Часы с маятником — это часы , в которых в качестве элемента измерения времени используется маятник — качающийся груз . Преимущество маятника для измерения времени состоит в том, что он представляет собой приблизительный гармонический осциллятор : он раскачивается вперед и назад в точном интервале времени, зависящем от его длины, и сопротивляется раскачиванию с другой скоростью. С момента своего изобретения в 1656 году Христианом Гюйгенсом , вдохновленным Галилео Галилеем , до 1930-х годов маятниковые часы были самым точным хронометристом в мире, что объясняет их широкое распространение. [1] [2] На протяжении 18 и 19 веков маятниковые часы в домах, на фабриках, в офисах и на железнодорожных станциях служили основными эталонами времени для планирования повседневной жизни, рабочих смен и общественного транспорта. Их большая точность позволила обеспечить более быстрый темп жизни, который был необходим для промышленной революции . [3] : стр.623 Домашние маятниковые часы были заменены менее дорогими синхронными электрическими часами в 1930-х и 40-х годах. Часы с маятником сейчас хранятся в основном из-за их декоративной и антикварной ценности.
Для работы маятниковые часы должны быть неподвижными. Любое движение или ускорение будет влиять на движение маятника, вызывая неточности, поэтому в портативных часах необходимо использовать другие механизмы.
Часы с маятником были изобретены 25 декабря 1656 года голландским ученым и изобретателем Христианом Гюйгенсом и запатентованы в следующем году. Он описал это в своей рукописи «Часы» , опубликованной в 1658 году. [4] Гюйгенс поручил изготовление часов часовщику Саломону Костеру , который на самом деле построил часы. [4] Гюйгенс был вдохновлен исследованиями маятников, проведенными Галилео Галилеем, начиная примерно с 1602 года. Галилей обнаружил ключевое свойство, которое делает маятники полезными хронометристами: они изохронны, что означает, что период качания маятника примерно одинаков для колебаний разной величины. . [5] [6] Галилей в 1637 году описал своему сыну механизм, который мог поддерживать колебание маятника, который был назван первой конструкцией маятниковых часов (изображение вверху) . Частично он был построен его сыном в 1649 году, но ни один из них не дожил до его завершения. [4] [7] Внедрение маятника, первого гармонического генератора , используемого в хронометрии, значительно увеличило точность часов, примерно с 15 минут в день до 15 секунд в день [8] , что привело к их быстрому распространению в качестве существующих « граней ». а листовые часы были оснащены маятниками. К 1659 году маятниковые часы производились во Франции часовщиком Николаусом Хане и в Англии Артаксерксом Фромантилем . [4]
Эти ранние часы, благодаря своему спусковому механизму , имели широкий ход маятника [4] — 80–100°. В своем анализе маятников «Horologium Oscillatorium» в 1673 году Гюйгенс показал, что широкие колебания делают маятник неточным, в результате чего его период и, следовательно, скорость хода часов изменяются с неизбежными изменениями движущей силы, обеспечиваемой движением . [4] Осознание часовщиками того, что только маятники с небольшим колебанием в несколько градусов являются изохронными , побудило Роберта Гука к изобретению якорного спуска около 1658 года, [4] который уменьшил колебание маятника до 4–6°. [9] Якорь стал стандартным спусковым механизмом, используемым в маятниковых часах. Помимо повышенной точности, узкий ход маятника якоря позволил в корпусе часов разместить более длинные и медленные маятники, которые требовали меньше энергии и вызывали меньший износ механизма. Секундный маятник (также называемый королевским маятником) длиной 0,994 м (39,1 дюйма) с периодом времени в две секунды стал широко использоваться в качественных часах. Длинные узкие часы, построенные вокруг этих маятников и впервые изготовленные Уильямом Клементом около 1680 года, который также заявлял об изобретении якорного спуска [4] , стали известны как напольные часы . Повышенная точность, возникшая в результате этих разработок, привела к тому, что минутная стрелка, ранее редкая, стала добавляться к циферблатам часов примерно с 1690 года. [10] [4]
Волна часовых инноваций XVIII и XIX веков , последовавшая за изобретением маятника, принесла множество усовершенствований в маятниковые часы. [3] : стр.624 Неподвижный спусковой механизм , изобретенный в 1675 году Ричардом Таунли и популяризированный Джорджем Грэмом около 1715 года в его прецизионных часах-регуляторах, постепенно заменил якорный спусковой механизм [11] [4] и теперь используется в большинстве современных маятниковых часов. . Наблюдение за тем, как летом маятниковые часы замедляются, привело к осознанию того, что тепловое расширение и сжатие стержня маятника при изменении температуры было источником ошибок. Проблема была решена благодаря изобретению маятников с температурной компенсацией; ртутный маятник Грэма в 1721 году и маятник с решеткой Джона Харрисона в 1726 году. [12] [4] Благодаря этим усовершенствованиям к середине 18 века точные маятниковые часы достигли точности в несколько секунд в неделю.
До 19 века часы изготавливались вручную отдельными мастерами и стоили очень дорого. [3] : стр.625 Богатый орнамент маятниковых часов этого периода указывает на их ценность как символов статуса богатых. Часовщики каждой страны и региона Европы разработали свой собственный неповторимый стиль. К 19 веку фабричное производство деталей часов постепенно сделало маятниковые часы доступными для семей среднего класса.
Во время промышленной революции более быстрый темп жизни и планирование смен и общественного транспорта, например поездов, зависели от более точного хронометража, который стал возможен благодаря маятнику. [3] : с.624 Повседневная жизнь строилась вокруг домашних маятниковых часов. Более точные маятниковые часы, называемые регуляторами , устанавливались в торговых точках и на вокзалах и использовались для составления расписания работы и настройки других часов. Необходимость чрезвычайно точного измерения времени в астрономической навигации для определения долготы на кораблях во время длительных морских путешествий привела к разработке наиболее точных маятниковых часов, называемых астрономическими регуляторами . Эти точные инструменты, установленные в хранилищах с часами военно-морских обсерваторий и обеспечивающие точность до доли секунды за счет наблюдения за прохождением звезд над головой, использовались для настройки морских хронометров на военно-морских и коммерческих судах. Начиная с XIX века, астрономические регуляторы в военно-морских обсерваториях служили основными стандартами для национальных служб распределения времени , которые распространяли сигналы времени по телеграфным проводам. [13] С 1909 года Национальное бюро стандартов США (ныне NIST ) основывало стандарт времени США на маятниковых часах Рифлера с точностью до 10 миллисекунд в день. В 1929 году компания перешла на часы со свободным маятником Shortt-Synchronome, а в 1930-х годах перешла на кварцевые стандарты. [14] [15] С погрешностью менее одной секунды в год часы Shortt были самыми точными коммерчески выпускаемыми маятниковыми часами. [16] [17] [18] [19] [20]
Маятниковые часы оставались мировым стандартом точного измерения времени в течение 270 лет, до изобретения кварцевых часов в 1927 году, и использовались в качестве эталонов времени во время Второй мировой войны . Французская служба времени включала маятниковые часы в свой ансамбль стандартных часов до 1954 года . к колебаниям электрической сети .Самыми точными экспериментальными маятниковыми часами, когда-либо созданными [22] [23], возможно, являются часы Литтлмора, построенные Эдвардом Т. Холлом в 1990-х годах [24] (подаренные в 2003 году Национальному музею часов , Колумбия, Пенсильвания, США).
Механизм, приводящий в движение механические часы, называется механизмом. Механизм всех механических маятниковых часов состоит из следующих пяти частей: [25]
Дополнительные функции часов, помимо основного хронометража, называются усложнениями . Более сложные маятниковые часы могут включать следующие осложнения:
В электромеханических маятниковых часах, таких как используемые в механических главных часах, источник питания заменяется соленоидом с электрическим приводом , который передает импульсы маятнику за счет магнитной силы , а спусковой механизм заменяется переключателем или фотодетектором , который определяет, когда маятник находится в правильное положение для получения импульса. Их не следует путать с более поздними кварцевыми маятниковыми часами, в которых электронный модуль кварцевых часов раскачивает маятник. Это не настоящие часы с маятником, поскольку хронометраж контролируется кварцевым кристаллом в модуле, а качающийся маятник представляет собой всего лишь декоративную имитацию.
Маятник в большинстве часов (см. схему) состоит из деревянного или металлического стержня (а) с металлическим грузом, называемым грузиком (б) на конце. Боб традиционно имеет форму линзы, чтобы уменьшить сопротивление воздуха. Деревянные стержни часто использовались в качественных часах, поскольку дерево имело меньший коэффициент теплового расширения, чем металл. Стержень обычно подвешивается к корпусу часов с помощью короткой прямой пружины из металлической ленты (d) ; это позволяет избежать нестабильности, которая была вызвана обычным шарниром. В наиболее точных часах-регуляторах маятник подвешивается на металлических ножевых кромках, опирающихся на плоский агат (твердый минерал, сохраняющий полированную поверхность).
Маятник приводится в движение рычагом, висящим за ним и прикрепленным к анкерной части (h) спускового механизма , называемой «костылем» (e) , заканчивающейся «вилкой» (f) , охватывающей стержень маятника. При каждом повороте маятника спусковое колесо освобождается, и зуб колеса прижимается к одному из поддонов , оказывая кратковременный толчок через костыль и вилку стержня маятника, чтобы он продолжал качаться.
Большинство качественных часов, включая все напольные часы, имеют «секундный маятник», в котором каждое колебание маятника занимает одну секунду (полный цикл занимает две секунды), что составляет примерно один метр (39 дюймов) в длину от оси вращения до центра. боб. Каминные часы часто имеют маятник на полсекунды, длина которого составляет примерно 25 сантиметров (9,8 дюйма). Лишь в нескольких башенных часах используются более длинные маятники: 1,5-секундный маятник длиной 2,25 м (7,4 фута) или иногда двухсекундный маятник длиной 4 м (13 футов), который используется в Больших часах Вестминстера, в которых находится Биг-Бен .
Период колебаний маятника зависит от квадратного корня из его эффективной длины. Для небольших колебаний период T , время одного полного цикла (двух колебаний), равен
где L — длина маятника, а g — местное ускорение силы тяжести . Все маятниковые часы имеют возможность регулировки хода. Обычно это регулировочная гайка (c) под маятниковым маятником, которая перемещает маятник вверх или вниз по стержню. Перемещение качания вверх уменьшает длину маятника, уменьшая период маятника, поэтому часы ускоряют ход. В некоторых маятниковых часах точная регулировка осуществляется с помощью вспомогательной регулировки, которая может представлять собой небольшой груз, перемещаемый вверх или вниз по стержню маятника. В некоторых главных и башенных часах регулировка осуществляется с помощью небольшого подноса, установленного на стержне, куда помещаются или удаляются небольшие грузики для изменения эффективной длины, поэтому скорость можно регулировать, не останавливая часы.
Период маятника незначительно увеличивается с шириной (амплитудой) его качания. Частота ошибок увеличивается с увеличением амплитуды, поэтому, когда колебания маятника ограничены небольшими колебаниями в несколько градусов, он почти изохронен ; его период не зависит от изменения амплитуды. Поэтому поворот маятника в часах ограничен 2–4°.
Малые углы поворота имеют тенденцию к изохронному поведению из-за математического факта, что приближение становится действительным, когда угол приближается к нулю. После этой замены уравнение маятника становится уравнением гармонического осциллятора, который во всех случаях имеет фиксированный период. По мере увеличения угла поворота приближение постепенно терпит неудачу, и период перестает быть фиксированным.
Основным источником ошибок в маятниковых часах является тепловое расширение; Длина стержня маятника слегка изменяется при изменении температуры, что приводит к изменению хода часов. Повышение температуры приводит к расширению стержня, что делает маятник длиннее, поэтому его период увеличивается, и часы отстают. Во многих более старых качественных часах использовались деревянные маятниковые стержни, чтобы уменьшить эту ошибку, поскольку дерево расширяется меньше, чем металл.
Первым маятником, исправившим эту ошибку, был ртутный маятник , изобретенный Грэмом в 1721 году, который использовался в прецизионных часах с регулятором в 20 веке. У них был боб, состоящий из контейнера с жидкой металлической ртутью . Повышение температуры приведет к расширению стержня маятника, но ртуть в контейнере также расширится, и ее уровень в контейнере немного повысится, перемещая центр тяжести маятника вверх к оси. При использовании правильного количества ртути центр тяжести маятника оставался на постоянной высоте, и, таким образом, его период оставался постоянным, несмотря на изменения температуры.
Наиболее широко используемым маятником с температурной компенсацией был маятник с решеткой , изобретенный Джоном Харрисоном около 1726 года. Он состоял из «сетки» параллельных стержней из металла с высоким тепловым расширением, такого как цинк или латунь , и металла с низким тепловым расширением, такого как сталь . При правильном сочетании изменение длины стержней с высоким расширением компенсировало изменение длины стержней с низким расширением, снова достигая постоянного периода маятника при изменении температуры. Этот тип маятника настолько стал ассоциироваться с качеством, что на маятниковых часах часто можно увидеть декоративные «фальшивые» решетки, которые не имеют реальной функции температурной компенсации.
Начиная примерно с 1900 года, некоторые из самых точных научных часов имели маятники, изготовленные из материалов со сверхнизким расширением, таких как сплав никелевой стали инвар или плавленый кварц , что требовало очень незначительной компенсации воздействия температуры.
Вязкость воздуха, в котором качается маятник, будет меняться в зависимости от атмосферного давления, влажности и температуры. Для этого сопротивления также требуется мощность, которую в противном случае можно было бы использовать для увеличения времени между обмотками. Традиционно маятник имеет узкую обтекаемую форму линзы, чтобы уменьшить сопротивление воздуха, на которое уходит большая часть движущей силы качественных часов. В конце 19-го и начале 20-го веков маятники для прецизионных часов-регуляторов в астрономических обсерваториях часто работали в камере, накачанной до низкого давления, чтобы уменьшить сопротивление и сделать работу маятника еще более точной, избегая изменений атмосферного давления. Точную регулировку хода часов можно было производить путем небольших изменений внутреннего давления в герметичном корпусе.
Чтобы показывать время точно, маятниковые часы должны быть выровнены. В противном случае маятник раскачивается больше в одну сторону, чем в другую, нарушая симметричную работу спускового механизма. Это состояние часто можно услышать в тиканье часов. Тики или «удары» должны происходить с одинаковыми интервалами, чтобы издавать звук «тик… так… тик… так»; если это не так и они издают звук «тик-так… тик-так…», то часы сбились с ритма и их необходимо выровнять. Эта проблема может легко привести к тому, что часы перестанут работать, и является одной из наиболее частых причин обращения в сервисную службу. Уровень или часы-хронометр могут обеспечить более высокую точность , чем полагаясь на звук ритма; прецизионные регуляторы часто имеют встроенный уровень для этой задачи. Старые отдельно стоящие часы часто имеют ножки с регулируемыми винтами для их выравнивания, а более поздние модели имеют регулировку выравнивания механизма. Некоторые современные маятниковые часы имеют устройства «автоматического ритма» или «саморегулирующейся регулировки ритма» и не нуждаются в этой настройке.
Поскольку скорость маятника будет увеличиваться с увеличением силы тяжести, а местное гравитационное ускорение меняется в зависимости от широты и высоты на Земле, маятниковые часы высочайшей точности необходимо перенастраивать, чтобы отсчитывать время после движения. Например, маятниковые часы, перемещенные с уровня моря на высоту 4000 футов (1200 м), будут терять 16 секунд в день. [26] В самых точных маятниковых часах даже перемещение часов на вершину высокого здания приведет к тому, что они потеряют измеримое время из-за более низкой гравитации. [27] Местная гравитация также варьируется примерно на 0,5% в зависимости от широты между экватором и полюсами, причем сила тяжести увеличивается в более высоких широтах из-за сплюснутой формы Земли. Таким образом, точные часы-регуляторы, использовавшиеся для астрономической навигации в начале 20-го века, приходилось перекалибровывать при перемещении на другую широту.
Также называемый маятником с крутильной пружиной, это колесообразная масса (чаще всего четыре сферы на поперечных спицах), подвешенная к вертикальной полосе (ленте) из пружинной стали, используемой в качестве регулирующего механизма в часах с крутильным маятником . Вращение массы заводит и разматывает пружину подвески, при этом энергетический импульс прикладывается к вершине пружины. Основным преимуществом маятника этого типа является его низкое энергопотребление; с периодом 12–15 секунд по сравнению с периодом гравитационного маятника 0,5–2 с можно изготовить часы, которые нужно заводить только каждые 30 дней, а то и только раз в год и чаще. Поскольку восстанавливающая сила обеспечивается упругостью пружины , которая меняется в зависимости от температуры, на нее больше влияют изменения температуры, чем на маятник, качающийся под действием силы тяжести. В наиболее точных торсионных часах используется пружина из элинвара , имеющая низкий температурный коэффициент упругости.
Часы с крутильным маятником, требующие только ежегодного завода, иногда называют « часами на 400 дней» или « юбилейными часами », их иногда дарят на свадьбу . Торсионные маятники также используются в «вечных» часах, которые не требуют завода, поскольку их боевая пружина заводится за счет изменений атмосферной температуры и давления с помощью сильфонного устройства. В часах Atmos , например, используется крутильный маятник с длительным периодом колебаний 60 секунд.
Спусковой механизм представляет собой механическую связь, которая преобразует силу, действующую на колесо часов , в импульсы, заставляющие маятник раскачиваться вперед и назад. Это та часть, которая издает тикающий звук в работающих маятниковых часах. Большинство спусковых механизмов состоят из колеса с заостренными зубьями, называемого спусковым колесом , которое вращается колесной передачей часов, и поверхностей, на которые наталкиваются зубья, называемых поддонами . Во время большей части качания маятника колесо не может вращаться, потому что зуб упирается в один из поддонов; это называется «заблокированным» состоянием. При каждом качании маятника поддон освобождает зуб спускового колеса. Колесо поворачивается вперед на фиксированную величину, пока зуб не зацепится за другой поддон. Эти релизы позволяют колесной передаче часов продвигаться вперед на фиксированную величину при каждом повороте, перемещая стрелки вперед с постоянной скоростью, контролируемой маятником.
Хотя спусковой механизм необходим, его сила нарушает естественное движение маятника, и в прецизионных маятниковых часах это часто было ограничивающим фактором точности часов. На протяжении многих лет в маятниковых часах использовались различные спусковые механизмы, чтобы попытаться решить эту проблему. В 18 и 19 веках конструкция спуска была в авангарде достижений в области хронометража. Якорный спусковой механизм (см. анимацию) был стандартным спусковым механизмом, использовавшимся до 1800-х годов, когда в прецизионных часах появилась улучшенная версия, спусковой механизм с мертвым ходом . Сегодня он используется почти во всех маятниковых часах. Ремонтуар , небольшой пружинный механизм, подматывающийся через определенные промежутки времени и служащий для изоляции спускового механизма от изменяющейся силы колесной передачи, использовался в нескольких прецизионных часах. В башенных часах колесная передача должна поворачивать большие стрелки на циферблате снаружи здания, и вес этих стрелок, меняющийся в зависимости от накопления снега и льда, оказывает различную нагрузку на колесную передачу. В башенных часах использовались гравитационные спусковые механизмы .
К концу XIX века специальные спусковые механизмы использовались в самых точных часах, называемых астрономическими регуляторами , которые использовались в военно-морских обсерваториях и для научных исследований. Спусковой механизм Рифлера, используемый в часах-регуляторах Клеменса-Рифлера, имел точность до 10 миллисекунд в день. Были разработаны электромагнитные спусковые механизмы, в которых для включения соленоидного электромагнита использовался переключатель или фототрубка , придающая маятнику импульс, не требуя механической связи. Самыми точными маятниковыми часами были часы Shortt-Synchronome, сложные электромеханические часы с двумя маятниками, разработанные в 1923 году У. Шорттом и Фрэнком Хоуп-Джонсом , точность которых составляла менее одной секунды в год. Подчиненный маятник в отдельных часах был связан электрической цепью и электромагнитами с главным маятником в вакуумном резервуаре. Подчиненный маятник выполнял функции измерения времени, позволяя главному маятнику раскачиваться практически без помех извне. В 1920-х годах синхронизм Шортта на короткое время стал высшим стандартом измерения времени в обсерваториях, прежде чем кварцевые часы вытеснили маятниковые часы в качестве эталонов точного времени.
Система индикации почти всегда представляет собой традиционный циферблат с движущимися часовой и минутной стрелками. Многие часы имеют небольшую третью стрелку, указывающую секунды на вспомогательном циферблате. Маятниковые часы обычно предназначены для установки путем открытия стеклянной крышки и ручного перемещения минутной стрелки по циферблату до нужного времени. Минутная стрелка установлена на скользящей фрикционной втулке, что позволяет ей вращаться на оправке. Часовая стрелка приводится не от колесной передачи , а от вала минутной стрелки через небольшой набор шестерен, поэтому вращение минутной стрелки вручную также приводит в движение часовую стрелку.
Часы с маятником долговечны и не требуют особого ухода, что является одной из причин их популярности.
Как и в любом механизме с движущимися частями, требуется регулярная чистка и смазка . Для часов были разработаны специальные смазочные материалы низкой вязкости , одна из наиболее широко используемых — синтетическое полиалканоатное масло .
Пружины и штифты могут изнашиваться, ломаться и нуждаться в замене.
Маятниковые часы были чем-то большим, чем просто утилитарными хронометристами; из-за своей высокой стоимости они были символами статуса , выражавшими богатство и культуру их владельцев. Они развились в ряде традиционных стилей, специфичных для разных стран и времен, а также для их предполагаемого использования. Стили корпусов в некоторой степени отражают стили мебели, популярные в тот период. Эксперты часто могут определить, когда в течение нескольких десятилетий были изготовлены старинные часы, по тонким различиям в их корпусах и циферблатах. Вот некоторые из различных стилей маятниковых часов:
