Механические часы — это часы , которые используют часовой механизм для измерения хода времени, в отличие от кварцевых часов , которые функционируют с использованием режимов вибрации пьезоэлектрического кварцевого камертона , или радиочасов , которые представляют собой кварцевые часы, синхронизированные с атомными часами посредством радиоволн . Механические часы приводятся в движение главной пружиной , которую необходимо периодически заводить либо вручную, либо с помощью механизма с автоподзаводом . Ее сила передается через ряд шестеренок для питания балансового колеса , утяжеленного колеса, которое колеблется вперед и назад с постоянной скоростью. Устройство, называемое спусковым механизмом, освобождает колеса часов, чтобы они двигались вперед на небольшое расстояние с каждым качанием балансового колеса, перемещая стрелки часов вперед с постоянной скоростью. Спусковой механизм — это то, что издает «тикающий» звук, который слышен в работающих механических часах. Механические часы появились в Европе в 17 веке из часов с пружинным приводом , которые появились в 15 веке.
Механические часы, как правило, не такие точные, как кварцевые часы, [1] [2] [3] и в конечном итоге требуют периодической чистки, смазки и калибровки опытным часовщиком. [3] С 1970-х и 1980-х годов, в результате кварцевого кризиса , кварцевые часы захватили большую часть рынка часов, а механические часы (особенно швейцарские ) теперь в основном продаются как предметы роскоши , покупаемые из-за их эстетической и роскошной ценности, для признания их тонкого мастерства, [2] или как символ статуса . [2]
Внутренний механизм часов, за исключением циферблата и стрелок, называется движением . Все механические часы состоят из следующих пяти частей:
Дополнительные функции на часах, помимо основных хронометрических, традиционно называются усложнениями . Механические часы могут иметь следующие усложнения:
Механические часы — это зрелая технология , и большинство обычных часовых механизмов имеют те же детали и работают так же. [9]
Главная пружина , которая приводит в действие часы, спиральная лента из пружинной стали, находится внутри цилиндрического барабана , внешний конец которого прикреплен к барабану. Сила главной пружины вращает барабан. Барабан имеет зубья шестерни снаружи, которые поворачивают центральное колесо один раз в час — это колесо имеет вал, который проходит через циферблат. Со стороны циферблата шестерня пушки прикреплена с помощью фрикционной посадки (что позволяет ей скользить при установке стрелок), а минутная стрелка прикреплена к шестерне пушки. Шестерня пушки приводит в движение небольшую понижающую передачу 12 к 1, называемую работой механизма , которая поворачивает часовое колесо и стрелку один раз за каждые 12 оборотов минутной стрелки.
При одинаковой частоте колебаний продолжительность хода, время работы или запас хода механических часов в основном зависят от размера используемой пружины, что, в свою очередь, зависит от необходимой мощности и наличия свободного места. Если механизм загрязнен или изношен, мощность может не передаваться от пружины к спусковому механизму эффективно. Обслуживание может помочь восстановить ухудшенное время работы. Большинство механических часовых механизмов имеют продолжительность хода от 36 до 72 часов. Некоторые механические часовые механизмы способны работать в течение недели. Точная продолжительность хода механического механизма рассчитывается по формуле [10] ,
где — количество зубцов барабана, — количество лепестков центральной шестерни, — количество оборотов барабана, — количество оборотов центральной шестерни — продолжительность хода.
Центральное колесо приводит в движение шестерню третьего колеса, а третье колесо приводит в движение шестерню четвертого колеса. В часах с секундной стрелкой на вспомогательном секундном циферблате, обычно расположенном над позицией 6 часов, четвертое колесо приводится в движение с частотой один оборот в минуту, а секундная стрелка крепится непосредственно к оси этого колеса.
Четвертое колесо также приводит в движение спусковое колесо рычажного спуска . Зубцы спускового колеса поочередно зацепляются за два пальца, называемые палетами, на плечах рычага палет , который качается вперед и назад. Другой конец рычага имеет вилку, которая зацепляется с вертикальным импульсным штифтом на валу балансира . Каждый раз, когда балансир качается через свое центральное положение, он разблокирует рычаг, который освобождает один зуб спускового колеса, позволяя колесам часов продвигаться на фиксированную величину, перемещая стрелки вперед. Когда спусковое колесо вращается, его зуб толкает рычаг, который дает балансиру кратковременный толчок, заставляя его качаться вперед и назад.
Балансовое колесо отсчитывает время для часов. Оно состоит из утяжеленного колеса, которое вращается вперед и назад, которое возвращается в свое центральное положение тонкой спиральной пружиной, пружиной баланса или «волосковой пружиной» . Колесо и пружина вместе составляют гармонический осциллятор . Масса балансового колеса сочетается с жесткостью пружины для точного управления периодом каждого колебания или «удара» колеса. Период колебания балансового колеса T в секундах, время, необходимое для одного полного цикла (два удара), составляет
где - момент инерции колеса в килограмм-метрах 2 , а - жесткость ( постоянная пружины ) его пружины баланса в ньютон-метрах на радиан. Большинство колес баланса часов колеблются с частотой 5, 6, 8 или 10 ударов в секунду. Это соответствует 2,5, 3, 4 и 5 Гц соответственно или 18000, 21600, 28800 и 36000 ударов в час (BPH). В большинстве часов на пружине баланса есть рычаг регулятора , который используется для регулировки скорости хода часов. Он имеет два штифта бордюра , которые охватывают последний виток пружины, удерживая часть за штифтами неподвижно, поэтому положение штифтов бордюра определяет длину пружины. Перемещение рычага регулятора сдвигает штифты бордюра вверх или вниз по пружине, чтобы контролировать ее эффективную длину. Перемещение штифтов вверх по пружине сокращает длину пружины, делает ее жестче, увеличивая ее в уравнении выше, уменьшая период колеса, поэтому оно качается вперед и назад быстрее, заставляя часы идти быстрее.
Отдельный набор шестерен, называемый бесключевым механизмом, заводит главную пружину при вращении заводной головки , а когда заводная головка вытягивается на небольшое расстояние, стрелки поворачиваются для установки часов. Шток, прикрепленный к заводной головке, имеет шестерню, называемую сцеплением или колесом замка , с двумя кольцами зубьев, которые выступают в осевом направлении от концов. Когда шток вдавливается, внешние зубья поворачивают храповое колесо наверху барабана главной пружины, которое поворачивает вал, к которому прикреплен внутренний конец главной пружины, наматывая главную пружину плотнее вокруг вала. Подпружиненная собачка или щелчок давит на зубья храповика, предотвращая раскручивание главной пружины. Когда шток вытягивается, внутренние зубья колеса замка входят в зацепление с шестерней, которая вращает минутное колесо. Когда заводная головка поворачивается, фрикционная муфта шестерни пушки позволяет стрелкам вращаться.
Если секундная стрелка соосна с минутной и часовой стрелками, то есть она вращается в центре циферблата, такое расположение называется «центральной секундной стрелкой» или «скользящей секундной стрелкой», поскольку секундная стрелка движется по минутной дорожке на циферблате.
Первоначально центральные секундные стрелки приводились в движение третьим колесом, иногда через промежуточное колесо, с зубчатой передачей на внешней стороне верхней пластины. Этот метод привода секундной стрелки называется косвенным центральным секундным механизмом. Поскольку зубчатая передача находилась снаружи пластин, она увеличивала толщину механизма, а поскольку вращение третьего колеса должно было быть усилено, чтобы повернуть секундную стрелку один раз в минуту, секундная стрелка имела порхающие движения. [11]
В 1948 году Zenith представила часы с переработанной зубчатой передачей, в которой четвертое колесо находилось в центре механизма, и таким образом могло приводить в движение центральную секундную стрелку напрямую. Минутное колесо, которое ранее находилось в центре механизма, было смещено от центра и приводило в движение минутную стрелку косвенно. Любое дрожание из-за непрямой передачи скрывается относительно медленным движением минутной стрелки. Эта переделка перенесла всю зубчатую передачу между пластинами и позволила сделать движение более тонким. [12]
Подшипники из драгоценных камней были изобретены и внедрены в часы Николя Фатио (или Фасио) де Дюйе и Пьером и Жакобом Дебофр около 1702 года [13] [14] для уменьшения трения. Они не получили широкого распространения до середины 19 века. До 20 века их изготавливали из крошечных кусочков натуральных драгоценных камней. Часы часто имели гранатовые , кварцевые или даже стеклянные камни; только в часах высшего качества использовались сапфиры или рубины . [13] В 1902 году был изобретен процесс выращивания искусственных сапфировых кристаллов, что сделало драгоценные камни намного дешевле. Драгоценные камни в современных часах — это все синтетический сапфир или (обычно) рубин, изготовленный из корунда (Al 2 O 3 ), одного из самых твердых известных веществ. Единственное различие между сапфиром и рубином заключается в том, что для изменения цвета были добавлены различные примеси; разницы в их свойствах как подшипника нет. [15] Преимущество использования драгоценных камней в том, что их сверхтвердая гладкая поверхность имеет меньший коэффициент трения с металлом. Коэффициент трения покоя стали по стали составляет 0,58, а сапфира по стали — 0,10–0,15. [16]
Драгоценные камни выполняют две функции в часах. [17] Во-первых, уменьшенное трение может повысить точность. Трение в подшипниках колесной передачи и спусковом механизме вызывает небольшие изменения импульсов, приложенных к балансировочному колесу , что приводит к изменениям в скорости отсчета времени. Низкое, предсказуемое трение поверхностей драгоценных камней уменьшает эти изменения. Во-вторых, они могут увеличить срок службы подшипников. В подшипниках без драгоценных камней оси колес часов вращаются в отверстиях в пластинах, поддерживающих механизм. Боковая сила, прикладываемая приводной шестерней, вызывает большее давление и трение на одной стороне отверстия. В некоторых колесах вращающийся вал может истирать отверстие, пока оно не станет овальным, в конечном итоге вызывая заклинивание шестерни, останавливая часы.
В спусковом механизме драгоценные камни используются для деталей, работающих за счет трения скольжения: [17]
В подшипниках используются два различных типа:
Количество камней, используемых в часовых механизмах, увеличилось за последние 150 лет, поскольку драгоценности стали менее дорогими, а часы более точными. Единственные подшипники, которые действительно нуждаются в драгоценностях в часах, это те, что находятся в движущейся передаче - зубчатой передаче , которая передает усилие от барабана главной пружины к балансировочному колесу - поскольку только они постоянно находятся под действием силы от главной пружины. [21] Колеса, которые вращают стрелки (движение ) , и колеса календаря не находятся под нагрузкой, в то время как те, которые заводят главную пружину (бесключевой механизм ) , используются очень редко, поэтому они не изнашиваются значительно. Трение оказывает наибольшее влияние на колеса, которые движутся быстрее всего, поэтому они больше всего выигрывают от драгоценностей. Поэтому первым механизмом, который был украшен драгоценностями в часах, были шарниры балансировочного колеса, за которыми последовал спусковой механизм . По мере того, как добавлялось больше драгоценных подшипников, их применяли к более медленно движущимся колесам, и драгоценности продвигались вверх по движущейся передаче к барабану. В часах с 17 камнями каждый подшипник от балансира до подшипников оси центрального колеса был украшен камнями, поэтому они считались «полностью украшенными камнями». [18] В качественных часах, чтобы минимизировать позиционную погрешность, к подшипникам рычага и спускового колеса добавлялись замковые камни, в результате чего получалось 21 камень. Даже вал заводного барабана иногда украшался камнями, в результате чего общее количество камней достигало 23. Когда в 1950-х годах появились часы с автоподзаводом, несколько колес в механизме автоматического подзавода были украшены камнями, что увеличило их количество до 25–27.
Сомнительно, что добавление камней в дополнение к перечисленным выше действительно полезно в часах. [22] Это не увеличивает точность, так как единственные колеса, которые влияют на балансировочное колесо, те, что в движущейся передаче , уже украшены камнями. Морские хронометры , самые точные портативные часы, часто имеют только 7 камней. Украшения дополнительных подшипников колес также не увеличивают срок службы механизма; как упоминалось выше, большинство других колес не получают достаточного износа, чтобы нуждаться в них.
Однако к началу 20 века часовые механизмы были стандартизированы до такой степени, что между их механизмами было мало различий, кроме качества изготовления. Поэтому производители часов сделали количество камней, один из немногих показателей, отличающих качественные часы, основным рекламным пунктом, указав его на видном месте на циферблате часов. Потребители, которым было мало на что опереться, научились приравнивать больше камней к большему качеству в часах. Хотя изначально это было хорошим показателем качества, это дало производителям стимул увеличивать количество камней.
Около 1960-х годов эта «увлечение драгоценностями» достигло новых высот, и производители стали выпускать часы с 41, 53, 75 или даже 100 камнями. [21] [22] Большинство из этих дополнительных камней были совершенно нефункциональными; они никогда не контактировали с движущимися частями и были включены только для увеличения количества камней. Например, часы Waltham 100 Jewel состояли из обычного механизма с 17 камнями, с 83 крошечными кусочками рубина, установленными вокруг ротора автоматического завода. [23]
В 1974 году Международная организация по стандартизации (ISO) в сотрудничестве со швейцарской организацией по стандартам часовой промышленности Normes de l'Industrie Horlogère Suisse (NIHS) опубликовала стандарт ISO 1112, который запрещал производителям включать такие нефункциональные драгоценные камни в количество драгоценных камней в рекламной и торговой литературе. Это прекратило использование полностью нефункциональных драгоценных камней. Однако некоторые эксперты говорят, что производители продолжали завышать количество драгоценных камней в своих часах с помощью «увеличения драгоценных камней»: добавляя функциональные драгоценные подшипники к колесам, которые на самом деле в них не нуждаются, используя лазейки в ISO 1112. [22] Приведенные примеры включают добавление замковых камней к подшипникам третьего и четвертого колес, драгоценные минутные подшипники колеса и храповые собачки автоматического завода . Вероятно, ни одно из этих дополнений не добавляет точности или долговечности часам.
Некоторые высококачественные механические часы оснащены функцией мирового времени , которая представляет собой безель с указанием города , а также безель с указанием часа , который вращается в соответствии с часовым поясом города.
На безеле городов обычно изображено 27 городов (соответствующих 24 основным часовым поясам), начиная с GMT/UTC :
Питера Генлейна часто называют изобретателем первых карманных часов , «Нюрнбергского яйца», которые были созданы в 1510 году, но это утверждение, по-видимому, относится к изобретению 19 века и не встречается в более старых источниках. [24]
До кварцевой революции 1970-х годов все часы были механическими. Ранние часы были ужасно неточными; хорошие часы могли отклоняться на 15 минут в день. Современная точность (несколько секунд в день) не была достигнута ни одними часами до 1760 года, когда Джон Харрисон создал свои морские хронометры . Индустриализация процесса производства механизмов компанией Waltham Watch Company в 1854 году сделала возможной дополнительную точность; компания выиграла золотую медаль на выставке Philadelphia Centennial Exposition 1876 года за качество производства. [25]
Механические часы работают от главной пружины . Современные механические часы требуют в среднем порядка 1 микроватта мощности [26] Поскольку главная пружина обеспечивает неравномерный источник энергии (ее крутящий момент постоянно уменьшается по мере раскручивания пружины), часы с начала 16-го века до начала 19-го века имели цепной привод фузеи , который служил для регулирования крутящего момента на выходе главной пружины на протяжении всего ее завода. К сожалению, фузеи были очень хрупкими, их очень легко было сломать, и они были источником многих проблем, особенно неточности хронометража, когда цепь фузеи ослабевала или теряла скорость из-за отсутствия обслуживания. [27]
Поскольку были созданы новые типы спусковых механизмов , которые служили для лучшей изоляции часов от источника времени, пружины баланса , часы можно было изготавливать без фузеи и при этом сохранять точность хода. [28]
В 18 веке оригинальный спусковой механизм с вертлюгом , для которого требовалась фузея, был постепенно заменен в лучших французских часах цилиндрическим спусковым механизмом , а в британских часах — дуплексным спусковым механизмом . В 19 веке оба были заменены рычажным спусковым механизмом , который использовался почти исключительно с тех пор. [29] Более дешевая версия рычага, штифтовый рычажный спусковой механизм , запатентованный в 1867 году Жоржем Фредериком Роскопфом, использовался в недорогих часах до 1970-х годов.
Поскольку механические часы с ручным заводом стали менее популярными и менее предпочтительными в 1970-х годах, часовые дизайнеры и промышленники выпустили автоматические часы . В то время как механические часы должны быть заведены с помощью подвески или рычага, автоматические часы не нужно заводить с помощью подвески; простое вращение часов заводит часы автоматически. Внутри автоматических часов находится поворотная металлическая или латунная «пластина», которая поворачивается вокруг своей оси, когда часы встряхивают горизонтально. [30]
{{cite web}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)