или балансовому колесу достаточно энергии для поддержания его колебаний.
Во многих спусковых механизмах разблокировка спускового механизма включает в себя скользящее движение; например, в анимации, показанной выше, поддоны якоря скользят по зубьям спускового колеса при раскачивании маятника. 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 портится из-за испарения, пыли, окисления и т. д., необходима периодическая повторная смазка. Если этого не сделать, часы могут работать ненадежно или вообще остановиться, а детали спуска могут подвергнуться быстрому износу. Повышенная надежность современных часов обусловлена, прежде всего, более качественными маслами, используемыми для смазки. Срок службы смазки в высококачественных часах может превышать пять лет.
Некоторые спусковые механизмы позволяют избежать трения скольжения; примеры включают спусковой механизм Джона Харрисона в 18 веке. Это позволяет избежать необходимости смазки спускового механизма (хотя и не отменяет необходимости смазки других частей зубчатой передачи).
Точность механических часов зависит от точности устройства отсчета времени. Если это маятник, то точность определяется периодом качания маятника. Если стержень маятника сделан из металла, он будет расширяться и сжиматься под действием тепла, удлиняя или укорачивая маятник; это изменяет время, необходимое для качания. В дорогих маятниковых часах используются специальные сплавы, чтобы минимизировать это искажение. Угол поворота маятника может быть разным; высокоточные маятниковые часы имеют очень маленькие дуги, чтобы минимизировать круговую ошибку .
Часы на основе маятника могут достигать выдающейся точности. Даже в 20 веке маятниковые часы были эталоном времени в лабораториях.
Спусковые механизмы также играют большую роль в точности. Точная точка движения маятника, в которой подается импульс, будет влиять на то, насколько близко ко времени будет качаться маятник. В идеале импульс должен быть равномерно распределен по обе стороны от самой нижней точки качания маятника. Это называется «быть в ритме». Это связано с тем, что толкание маятника, когда он движется к середине колебания, приводит к его выигрышу, тогда как толкание его, когда он движется от середины колебания, приводит к его проигрышу. Если импульс распределен равномерно, то он передает энергию маятнику, не меняя времени его качания. [26]
Период маятника незначительно зависит от величины колебания. Если амплитуда изменится с 4° на 3°, период маятника уменьшится примерно на 0,013 процента, что приведет к приросту примерно на 12 секунд в день. Это вызвано тем, что возвращающая сила маятника является круговой, а не линейной; таким образом, период маятника лишь приблизительно линеен в режиме приближения малых углов . Чтобы быть независимым от времени, путь должен быть циклоидальным . Чтобы минимизировать влияние амплитуды, колебания маятника должны быть как можно меньшими.
Важно отметить, что, как правило, независимо от метода импульса, действие спуска должно оказывать наименьший эффект на генератор, который может быть достигнут, будь то маятник или баланс в часах. Этот эффект, который в большей или меньшей степени свойственен всем спусковым механизмам, известен как ошибка спускового механизма .
Любой спусковой механизм с трением скольжения потребует смазки, но по мере ее ухудшения трение будет увеличиваться, и, возможно, на газораспределительный механизм будет передаваться недостаточная мощность. Если таймер представляет собой маятник, увеличенные силы трения уменьшат добротность , увеличивая резонансную полосу и снижая ее точность. В часах с пружинным приводом импульсная сила, прикладываемая пружиной, изменяется по мере ее разматывания в соответствии с законом Гука . В часах с гравитационным приводом импульсная сила также увеличивается по мере того, как движущий вес падает, и большее количество цепей удерживает вес на зубчатой передаче; на практике, однако, этот эффект наблюдается только в больших общественных часах, и его можно избежать с помощью цепочки с замкнутым контуром.
В часах и часах меньшего размера маятник не используется в качестве устройства измерения времени. Вместо этого они используют балансовую пружину : тонкую пружину, соединенную с металлическим балансовым колесом , которое колеблется (вращается вперед и назад). Большинство современных механических часов имеют рабочую частоту 3–4 Гц , или 6–8 ударов в секунду (21 600–28 800 ударов в час; ударов в час). В некоторых часах используются более высокие или медленные скорости (33 600 ударов в час или 19 800 ударов в час). Рабочая частота зависит от жесткости балансовой пружины ( постоянной пружины ); Чтобы сохранить время, жесткость не должна меняться в зависимости от температуры. Следовательно, в пружинах баланса используются сложные сплавы; в этой области часовое производство продолжает развиваться. Как и в случае с маятником, спусковой механизм должен обеспечивать небольшой толчок в каждом цикле, чтобы балансовое колесо продолжало колебаться. Кроме того, со временем возникает та же проблема со смазкой; часы теряют точность (обычно ускоряются), когда смазка спуска начинает выходить из строя. [ нужна цитата ]
Карманные часы были предшественниками современных наручных часов. Карманные часы, находясь в кармане, обычно имели вертикальную ориентацию. Гравитация приводит к некоторой потере точности, поскольку со временем усиливает любую несимметрию веса весов. Турбийон был изобретен, чтобы свести это к минимуму: баланс и пружина помещены в клетку, которая вращается (обычно, но не обязательно, 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 выпускаемыми механическими часами были электромеханические часы со свободным маятником Shortt-Synchronome, изобретенные У.Х. Шорттом в 1921 году, погрешность которых составляла около 1 секунды в год. [27] [28] Самыми точными механическими часами на сегодняшний день, вероятно, являются электромеханические часы Литтлмора, построенные известным археологом Э. Т. Холлом в 1990-х годах. В статье Холла [29] он сообщает о неопределенности в 3 части из 10 9 , измеренной за 100 дней (неопределенность около 0,02 секунды за этот период). Оба этих часа являются электромеханическими : в них в качестве элемента измерения времени используется маятник, но для подачи энергии на маятник используется электрическая энергия, а не механическая зубчатая передача.
С 1658 года, когда появление маятника и балансовой пружины сделало возможным создание точных часов, было изобретено более трехсот различных механических спусковых механизмов, но лишь около 10 получили широкое распространение. [30] Они описаны ниже. В 20 веке электрические методы измерения времени заменили механические часы и наручные часы, поэтому конструкция спуска стала малоизвестной диковинкой.
Самым ранним механическим спусковым механизмом, датируемым примерно 1275 годом, был крайний спусковой механизм , также известный как спусковой механизм с коронным колесом. Он использовался в первых механических часах и первоначально управлялся фолиотом — горизонтальной штангой с гирями на обоих концах. Спусковой механизм состоит из спускового колеса, имеющего форму короны, с заостренными зубьями, торчащими в осевом направлении сбоку и ориентированными горизонтально. Перед коронным колесом находится вертикальный вал, прикрепленный к листу сверху и несущий две металлические пластины (поддоны), торчащие, как флаги из флагштока, ориентированные примерно на девяносто градусов друг от друга, поэтому только одна из них входит в зацепление с коронным колесом. зубы за раз. Когда колесо вращается, один зуб прижимается к верхнему поддону, вращая вал и прикрепленный лист. Когда зуб проходит мимо верхнего поддона, нижний поддон поворачивается на пути зубьев на другой стороне колеса. Зуб зацепляется за нижний поддон, поворачивая вал в другую сторону, и цикл повторяется. Недостатком спускового механизма было то, что каждый раз, когда зуб приземлялся на поддон, импульс фолиота толкает коронное колесо на небольшое расстояние назад, прежде чем сила колеса меняет движение. Это называется « отдачей » и является источником износа и неточности.
Грань была единственным спусковым механизмом, использовавшимся в часах на протяжении 350 лет. В часах с пружинным приводом для выравнивания силы ходовой пружины требовался предохранитель . Он использовался в первых маятниковых часах в течение примерно 50 лет после того, как маятниковые часы были изобретены в 1656 году. В маятниковых часах заводное колесо и посох были ориентированы горизонтально, а маятник подвешивался к посоху. Однако грань является самым неточным из распространенных спусковых механизмов, и после того, как в 1650-х годах был введен маятник, грань начала заменяться другими спусковыми механизмами, от которых отказались только к концу 1800-х годов. К этому времени мода на тонкие часы потребовала, чтобы спусковое колесо было очень маленьким, что усиливало эффект износа, и когда часы того периода заводятся сегодня, часто обнаруживается, что они движутся очень быстро, получая много часов в день.
Йост Бюрги изобрел поперечный спусковой механизм в 1584 году, вариант краевого спускового механизма, который имел два листа, вращающихся в противоположных направлениях. [31] Согласно современным отчетам, 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 качеством изготовления и изобретением им ремонтуара - устройства, которое изолировало спусковой механизм от изменений движущей силы. [31] Без пружины баланса поперечное биение было бы не более изохронным, чем грань. [31]
Спусковой механизм Галилея — это конструкция спускового механизма часов, изобретенная около 1637 года итальянским учёным Галилео Галилеем (1564–1642). Это была самая ранняя конструкция маятниковых часов . Поскольку к тому времени он был слеп, Галилей описал устройство своему сыну , который нарисовал его эскиз. Сын начал строительство прототипа, но и он, и Галилей умерли до того, как оно было завершено.
Изобретенный примерно в 1657 году Робертом Гуком , якорь (см. анимацию справа) быстро вытеснил грань и стал стандартным спусковым механизмом, используемым в маятниковых часах в XIX веке. Его преимущество заключалось в том, что он уменьшал широкие углы поворота маятника на грани до 3–6 °, делая маятник почти изохронным и позволяя использовать более длинные и медленно движущиеся маятники, которые потребляли меньше энергии. Якорь ответственен за длинную узкую форму большинства маятниковых часов, а также за развитие напольных часов , первых якорных часов, продаваемых на коммерческой основе, которые были изобретены около 1680 года Уильямом Клементом, который оспаривал заслугу спуска с Гуком. Спусковой механизм увеличил точность маятниковых часов до такой степени, что в конце 1600-х годов к циферблату часов была добавлена минутная стрелка (до этого в часах была только часовая стрелка).
Якорь состоит из спускового колеса с заостренными, наклоненными назад зубьями и детали в форме «якоря», вращающейся над ним, которая раскачивается из стороны в сторону и связана с маятником. Якорь имеет наклонные поддоны на рычагах, которые попеременно цепляются за зубья спускового колеса, воспринимая импульсы. Механически его работа имеет сходство с краевым спусковым механизмом и имеет два недостатка: (1) Маятник постоянно толкается зубом спускового колеса на протяжении всего цикла, и ему никогда не позволено свободно качаться, что нарушает его изохронность. и (2) это возвратный спусковой механизм; якорь толкает спусковое колесо назад во время части его цикла. Это вызывает люфт , повышенный износ шестерен часов и неточность. Эти проблемы были устранены с помощью спускового механизма , который постепенно заменил якорь в точных часах.
Спусковой механизм Грэма, или неработающий спусковой механизм, был усовершенствованием якорного спускового механизма, впервые созданного Томасом Томпионом по проекту Ричарда Таунли в 1675 году [33] [34] [35] , хотя его часто приписывают преемнику Томпиона Джорджу Грэму , который популяризировал его в 1715 году. [36] В якорном спусковом механизме поворот 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 создавая высокие нагрузки в системе, что приводит к трению и износу. Основным преимуществом мертвого бита является то, что он исключает отдачу. [10]
В неподвижном положении поддоны имеют вторую изогнутую «фиксирующую» поверхность, концентричную относительно оси, на которой вращается якорь. В крайних положениях маятника зуб анкерного колеса упирается в эту запирающую поверхность, не создавая импульса маятнику, что предотвращает отдачу. В нижней части качания маятника зуб соскальзывает с фиксирующей поверхности на наклонную «импульсную» поверхность, давая маятнику толчок, прежде чем поддон освободит зуб. Мертвый ход впервые был использован в прецизионных часах-регуляторах, 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 спусковые механизмы.
Эта версия спускового механизма, изобретенная примерно в 1741 году Луи Аманом, может быть сделана довольно прочной. Вместо зубьев спусковое колесо имеет круглые штифты, которые останавливаются и освобождаются якорем, похожим на ножницы. Этот спусковой механизм, который также называют спусковым механизмом Амана или (в Германии) спусковым механизмом Маннхардта , довольно часто используется в башенных часах. [ нужна цитата ]
Спусковой механизм с фиксатором или хронометром считается наиболее точным из спусковых механизмов балансового колеса и использовался в морских хронометрах , хотя в некоторых точных часах 18 и 19 веков он также использовался. [37] Ранняя форма была изобретена Пьером Ле Руа в 1748 году, который создал спусковой механизм с поворотным фиксатором, хотя теоретически он был недостаточен. [38] [39] [40] Первая эффективная конструкция спускового механизма с фиксатором была изобретена Джоном Арнольдом примерно в 1775 году, но с поворотным фиксатором. Этот спусковой механизм был модифицирован Томасом Эрншоу в 1780 году и запатентован Райтом (на которого он работал) в 1783 году; однако, как показано в патенте, это было неработоспособно. Арнольд также разработал пружинный стопорный спусковой механизм, но благодаря улучшенной конструкции версия Эрншоу в конечном итоге преобладала, поскольку основная идея претерпела несколько незначительных модификаций в течение последнего десятилетия 18 века. Окончательная форма появилась около 1800 года, и такая конструкция использовалась до тех пор, пока механические хронометры не устарели в 1970-х годах.
Фиксатор представляет собой отдельный спусковой механизм; он позволяет балансовому колесу беспрепятственно раскачиваться в течение большей части своего цикла, за исключением короткого периода импульса, который дается только один раз за цикл (каждое второе колебание). [38] Поскольку зуб ведущего спускового колеса движется почти параллельно поддону, спусковой механизм имеет небольшое трение и не требует смазки. По этим причинам, среди прочего, фиксатор считался наиболее точным спусковым механизмом для часов с балансовым колесом. [41] Джон Арнольд был первым, кто использовал стопорный спусковой механизм со спиральной балансовой пружиной (запатентовано в 1782 году), и благодаря этому усовершенствованию его часы стали первыми по-настоящему точными карманными хронометристами, сохраняющими время с точностью до 1 или 2 секунд в день. Они производились с 1783 года.
Однако спусковой механизм имел недостатки, ограничивавшие его использование в часах: он был хрупким и требовал квалифицированного обслуживания; они не были самозапускающимися, поэтому, если во время использования часы были сотрясены и балансовое колесо остановилось, они не запустились бы снова; и его было труднее производить в больших объемах. Поэтому в часах доминирующим стал самозапускающийся рычажный спуск .
Горизонтальный или цилиндрический спусковой механизм, изобретенный Томасом Томпионом в 1695 году [42] и усовершенствованный Джорджем Грэмом в 1726 году [43], был одним из спусковых механизмов, которые заменили крайний спусковой механизм в карманных часах после 1700 года. Главной достопримечательностью было то, что он был намного тоньше. чем на грани, что позволяет сделать часы модно тонкими. Часовщики обнаружили, что он сильно изнашивается, поэтому в 18 веке он мало использовался, за исключением нескольких элитных часов с цилиндрами из рубина . Французы решили эту проблему, сделав цилиндр и спусковое колесо из закаленной стали, [42] а спусковой механизм в больших количествах использовался в недорогих французских и швейцарских карманных и небольших часах с середины 19 по 20 век.
Вместо поддонов в спусковом механизме используется цилиндр с вырезом на валу балансового колеса, в который спусковые зубья входят один за другим. [42] [43] Каждый клиновидный зуб приводит в движение балансовое колесо за счет давления на край цилиндра при входе, удерживается внутри цилиндра при его повороте и снова дает импульс колесу, когда оно выходит с другой стороны. Колесо обычно имело 15 зубцов и поворачивало баланс под углом от 20° до 40° в каждом направлении. [42] Это спусковой механизм с фрикционным упором, зубья которого контактируют с цилиндром на протяжении всего цикла балансового колеса, поэтому он не был таким точным, как «отсоединенные» спусковые механизмы, такие как рычаг, а высокие силы трения вызывали чрезмерный износ и вызывали необходимость более частая уборка. [43]
Дуплексный спусковой механизм часов был изобретен Робертом Гуком около 1700 года, усовершенствован Жаном Батистом Дютертром и Пьером Ле Роем и приведен в окончательную форму Томасом Тайрером, который запатентовал его в 1782 году. [44] Ранние формы имели два спусковых колеса. Дуплексный спусковой механизм было трудно изготовить, но он обеспечивал гораздо более высокую точность, чем цилиндрический спусковой механизм, и мог равняться точности (раннего) рычажного спуска , а при тщательном изготовлении был почти так же хорош, как и стопорный спусковой механизм.[44] [45] [46] Он использовался в качественных английских карманных часах примерно с 1790 по 1860 год, [47] [48] [49] и в «Уотербери», дешевых американских «обычных» часах, в 1880–1898 годах. [50] [51]
В дуплексном механизме, как и в спусковом механизме хронометра, балансовое колесо получает импульс только во время одного из двух колебаний своего цикла.[47] Спусковое колесо имеет два набора зубьев (отсюда и название «дуплекс»); длинные стопорные зубья выступают со стороны колеса, а короткие импульсные зубья торчат в осевом направлении сверху. Цикл начинается с того, что запирающий зуб упирается в рубиновый диск. Когда балансовое колесо поворачивается против часовой стрелки и достигает своего центрального положения, выемка на рубиновом диске освобождает зуб. Когда спусковое колесо вращается, поддон находится в правильном положении, чтобы получить толчок от импульсного зуба. Затем следующий стопорный зуб падает на рубиновый ролик и остается там, пока балансовое колесо завершает свой цикл и поворачивается назад по часовой стрелке (CW), и процесс повторяется. Во время поворота по часовой стрелке импульсный зуб снова на мгновение попадает в рубиновую выемку ролика, но не освобождается.
Дуплекс технически представляет собой спусковой механизм с фрикционным упором ; зуб, упирающийся в ролик, добавляет некоторое трение балансовому колесу во время его качания [47] [52] , но оно минимально. Как и в хронометре, во время импульса трение скольжения незначительно, поскольку суппорт и импульсный зуб движутся почти параллельно, поэтому требуется небольшая смазка.[53] Однако он потерял благосклонность к рычагу; их жесткие допуски и чувствительность к ударам сделали дуплексные часы непригодными для активных людей. Как и хронометр, он не запускается автоматически и подвержен «настройке»; если банк внезапно остановит баланс во время поворота по часовой стрелке, он не сможет снова запуститься.
Рычажный спусковой механизм , изобретенный Томасом Маджем в 1750 году, использовался в подавляющем большинстве часов начиная с 19 века. Его преимущества: (1) это «отдельный» спусковой механизм; в отличие от цилиндрического или дуплексного спуска балансовое колесо контактирует с рычагом только в течение короткого импульсного периода, когда оно проходит через свое центральное положение и свободно качается в оставшуюся часть своего цикла, что повышает точность, и (2) это самозапускающееся колесо. спусковой механизм, поэтому, если часы встряхнуть так, что балансовое колесо остановится, они автоматически запустятся снова. Первоначальной формой был спусковой механизм реечного рычага, в котором рычаг и балансовое колесо всегда находились в контакте через зубчатую рейку на рычаге. Позже выяснилось, что все зубья шестерен можно удалить, кроме одного, и это привело к созданию отдельного спускового механизма рычага. 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 находится на одной линии между балансовым и спусковым колесом; эта форма используется в современных часах. В 1867 году Жорж Фредерик Роскопф изобрел недорогую, менее точную форму, названную Роскопфом или спусковым механизмом со штифтом , который использовался в дешевых « долларовых часах » в начале 20 века и до сих пор используется в дешевых будильниках и кухонных таймерах.
Редким, но интересным механическим спуском является спусковой механизм «кузнечик» , изобретенный Джоном Харрисоном в 1722 году. В этом спуске маятник приводится в движение двумя шарнирными рычагами (поддонами). Когда маятник раскачивается, конец одного рычага цепляется за спусковое колесо и слегка толкает его назад; при этом освобождается другой рычаг, который убирается в сторону, позволяя спусковому колесу пройти. Когда маятник снова отклоняется назад, другая рука ловит колесо, толкает его назад и отпускает первое плечо и так далее. Спусковой механизм «кузнечик» использовался в очень немногих часах со времен Харрисона. Спусковые механизмы «Кузнечик», изготовленные Харрисоном в 18 веке, действуют до сих пор. Большинство спусковых механизмов изнашиваются гораздо быстрее и тратят гораздо больше энергии. Однако, как и другие ранние спусковые механизмы, кузнечик приводит в движение маятник на протяжении всего его цикла; ему никогда не разрешается свободно качаться, что приводит к ошибкам из-за изменений в движущей силе, [54] и часовщики 19-го века сочли его неконкурентоспособным с более отдельными спусковыми механизмами, такими как мертвый ход. [55] [54] Тем не менее, при достаточной осторожности в конструкции он способен обеспечить точность. Современные экспериментальные часы с кузнечиком, Burgess Clock B, имели погрешность измерения всего 5/8 секунды в течение 100 рабочих дней . [56] После двух лет эксплуатации погрешность составила всего ±0,5 секунды после барометрической коррекции. [57] [58]
Гравитационный спуск использует небольшой груз или слабую пружину, чтобы придать импульс непосредственно маятнику. Самая ранняя форма состояла из двух рычагов, которые поворачивались очень близко к подвесной пружине маятника, причем по одному рычагу с каждой стороны маятника. В каждой руке был небольшой неподвижный поддон, к которому шла наклонная плоскость. Когда маятник поднимал один рычаг достаточно далеко, его поддон освобождал спусковое колесо. Почти сразу же другой зуб на спусковом колесе начал скользить вверх по угловой поверхности другого рычага, тем самым поднимая рычаг. Он достиг бы поддона и остановился. Другая рука тем временем все еще находилась в контакте с маятником и снова опускалась до точки ниже, чем была в начале. Это опускание руки дает импульс маятнику. Дизайн последовательно развивался с середины 18 века до середины 19 века. В конечном итоге он стал предпочтительным спусковым механизмом для башенных часов , поскольку их колесная передача подвергается большим изменениям движущей силы, вызванным большими внешними стрелками, а также различными ветровыми, снеговыми и ледяными нагрузками. Поскольку в гравитационном спуске движущая сила колесной передачи сама по себе не приводит в движение маятник, а просто сбрасывает грузы, обеспечивающие импульс, на спуск не влияют изменения движущей силы.
Показанный здесь «Двойной трехногий гравитационный спусковой механизм» представляет собой разновидность спускового механизма, впервые изобретенную адвокатом по имени Блоксам, а затем усовершенствованную лордом Гримторпом . Это стандарт для всех точных «башенных» часов.
В показанной здесь анимации два «гравитационных рукава» 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 блокирующий блок на синем рычаге, а красное колесо воздействует только на красный рычаг. В реальном спусковом механизме эти удары вызывают громкие слышимые щелчки, о чем свидетельствует появление * рядом с блокирующими блоками. Три черных подъемных штифта играют ключевую роль в работе спускового механизма. Они заставляют гравитационные рычаги подниматься на величину, указанную парой параллельных линий на каждой стороне спускового механизма. Этот прирост потенциальной энергии представляет собой энергию, передаваемую маятнику в каждом цикле. В Кембриджских часах Тринити-колледжа масса около 50 грамм поднимается на 3 мм каждые 1,5 секунды, что дает мощность 1 мВт. Движущая мощность падающего груза составляет около 12 мВт, поэтому на привод спускового механизма используется существенный избыток мощности. Большая часть этой энергии рассеивается при ускорении и замедлении фрикционной «мушки», прикрепленной к спусковым колесам.
Большие часы в Башне Элизабет в Вестминстере, которые окружают лондонский Биг-Бен, используют двойной трехногий гравитационный спуск.
Коаксиальный спусковой механизм , изобретенный примерно в 1974 году [59] и запатентованный в 1980 году [60] британским часовщиком Джорджем Дэниэлсом , является одним из немногих новых часовых спусковых механизмов, принятых на коммерческое использование в наше время.
Это можно было бы рассматривать [ по мнению кого? ] как имеющий отдаленное происхождение от спускового механизма, изобретенного Робертом Робином в 1792 году, который дает одиночный импульс в одном направлении; с блокировкой, достигаемой с помощью пассивных рычажных поддонов, [61] конструкция коаксиального спуска больше похожа на конструкцию другого варианта Робина, спускового механизма Фазольдта, который был изобретен и запатентован американцем Чарльзом Фасольдтом в 1859 году. [ 62] [63 ] ] [64] Спусковые механизмы Робина и Фазольдта дают импульс только в одном направлении. Последний спусковой механизм имеет рычаг с неравным наклоном; он входит в зацепление с двумя спусковыми колесами разного диаметра. Меньшее импульсное колесо воздействует на одиночный поддон на конце рычага, в то время как заостренные поддоны рычага фиксируются на большем колесе. Баланс входит в зацепление с рычагом и приводится в движение через роликовый штифт и вилку рычага. «Якорный» поддон рычага блокирует большее колесо, и при его разблокировке поддон на конце рычага получает импульс от меньшего колеса через вилку рычага. Обратный ход является «мертвым», при этом «якорные» поддоны служат только для блокировки и разблокировки, при этом импульс подается в одном направлении через однорычажный поддон. Как и в случае с дуплексом, стопорное колесо больше, чтобы уменьшить давление и, следовательно, трение.
Однако спусковой механизм Дэниэлса обеспечивает двойной импульс с помощью пассивных рычагов, служащих только для блокировки и разблокировки большего колеса. С одной стороны импульс подается посредством меньшего колеса, воздействующего на поддон рычага через ролик и импульсный штифт. При возврате рычаг снова разблокирует большее колесо, которое подает импульс непосредственно на импульсный ролик балансира.
Основное преимущество заключается в том, что это позволяет обоим импульсам возникать на центральной линии или вокруг нее, устраняя трение в обоих направлениях. [ нужна цитата ] Этот режим импульса теоретически превосходит рычажный спусковой механизм, который имеет трение на входном поддоне. Долгое время считалось, что это оказывает тревожное влияние на изохронность баланса. [65] [66]
Покупатели больше не покупают механические часы в первую очередь из-за их точности, поэтому производители не были заинтересованы в инвестировании в необходимые инструменты, хотя, наконец, Omega приняла их на вооружение в 1990 году. [66]
Поскольку с помощью недорогих кварцевых часов можно достичь гораздо большей точности, чем в любых механических часах , улучшенная конструкция спуска больше не мотивируется практическими потребностями в хронометрировании, а является новинкой на рынке высококачественных часов. Стремясь привлечь внимание общественности, в последние десятилетия некоторые производители механических часов высокого класса представили новые спусковые механизмы. Ни один из них не был принят на вооружение другими часовщиками, кроме их первоначального создателя.
На основе патентов, первоначально поданных Rolex от имени изобретателя Николя Деона, [67] постоянный спусковой механизм был разработан компанией Girard-Perregaux в качестве рабочих прототипов в 2008 году (Николя Деон тогда возглавлял отдел исследований и разработок Girard-Perregaux), а к 2013 году был использован в часах.
Ключевым компонентом этого спуска является кремниевая пластина с пряжкой, которая накапливает упругую энергию. Это лезвие сгибается до точки, близкой к его неустойчивому состоянию, и отпускается с щелчком при каждом повороте балансового колеса, придавая колесу импульс, после чего оно снова взводится колесной передачей. Заявленное преимущество заключается в том, что, поскольку лезвие передает одинаковое количество энергии колесу при каждом отпускании, балансовое колесо изолировано от изменений импульсной силы из-за колесной передачи и ходовой пружины, которые вызывают неточности в обычных спусковых механизмах.
Parmigiani Fleurier со спусковым механизмом Genequand и Ulysse Nardin со спусковым механизмом Ulysse Anchor воспользовались преимуществами свойств плоских кремниевых пружин. Независимый часовой производитель De Bethune разработал концепцию, в которой магнит заставляет резонатор вибрировать с высокой частотой, заменяя традиционную балансовую пружину . [68]
В конце 19 века для маятниковых часов были разработаны электромеханические спусковые механизмы. В них переключатель или фототрубка подавала питание на электромагнит на короткий участок качания маятника. В некоторых часах электрический импульс, приводивший в движение маятник, также приводил в движение плунжер, приводивший в движение зубчатую передачу.
В 1843 году Маттеус Хипп впервые упомянул о чисто механических часах, приводимых в движение переключателем, названным «echappement à Palette». [69] Разнообразная версия этого спуска использовалась с 1860-х годов внутри маятниковых часов с электрическим приводом, так называемого «гипп-переключателя». [70] 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, указывая время. Маятник не приводился в движение при каждом колебании или даже через определенный интервал времени. Он был приведен в действие только тогда, когда его дуга поворота опустилась ниже определенного уровня. Помимо счетной собачки, маятник имел небольшую лопасть, известную как рычаг Хиппа, поворачивающийся вверху и имеющий полную свободу качания. Его поместили так, чтобы он тянулся по треугольному полированному блоку с V-образным пазом наверху. Когда дуга качания маятника стала достаточно большой, лопасть пересекла канавку и свободно откинулась на другую сторону. Если дуга была слишком маленькой, лопасть никогда не покидала дальнюю сторону канавки, а когда маятник отклонялся назад, он сильно толкал блок вниз. Блок имел контакт, замыкавший цепь электромагнита, приводившего 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, которые были необходимы для управления установкой и оплатой телефонных звонков, путем выдачи импульсов различной длительности, например, каждую секунду, шесть секунд и так далее.
Синхронный переключатель и гравитационный спуск, разработанные в 1895 году Фрэнком Хоупом-Джонсом , легли в основу большинства их часов в 20 веке. [71] А также основа ведомого маятника в часах со свободным маятником Short-Synchronome. [72] Сборочный рычаг, прикрепленный к маятнику, перемещает счетное колесо с 15 зубьями в одно положение, а собачка предотвращает движение в обратном направлении. К колесу прикреплена лопасть, которая один раз за 30-секундный поворот освобождает гравитационный рычаг. Когда гравитационный рычаг падает, он толкает поддон, прикрепленный непосредственно к маятнику, толкая его. Как только рычаг падает, он образует электрический контакт, который подает питание на электромагнит для сброса гравитационного рычага и действует как полуминутный импульс для ведомых часов. [73]
В 20 веке английский часовщик Уильям Гамильтон Шортт изобрел часы со свободным маятником, запатентованные в сентябре 1921 года и производимые компанией Synchronome, с точностью до одной сотой секунды в день. В этой системе «главный» маятник хронометража, стержень которого изготовлен из специального стального сплава с 36% никеля, называемого инваром , длина которого очень мало меняется в зависимости от температуры, качается настолько свободно от внешнего воздействия, насколько это возможно, запечатанным в вакуумной камере и не совершает никакой работы. . Он находится в механическом контакте со спусковым механизмом всего на долю секунды каждые 30 секунд. Вторичный «ведомый» маятник поворачивает храповой механизм, который приводит в действие электромагнит чуть реже, чем каждые тридцать секунд. Этот электромагнит освобождает гравитационный рычаг на спусковом механизме над главным маятником. Через долю секунды (но ровно каждые 30 секунд) движение главного маятника отпускает гравитационный рычаг, и он падает дальше. При этом гравитационный рычаг дает небольшой импульс главному маятнику, который поддерживает его раскачивание. Гравитационный рычаг падает на пару контактов, замыкая цепь, которая выполняет несколько функций:
Поскольку именно ведомый маятник освобождает гравитационный рычаг, эта синхронизация жизненно важна для функционирования часов. В механизме синхронизации использовалась небольшая пружина, прикрепленная к валу ведомого маятника, и электромагнитный якорь, который ловил пружину, если ведомый маятник работал немного позже, тем самым сокращая период ведомого маятника на одно колебание. Подчиненный маятник был настроен так, чтобы двигаться немного медленнее, так что примерно при каждом втором импульсе синхронизации пружина захватывалась якорем. [74]
Такая форма часов стала стандартом для использования в обсерваториях (было изготовлено около 100 таких часов [75] ) и стала первыми часами, способными обнаруживать небольшие изменения скорости вращения Земли.
спуск цилиндра.
Двойной спусковой механизм....
