В часовом деле анкерный спуск — это тип спуска, используемый в маятниковых часах . Спуск — это механизм в механических часах , который поддерживает качание маятника , давая ему небольшой толчок при каждом качании, и позволяет колесам часов продвигаться на фиксированное расстояние при каждом качании, перемещая стрелки часов вперед. Анкерный спуск был так назван, потому что одна из его основных частей имеет форму, отдаленно напоминающую корабельный якорь.
Анкерный спуск был изобретен часовщиком Уильямом Клементом, [1] [2] [3] который популяризировал анкер в своем изобретении напольных или напольных часов около 1680 года. Изобретение Клемента было существенным улучшением спуска с постоянной силой Роберта Гука 1671 года. [4] Самые старые известные анкерные часы — это часы колледжа Уодхэма , башенные часы, построенные в колледже Уодхэма , Оксфорд , в 1670 году, вероятно, часовщиком Джозефом Книббом . [5] [6] Анкер стал стандартным спусковым механизмом, используемым почти во всех маятниковых часах.
Более точный вариант без отдачи, называемый апериодическим спуском, был изобретен Ричардом Таунли около 1675 года и представлен британским часовщиком Джорджем Грэхемом около 1715 года. Он постепенно вытеснил обычный анкерный спуск и используется в большинстве современных маятниковых часов.
Спусковой механизм якоря состоит из двух частей: спускового колеса , которое представляет собой вертикальное колесо с заостренными зубцами на нем, скорее похожими на зубья пилы , и якоря , по форме отдаленно напоминающего корабельный якорь, который качается вперед и назад на оси прямо над спусковым колесом. На двух плечах якоря есть изогнутые поверхности, на которые нажимают зубцы спускового колеса, называемые паллетами . Центральный вал якоря прикреплен к вилке, толкаемой маятником , поэтому якорь качается вперед и назад, причем паллеты попеременно захватывают и освобождают зуб спускового колеса с каждой стороны.
Каждый раз, когда одна паллета отходит от спускового колеса, освобождая зуб, колесо поворачивается, и зуб с другой стороны цепляется за другую паллету, которая движется к колесу. Импульс маятника продолжает двигать вторую паллету к колесу, толкая спусковое колесо назад на некоторое расстояние, пока маятник не изменит направление и паллета не начнет отходить от колеса, а зуб скользит по его поверхности, толкая его. Затем зуб соскальзывает с конца паллеты, начиная цикл снова.
Ни анкерный спуск, ни апериодическая форма, представленная ниже, не являются самозапускающимися. Маятнику нужно дать качок, чтобы они заработали.
Обратное движение спускового колеса во время части цикла, называемое откатом , является одним из недостатков анкерного спуска. Это приводит к временному возврату всей колесной передачи обратно к приводному грузу с каждым тиканьем часов, вызывая дополнительный износ колесной передачи, чрезмерный износ зубьев шестерен и неточность. Это также может привести к тому, что зубья спускового колеса будут врезаться в поверхность поддона. Зубья наклонены назад, против направления вращения, а поверхность поддонов слегка выпуклая, чтобы предотвратить это. [7]
Другая причина, по которой зубья спускового колеса наклонены назад, — это мера безопасности. Если часы перемещаются без фиксации маятника, неконтролируемое качание маятника может привести к сильному столкновению анкерных паллет с спусковым колесом. Наклонные зубья гарантируют, что плоские поверхности анкерных паллет сначала ударятся о боковые стороны зубьев, защищая деликатные точки от поломки. [7]
Аварийный спуск (ниже) не имеет отдачи. Один из способов определить, имеет ли антикварный маятниковый механизм анкерный или аварийный спуск, — это понаблюдать за секундной стрелкой. Если она немного движется назад после каждого тика, показывая отдачу, часы имеют анкерный спуск.
Вал якоря, называемый костылем, заканчивается вилкой, которая охватывает вал маятника, сообщая ему поперечные импульсы. Стержень маятника подвешен к короткой прямой пружине подвески, прикрепленной к прочной опоре непосредственно за якорем. Шарнир якоря совмещен с точкой изгиба пружины. Такое расположение приводит к более устойчивой опоре маятника, чем простое подвешивание маятника непосредственно к якорю.
Якорь очень терпим к изменениям в своей геометрии, поэтому его форма сильно различалась. [7] В конце 19 века в Британии обычной конструкцией [7] был угол 90° между паллетами, что означало расположение оси якоря на расстоянии √ 2 ≈ 1,4 радиуса спускового колеса от оси спускового колеса. В напольных часах , которые имели маятник, качающийся один раз в секунду, спусковое колесо часто имело 30 зубцов, что заставляло спусковое колесо вращаться один раз в минуту, чтобы секундная стрелка могла быть прикреплена к его валу. В спусковом колесе с 30 зубцами паллеты охватывают около 7½ зубцов. Угол импульса паллет, который определял качание маятника, составлял 3–4°.
Анкер был вторым широко используемым спусковым механизмом в Европе, заменив примитивный 400-летний спусковой механизм в маятниковых часах . Маятники в маятниковых часах имели очень широкие колебания от 80° до 100°. В 1673 году, через семнадцать лет после изобретения маятниковых часов, Христиан Гюйгенс опубликовал свой математический анализ маятников, Horologium Oscillatorium . В нем он показал, что широкие колебания маятника в часах с верге приводили к их неточности, поскольку период колебаний маятника не был изохронным , а в небольшой степени изменялся из-за круговой ошибки с изменениями амплитуды колебаний маятника, которые происходили с неизбежными изменениями движущей силы. Осознание того, что только небольшие колебания маятника были почти изохронными, побудило часовщиков разрабатывать спусковые механизмы с небольшими колебаниями.
Главным преимуществом якоря было то, что, размещая поддоны дальше от оси, колебание маятника было уменьшено с примерно 100° в часах с вертлюгом до всего лишь 4°-6°. [8] В дополнение к улучшенной точности из-за изохронизма , это позволило часам использовать более длинные маятники, которые имели более медленный «биение». Меньшее сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости, поэтому более быстрый маятник испытывает значительно большее сопротивление) означало, что им требовалось меньше энергии для поддержания качания, и вызывало меньший износ часового механизма. Якорь также позволял использовать более тяжелый маятниковый груз для заданной движущей силы, делая маятник более независимым от спуска (более высокое Q ), и, таким образом, более точным. Эти длинные маятники требовали длинных узких корпусов часов. Около 1680 года британский часовщик Уильям Клемент начал продавать первые коммерческие часы, в которых использовался анкерный спусковой механизм, высокие отдельно стоящие часы с секундным маятником длиной 1 метр (39 дюймов), помещенные в длинный узкий корпус часов, которые стали называть часами с длинным корпусом или «дедушкиными» часами. [9] Анкер настолько увеличил точность часов, что около 1680–1690 годов использование минутной стрелки , ранее бывшее исключением в часах, стало правилом. [10]
Анкерный спуск заменил верж в маятниковых часах примерно через пятьдесят лет, хотя французские часовщики продолжали использовать верж до 1800 года. Многие вержевые часы были переделаны с использованием якорей. В 18 веке более точная форма спуска с мертвым ходом заменила якорь в прецизионных регуляторах, но якорь остался рабочей лошадкой в домашних маятниковых часах. В течение 19 века форма с мертвым ходом постепенно заняла место в большинстве качественных часов, но форма якоря все еще используется в некоторых маятниковых часах сегодня. [8]
Башенные часы являются одним из немногих типов маятниковых часов, в которых анкерный спуск не доминировал. С переменной силой, прикладываемой к колесной передаче большими внешними стрелками, подверженными воздействию ветра, снега и льда, лучше справлялись гравитационные спуски .
Анкерный спусковой механизм надежен и допускает большие геометрические погрешности конструкции, но его работа аналогична работе старого вертлюжного спуска и сохраняет два основных недостатка вертлюжного спуска:
Вышеуказанные два недостатка были устранены с изобретением улучшенной версии анкерного спуска: апериодического спуска или спуска Грэма . Его часто ошибочно приписывают английскому часовщику Джорджу Грэму , который представил его около 1715 года в своих прецизионных регуляторных часах. [11] [12] [13] [14] Однако на самом деле он был изобретен около 1675 года астрономом Ричардом Таунли и впервые использован наставником Грэма Томасом Томпионом в часах, построенных для сэра Джонаса Мура , и в двух прецизионных регуляторах, которые он сделал для новой Гринвичской обсерватории в 1676 году, [15] упомянутых в переписке между королевским астрономом Джоном Флемстидом и Таунли. [16] [17]
Форма анкерного спуска с мертвой точкой менее терпима к неточности изготовления или износу во время работы и изначально использовалась только в точных часах, но в течение 19 века ее применение распространилось на большинство качественных маятниковых часов. Почти все маятниковые часы, производимые сегодня, используют ее.
У апериодического спуска есть две стороны к паллетам: «запирающая» или «мертвая» сторона с изогнутой поверхностью, концентричной с осью, на которой вращается якорь, и наклонная «импульсная» сторона. [8] Когда зуб спускового колеса упирается в одну из мертвых сторон, его сила направлена через ось вращения якоря, поэтому он не дает импульса маятнику, позволяя ему свободно качаться. Когда паллета с другой стороны отпускает спусковое колесо, зуб сначала приземляется на эту «мертвую» сторону и остается упираться в нее большую часть внешнего качания маятника и возврата. В течение этого периода спусковое колесо «заблокировано» и не может вращаться. В нижней части качания маятника зуб соскальзывает с мертвой стороны на наклонную «импульсную» сторону паллеты, позволяя спусковому колесу повернуться и дать маятнику толчок, прежде чем упасть с паллеты. Это по-прежнему спуск с фрикционным отстоем, поскольку скольжение зуба спуска по мертвой поверхности добавляет трение к качанию маятника, но трение у него меньше, чем у спуска с откатом, поскольку сила отдачи отсутствует.
В отличие от наклона назад зубьев анкерного спускового колеса, зубья апериодического спускового колеса радиальные или наклонены вперед, чтобы гарантировать, что зуб соприкасается с «мертвой» поверхностью поддона, предотвращая отдачу. [8]
Часовщики обнаружили в 1700-х годах, что для точности лучшим местом для приложения импульса, чтобы маятник качался, было в нижней точке его колебания, когда он проходит через положение равновесия. Если импульс прикладывается во время опускания маятника, до того, как он достигнет дна, сила импульса имеет тенденцию уменьшать период колебания, поэтому увеличение движущей силы заставляет часы спешить. Если импульс прикладывается во время подъема маятника, после того, как он достигнет дна, сила импульса имеет тенденцию увеличивать период колебания, поэтому увеличение движущей силы заставляет часы отставать. Если импульс прикладывается в нижней точке, изменения в силе импульса теоретически не должны влиять на период.
В 1826 году британский астроном Джордж Эйри доказал это; в частности, он доказал, что маятник, который приводится в движение движущим импульсом, симметричным относительно его нижнего положения равновесия, является изохронным для различных движущих сил, игнорируя трение, и что апериодический спуск приблизительно удовлетворяет этому условию. [18] [19] Оно было бы точно выполнено, если бы зубья спускового колеса попадали точно на угол между двумя поверхностями поддона, но для надежной работы спуска зубья должны попадать выше угла, на «мертвую» поверхность. [20]
Основной причиной погрешности часов являются изменения движущей силы, приложенной к спусковому механизму, вызванные небольшими изменениями трения шестеренок или паллет, или уменьшением силы главной пружины по мере ее раскручивания. Спусковой механизм, в котором изменения движущей силы не влияют на скорость, называется изохронным. Превосходная производительность апериодического механизма по сравнению с отдачей обусловлена улучшенной изохронностью. Это связано с различными способами, которыми изменения движущей силы влияют на качание маятника в двух спусковых механизмах: [21]
Когда был изобретен апериод, часовщики изначально считали, что он имеет худшую изохронность, чем анкер, из-за большего влияния изменений силы на амплитуду маятника. [21] Недавние анализы указывают на то, что неизохронность анкерного спуска может отменить круговую ошибку маятника. То есть, увеличение амплитуды качания анкера вызывает небольшое увеличение периода маятника из-за круговой ошибки , и что это может компенсировать уменьшение периода из-за изохронности. Из-за этого эффекта тщательно отрегулированный анкерный спуск с полированными поддонами может быть более точным, чем апериод. [22] Это было подтверждено по крайней мере одним современным экспериментом. [23] [24]
Часто повторяемое утверждение о том, что Гук изобрел анкерный спуск, возникло в работе Уильяма Дерхема
«Искусственный часовщик»(1696), а
не у Гука, и в настоящее время считается неверным.
Спусковые механизмы.—....Анкерный спусковой механизм..&..Мертвые спусковые механизмы