Содержание
Первый век часов — часы пока не ходят
Второй век часов — идут старинные часы
Материалы часовых механизмов
Третий век часов — часы для «часа пик»
Измерять время тем или иным способом люди умели всегда. Просто на различных ступенях развития цивилизации уровень и точность этих измерений были разными.
И наверное, проницательный читатель уже догадался, что «три века» часов, означают нечто иное, чем просто триста лет.
Первый век часов — часы пока не ходят
…Меж тем песок в моих часах песочных
просыпался,
и надо мной был пуст стеклянный купол,
там сверкали звезды,
и надо было выждать только миг,
покуда снова кто-то надо мной
перевернет песочные часы,
переместив два конуса стеклянных,
и снова слушать,
как течет песок,
неспешное отсчитывая время.
Левитанский Ю. «Песочные часы»
Было время, когда время действительно было неспешным. И часы еще не шли, поскольку не имели ни механизма, ни стрелок. Идти было нечему.
Кто (и когда) первым предложил определять время по длине падающей от деревьев тени, неизвестно. Во всяком случае, это было в глубокой древности и никаких специальных знаний не требовало — только наблюдательности и смекалки.
Позже та же наблюдательность подсказала, что по направлению тени время можно определять точнее, чем по длине. После этого оставалось догадаться, что можно обойтись и без деревьев.
Вот так и появились переносные солнечные часы, гномоны со столбиком и расчерченной площадкой (или полусферой) — циферблатом. Солнечные часы распространились по всему древнему миру, стали неотъемлемой частью быта горожан.
Но — странное дело далеко — не всем это пришлось по вкусу. Персонаж одной из комедий Плавта просил богов наслать проклятие на создателя солнечных часов с такой «веской» аргументацией:
«Прежде желудок был моими солнечными часами, из всех часов самыми лучшими и самыми верными. Везде эти часы приглашали к еде, кроме того случая, когда нечего было есть; теперь же и то, что имеется, не едят, если это не нравится солнцу»…
Об устройстве солнечных часов написано столько, что нет смысла повторяться. Желающим увидеть их воочию не обязательно идти в музей.
Они сохранились на верстовых столбах по дороге из Санкт-Петербурга в Москву и в самой столице — над входом в здание историко-архивного института, на старом корпусе МГУ, в музее-усадьбе «Коломенское»…
Часы сохранились на верстовых столбах
Самоочевидно, что ночью и в пасмурную погоду от солнечных часов толку мало. На некоторых из них были даже специальные надписи типа «показываю время только в светлые часы». А для темных придумали другой прибор — водяные часы, или клепсидры.
Водяные часы
Их устройство тоже не отличалось сложностью. Через отверстие в дне конусообразной чаши вытекала вода, уровень которой и указывал на время. Самой древней из таких чаш три с половиной тысячелетия.
По принципу водяных часов устроены и песочные. И песок перетекает из сосуда в сосуд. Песочные часы благополучно дожили до наших дней: ими и сегодня иногда пользуются медики, химики, фотолаборанты.
Песочные часы
Очень долго, хотя и не слишком успешно, песочные часы служили на флоте. Отсюда распространенное в морском лексиконе выражение «бить склянки».
Разумеется, никакой посуды моряки не били: били в колокол — в тот момент, когда песок кончался, а заполненные им «склянки» переворачивали.
Самым трудным делом при изготовлении этого в общем-то простого прибора было получение песка нужного качества.
Его по нескольку раз просеивали, а затем кипятили с вином и лимонным соком, снимая пену. Таким образом получали песок, который не слипался.
Позже стали использовать песок, который оставался после распиливания мрамора. Его еще раз дробили, размалывали и тщательно просеивали. Надобность в химической обработке отпала.
Были еще и огневые часы, изобретенные в древнем Китае. Из смеси мелких опилок и смолы лепили длинные палочки, которые могли равномерно гореть неделями, а то и месяцами. Время узнавали по сохранившимся делениям, заранее нанесенным на палочки.
Огневые часы
Усовершенствованный вариант огневых часов — спирали, приготовленные по той же простой технологии. Такие часы могли служить и будильником. В точно рассчитанном месте горючей спирали подвешивали на тонких нитях металлические шарики.
В назначенное время огонь пережигал нити, и шарики со звоном падали в подставленную металлическую чашу. Главная прелесть всех этих незатейливых приборов в их простоте. Не надо было беспокоиться ни о дефицитных запчастях, ни о смазке.
Ремонт — если он и требовался — был самым незамысловатым. А огневым часам он был и вовсе не нужен — в их основе лежал ультрасовременный принцип одноразового употребления.
Второй век часов — идут старинные часы
Стучали падуанские часы,
и педантично страсбургские били,
и четко час на четверти дробили
Милана мелодичные часы.
Левитанский Ю.
«Божественная комедия» считается первым литературным источником, в котором упоминается о механических часах. Правда, некоторые специалисты ставят под сомнение это утверждение, полагая, что автор имел в виду сложный механизм водяных часов.
Некоторые основания для этого есть. Выдающиеся механики прошлого на основе немудреного принципа клепсидры создавали такие приборы, которые с полным основанием можно назвать часами. В них были и сложные передаточные механизмы, и даже циферблат со стрелками.
Время они показывали столько точно, что Ньютон и Галилей, жившие уже в эпоху механических часов, для самых ответственных опытов предпочитали водяные.
И все же Данте, видимо, описал именно механические часы: дата их рождения практически совпадает со временем написания «Божественной комедии».
Механические часы
В начале четырнадцатого века часы, наконец, пошли — закрутились колеса и шестерни, заскользили вверх и вниз гири, приводящие в движение внушительных размеров механизмы.
Стрелка на циферблате поначалу была лишь одна — часовая. Минутная появилась лишь в 1550 г., но еще целое столетие играла главным образом декоративную роль. Точность первых механических часов оставляла желать много лучшего…
Устанавливали механические часы на самых высоких башнях, чтобы весь город мог их видеть или по крайней мере слышать их бой каждый час. Традиция часов с боем — тех же времен.
Летописи донесли до нас описание первых (1404 год!) часов Московского Кремля:
«Сей часник наречется часомерье, на всякий час ударяет молотом в колокол, размеряя и рассчитывая часы ночные и дневные, и не бо человек ударяше, но человековидно, самозвонно и самодвижно, страннолепно некако сотворено есть человеческой хитростью преизмечтано и преухищрено». Нужен перевод? По- моему, нет: смысл ясен.
От башенных часов довольно скоро (какие-то сто — двести лет) перешли к часам не столь монументальным — напольным и настольным.
А когда чьей-то светлой голове пришла мысль использовать для завода часов плоскую стальную пружину спираль, часы уменьшились до того, что их стало можно носить в кармане.
Но настоящий переворот, после которого часы стали показывать время вполне сносно, произошел лишь в середине XVII века. Связан он прежде всего с именем голландского ученого Христиана Гюйгенса.
В 1658 г. Х. Гюйгенс практически воплотил идею Г. Галилея в качестве регулятора хода использовать маятник. А еще через полтора десятилетия Х. Гюйгенс же нашел надежный регулятор и для карманных часов, соединив спираль с массивным металлическим колесом — балансом.
Вот уже триста лет мы живем по часам, созданным по идеям Гюйгенса. Правда, за это время в их конструкцию внесли множество изменений, главная цель которых — повысить точность.
Известно, что в 1714 году английское правительство объявило огромную по тем временам премию — 20 тысяч фунтов стерлингов тому, кто представит точный хронометр.
Только через полвека англичане вручили премию своему соотечественнику Джону Гаррисону. Корабль, снабженный его хронометром, благополучно завершил трехмесячное контрольное плавание, за время которого часы ушли вперед всего на 54 секунды.
Portrait of John Harrison (1693-1776)
Кстати, с тех пор у часов появилась третья — секундная стрелка. Дж. Гаррисон сумел, говоря словами М. В. Ломоносова, предотвратить «помешательства сих часов от шатанья корабля и от перемены теплоты и стужи происходящие».
Анкерный механизм спуска, изобретенный Гаррисоном.
Маятник своего хронометра он сделал решетчатым из пяти стальных и четырех латунных прутьев. Короткие стержни из металла с большим коэффициентом теплового расширения поднимали маятник ровно настолько, насколько его опускали более длинные стержни из металла с меньшим коэффициентом расширения.
Поступали и по-другому — к стальному маятнику прикрепляли сосуд с ртутью. При нагревании ртуть расширялась и возвращала центр тяжести маятника на прежнее место, компенсируя удлинение стального стержня.
Этим остроумным изобретениям суждено было прожить до конца прошлого века, пока швейцарский физик Ш. Э. Гильом не изобрел два новых железоникелевых сплава инвар и элинвар.
Первый как будто специально создан для маятников. Он практически не изменяет длины в широком интервале температур. У второго (в его состав входят еще хром, молибден и вольфрам) от температуры мало зависят упругие свойства.
Из него начали делать часовые спирали. Дальнейшая судьба этих сплавов оказалась разной. Инвар широко применяется и сейчас, элинвару нашли замену — изобрели группу подобных сплавов с еще лучшими характеристиками: ниварокс (добавки — бериллий, вольфрам и молибден), хроновар (углерод, молибден, хром и марганец) и другие.
Швейцарский спусковой механизм.
Материалы часовых механизмов
Коротко — о материалах других деталей.
Чтобы превратить колебания регулятора во вращение стрелок, в часах крутятся многочисленные колеса и шестерни (трибы). Материал для них с давних пор остается неизменным: колеса делают из латуни, а трибы из стали.
Такому постоянству есть простое объяснение: у пары сталь — латунь минимальный коэффициент взаимного трения. Следовательно, в погрешность часов передаточный механизм вносит минимально возможный вклад.
С той же целью — уменьшить трение оси стараются делать как можно тоньше. В наручных часах их толщина составляет доли миллиметра. Из-за этого в точках опоры возникают огромные нагрузки 150 кг/мм2 и даже выше.
Только самые твердые материалы, например камни из группы корунда, могут выдержать подобные давления. Чаще всего опорой служат искусственные рубины и лейкосапфиры. Их количество обозначается на циферблате и несет информацию о сложности и точности механизма.
Опорные рубины
Выбор материала для корпуса, циферблата и внешней отделки часов не ограничен ничем, кроме творческой фантазии мастера. Шедевры часовых дел мастеров по праву украшают художественные музеи мира. О любом хорошо отлаженном механизме нередко говорят, что он «работает как часы».
На то — несколько причин, и одна из них — традиционно добросовестное отношение часовщиков к своему ремеслу. Еще в конце ХІХ в. известный часовщик Юлиус Гене в своем «Кратком курсе часового мастерства» давал такое наставление начинающим мастерам:
«Каждые доверенные нам часы должны составлять для нас сокровище, которое следует оберегать, чтобы оно по нашей вине не теряло ценности или красоты вида».
Еще одна причина точной работы — совершенные смазки, используемые в часовых механизмах. Правильно смазать часы — вовсе не простое дело. Прежде всего надо знать, чем смазывать.
Каждый из мастеров прошлого составлял смазку сам и состав ее хранил в глубоком секрете. В состав смазок входили и минеральные и растительные масла, и животные жиры.
В не столь отдаленном прошлом широко применяли спермацетовый жир, бывший одним из продуктов китобойного промысла. Сейчас киты занесены в «Красную книгу», и спермацетовым жиром, конечно, не пользуются.
Основу современных смазочных масел, как правило, составляют полиалкилсилоксаны или синтетические сложные эфиры. К ним добавляют целый букет присадок разнообразного назначения.
Одни предохраняют масло от окисления, другие уменьшают износ механизма, третьи придают нужную вязкость и т. д.
Для различных часов, естественно, нужны разные смазки. Одно дело смазать часы Спасской башни Кремля и совсем другое наручные женские часики. Есть смазки вроде бы на все случаи часовой жизни.
Но тем не менее в большинстве случаев мы тащим часы в мастерскую именно потому, что смазка стала выполнять свое назначение хуже или вообще перестала.
Третий век часов — часы для «часа пик»
Только стрелки сумасшедшие бегут.
Стрелки, цифры, циферблаты, медный гуд.
Словно мир этот бессонный городской
стал огромной часовою мастерской.
Левитанский Ю.
В повседневной жизни мы пока обходимся обычными часами. Но даже в спорте, у конькобежцев и бегунов на коротких дистанциях, результаты уже фиксируются с точностью до сотой секунды.
Еще строже отсчет времени в некоторых областях науки и техники. Современные физика, астрономия, радионавигация требуют часов, которые за сутки ошибались бы не больше чем на 10-5 – 10-6 секунды.
Ни маятниковые, ни балансовые часы такой точности дать не могут. Из-за трения в механизме главным образом. Пришлось искать принципиально новые регуляторы хода.
Сначала попробовали камертоны и упругие пластины. Камертонные часы действительно оказались точнее маятниковых, но лишь в десять раз. Поэтому поиски продолжили, а камертоны весьма удачно приспособили к бытовым часам.
Камертонные часы.
Еще более точными оказались кварцевые часы. Регулятором в них служит кварцевая пластика, колебания которой возбуждаются специальным генератором, а затем усиливаются микроэлектронной схемой.
Появление кварцевых часов еще раз подтвердило, что все в истории развивается по спирали. Часы, как и в древности, перестали «ходить». Первые часы с кварцевым осциллятором (от латинского oscillo — «качаюсь») появились еще в начале 30-х годов.
Но только в последние время, с развитием микроэлектроники, стало возможным перейти от громоздких ламповых схем к интегральным микросхемам, которые без особого труда можно разместить в корпусе наручных часов.
Кварцевые часы
Собственно говоря, часы с кварцевым регулятором хода делятся на электронно-механические и электронные. Вначале появились электронно-механические (швейцарские «Омега», японские «Сэйко», американские — «Гамильтон»).
Как следует из названия, они состоят из двух частей — электронного блока и механического узла. В электронном блоке с помощью генератора колебаний в кристалле кварца возбуждается высокочастотный (несколько десятков кГц) сигнал.
Затем с помощью схемы управления — электронные делители частоты, понижающие частоту сигнала, формователи импульса, усилители — сигнал поступает на электродвигатель, как правило, шаговый.
Двигатель управляет движением стрелок и вместе с ними образует механический узел.
В электронных часах механического узла нет совсем. В их схеме сигнал, поступающий с кварцевого генератора, после делителя частоты (счетчика) поступает на систему дешифраторов, где электрические сигналы в конечном итоге преобразуются в цифры часов, минут и секунд, которые мы видим на табло или циферблате. Цифровая индикация — на жидких кристаллах или светодиодах.
Электронные часаы.
Но и кварцевые часы оказались не идеальными. Предел их точности – 10-4 секунды в сутки. Быть еще точнее им мешают неизбежное старение кварца и то, что на колебания пластинки влияют внешние условия, прежде всего температура.
Поэтому в сороковых годах XX появились принципиально новые часы, именуемые атомными. Механического осциллятора в традиционном смысле слова в них нет совсем.
Они регулируются частотой, излучаемой при квантовых переходах молекул или атомов из одного состояния в другое. Эта частота исключительно стабильна и практически не подвержена влиянию внешних условий.
Первые подобные часы были, строго говоря, не атомными, а молекулярными — они работали на аммиаке. A затем появились уже калиевые, рубидиевые, цезиевые, таллиевые…
Лучшие образцы атомных часов ошибаются не больше чем на 10-6 секунды в сутки, и, видимо, это не предел. В то же время в часовое производство пришли материалы и технологические приемы, характерные для второй половины ХХ века. Имеются в виду прежде всего пластмассы и штамповка.
Атомные часы.
В начале 70-х годов XX века, на одной из международных выставок швейцарская фирма «Тиссо» демонстрировала наручные часы «Астролон», почти целиком сделанные из пластмасс. Исключение составляли лишь балансовый узел и узел завода стрелок. Даже корпус демонстрационного образца был сделан из прозрачного пластика.
С тех пор было выпущено множество пластмассовых часов, особенно крупных настенных, настольных и будильников. Использование пластиков упрощает технологию, повышает производительность труда: конструкция механизма становится проще, количество деталей уменьшается.
К примеру, для одного и того же будильника металлических деталей надо 66, а пластмассовых — всего 43. Пластмассовые детали получают методом точного литья за одну операцию, без последующей доводки.
Конечно, часовой промышленности подходят далеко не все пластики. Ее требования к ним жестки и порой противоречивы. Так, материал для колес и трибов должен давать минимальную усадку и в то же время быть самосмазывающимся.
Этим взаимоисключающим условиям из всех пластмасс лучше всего отвечают поликарбонаты и полиформальдегид, а также сополимеры формальдегида с диоксоланом.
Точность пластмассовых часов пока не очень высока — в пределах нескольких секунд в сутки. Но для бытовых целей этого достаточно.
Три века часов… Будет ли полным четвертый, сказать трудно, тем более что третий начался совсем недавно, да и второй (парадокс времени!) тоже еще не кончился.
Мей В.
Видео: Загадка часы и сейф
История часов
Календарь – история создания календаря
Время и развитие часов с гирями и пружинами
История наручных часов
Астрономия и ее историческое время развития
