Часы

Часы, прибор для измерения текущего времени (в секундах, минутах, часах).

Часы (прибор) относятся к категории «приборов времени», куда входят также хронометр, секундомер, таймер, реле времени и комбинированные приборы, например Часы (прибор) с секундомером.

Для измерения времени можно использовать равномерное поступательное или вращательное движение и периодические колебания; мерилом времени в этих случаях будет соответственно пройденный путь (или перемещение), угол поворота или число колебаний.

Первым устройством, с помощью которого человек измерял время, были солнечные Часы (прибор) Уже в середине 3-го тысячелетия до н. э. в качестве простейших Часы (прибор) использовался гномон.
В Древнем Египте и Греции время отсчитывали по солнечным Часы (прибор) с горизонтальными или вертикальными циферблатами (рис. 1).

В Самарканде в 1-й половине 15 в. Улугбек построил солнечные Часы (прибор) высотой около 50 м. В средние века в Европе значительное распространение получили Часы (прибор) с вертикальным циферблатом. Такие Часы (прибор), например, сохранились в Москве на здании Историко-архивного института и старом здании МГУ. Наряду с солнечными Часы (прибор) уже во 2-м и 1-м тыс. до н. э. в Индии, Египте, Китае и Греции строились водяные Часы (прибор), которые показывали время и днём, и ночью. Простейшие водяные Часы (прибор) представляли собой сосуд со шкалой, проградуированной в единицах времени. В сосуд капля за каплей поступала вода из наполненного до краев (из внешнего источника) резервуара. Постоянство давления воды в резервуаре обеспечивало равномерное наполнение сосуда и равномерное повышение уровня воды в нём, отмечаемое по шкале. Около 150 до н. э. Ктесибий создал водяные Часы (прибор) (рис. 2), ставшие прототипом Часы (прибор), которые применялись во многих странах вплоть до 18 в. Равномерное движение положено в основу функционирования и некоторых других типов Часы (прибор), в том числе песочных.

Первое упоминание о механических Часы (прибор) содержится в византийской антологии (конец 6 в.). Одни историки приписывают изобретение механических Часы (прибор) Пацификусу из Вероны (начало 9 в.), другие — монаху Герберту (впоследствии папа Сильвестр II), якобы в 996 сделавшему гиревые башенные Часы (прибор) для г. Магдебурга, которые не были механическими Часы (прибор) в современном понимании. Скорее всего это были водяные Часы (прибор) с использованием механизмов для приведения в действие дополнительных устройств, например механизма боя Часы (прибор), но не отсчёта времени. Достоверно известно, что простые по конструкции механические башенные Часы (прибор) были построены в Милане в 1335; в 1348—64 Донди в Италии создал Часы (прибор), которые наряду с отсчётом времени воспроизводили движение Солнца, Луны и пяти планет; в 1354 были установлены Часы (прибор) Страсбургского собора с курантами, календарём и движущимися фигурами. В России первые башенные Часы (прибор) были сделаны в 1404 в Московском Кремле монахом Лазарем Сербиным; они имели гиревые двигатели, механизм боя, планетарный механизм. В 15—17 вв. башенные Часы (прибор) начали устанавливать во многих городах России.

В 14 в. появились первые механические Часы (прибор) со шпиндельным спуском (рис. 3). По сравнению с водяными Часы (прибор) шпиндельные Часы (прибор) были более совершенными, но всё же точность их хода не превышала 0,5 ч в сутки; до 16 в. они имели одну лишь часовую стрелку. Около 1510 нюрнбергский механик П. Хенлейн впервые применил вместо гирь стальную пружину и создал карманные Часы (прибор) со шпиндельным механизмом. Из-за несовершенства пружин и самого шпиндельного механизма, не имеющего собственного периода колебаний, показания этих Часы (прибор) сильно зависели от степени заводки пружины. В 1525 Я. Цех из Праги предложил фузею, или улитку, — приспособление для выравнивания усилия пружины во времени, что позволило повысить точность пружинных Часы (прибор) Шпиндельные Часы (прибор), хотя и имели невысокую точность, отличались высокой надёжностью и просуществовали до конца 19 в.

Огромное значение для повышения точности Часы (прибор) имело открытие Г. Галилеем изохронности малых колебаний маятника, т. е. независимости периода его колебаний от амплитуды. Галилей около 1640 предложил новый спусковой механизм, напоминающий современный хронометровый, но его идея не получила практического воплощения. Изобретателем современных механических Часы (прибор) по праву считается Х. Гюйгенс, который в 1657 применил маятник в качестве регулятора Часы (прибор) Маятниковые Часы (прибор) даже с несовершенным шпиндельным механизмом позволили снизить погрешность за сутки до 5—10 сек. В 1675 английский часовщик У. Клемент предложил заменить шпиндельный механизм на крючковый, представляющий собой простейшую разновидность анкерного спускового механизма (см. Анкер). Такой механизм сохранился до наших дней в простейших маятниковых Часы (прибор) типа ходиков (рис. 4). Новый шаг в совершенствовании Часы (прибор) связан с именем англичанина Дж. Грагама, который изобрёл несвободный анкерный механизм, имеющий значительно меньшие потери энергии, чем крючковый механизм Клемента. В 1675 Гюйгенс предложил в качестве регулятора колебаний использовать систему «баланс—спираль». Баланс — это колесо с массивным металлическим (обычно латунным) ободом, укрепленное на стальной оси; спираль — тонкая пружина, один конец которой крепится к оси баланса, а другой — к неподвижной опоре. Выведенная из состояния покоя система «баланс — спираль» совершает колебания вокруг своей оси; момент инерции баланса и жёсткость спирали определяют период колебаний системы. Такая колебательная система обладает собственным периодом колебаний; она достаточно надёжна при переноске и транспортировке Часы (прибор) В связи с применением балансового регулятора в Часы (прибор) с пружинным двигателем потребовалось дальнейшее совершенствование спусковых механизмов. До конца 19 в. в карманных Часы (прибор) широко применялся изобретённый Грагамом в начале 18 в. цилиндровый механизм. Со 2-й половины 19 в. получил распространение свободный анкерный механизм, до сего времени применяющийся во всех переносных, в том числе наручных и карманных, Часы (прибор) В связи с повышением точности часовых механизмов в конце 17 в. в карманных Часы (прибор) устанавливают минутные стрелки, а примерно с 1760 в Часы (прибор) стали применять секундные стрелки.

Значительное влияние на точность хода маятниковых, особенно балансовых, Часы (прибор) оказывает изменение температуры окружающей среды. Погрешность хода маятниковых Часы (прибор) за сутки при изменении температуры на 1°С за счёт изменения длины маятника при стальном стержне составляет 0,5, а при деревянном — 0,2 сек; для балансовых Часы (прибор) со стальной спиралью около 11 сек, в основном за счёт изменения её жёсткости. В середине 18 в. было создано несколько типов маятников, температурная погрешность которых устранялась методом компенсации. Температурная компенсация балансового регулятора, основанная на применении биметалла, была предложена в 1761 французским часовым мастером П. Леруа. Такие балансы с компенсационными грузами по ободу применяются в современных морских хронометрах. Русский механик И. П. Кулибин в конце 18 в. предложил оригинальную конструкцию биметаллического баланса. В конце 19 — начале 20 вв. швейцарский физик Ш. Э. Гильом создал материалы с близким к нулю коэффициентом линейного расширения (для маятников) — инвар, и с минимальным значением термоэластического коэффициента (для часовых спиралей) — элинвар. Использование этих материалов в Часы (прибор) в сочетании с компенсационными устройствами практически устранило температурные воздействия на ход механических Часы (прибор) Так, например, Часы (прибор) с маятником из инвара даже без компенсационного устройства имеют температурную погрешность хода за сутки менее 0,05 сек на 1°С, а наручные Часы (прибор) со спиралью из элинвара — менее 0,5 сек, что вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к Часы (прибор) широкого потребления.

В России в 18 в. над совершенствованием Часы (прибор), в частности спускового механизма и способов температурной компенсации, работали выдающиеся механики Кулибин, Т. И. Волосков, инженер Л. Сабакин. Кулибин создал ряд уникальных Часы (прибор), в том числе хранящиеся в Эрмитаже Часы (прибор) в форме яйца, с фигурами, автоматически выполняющими во время боя сложные движения; карманные планетарные Часы (прибор) с семью стрелками, показывающими часы, минуты, секунды, дни недели, месяцы, фазы Луны, восход и заход Солнца. В 19 в. в России успешно работали над совершенствованием Часы (прибор) механики Д. И. Толстой, И. П. Носов; часовщики братья И. Н. и Н. Н. Бутеноп в 1851—52 полностью реконструировали куранты Спасской башни Московского Кремля (см. Кремлёвские куранты).

По назначению Часы (прибор) можно разделить (условно) на бытовые и специальные. В зависимости от условий использования различают бытовые Часы (прибор) наручные, карманные, настольные, настенные, уличные, башенные. В зависимости от назначения выделяют специализированные Часы (прибор) для подводного плавания, дорожные, антимагнитные и др. Имеется большая группа Часы (прибор) специального, служебного назначения: сигнальные, табельные, процедурные, программные и др. По типу колебательных систем, используемых в современных Часы (прибор), различают маятниковые, балансовые, камертонные, кварцевые и квантовые часы. Поскольку в Часы (прибор) поддержание колебаний и индикация могут выполняться от разных энергетических источников и разными способами, то различают механические, электромеханические (или контактные), электронно-механические (или бесконтактные) и электронные Часы (прибор) (например, кварцевые с цифровой индикацией на жидких кристаллах). Особо выделяют синхронные или, как их иногда называют, электрические Часы (прибор), работающие от сети переменного тока. Такие Часы (прибор) по существу являются вторичными, а роль первичных Часы (прибор) выполняет генератор электростанции. Первичными Часы (прибор) могут быть также обычные Часы (прибор), как правило, повышенной точности, от которых с минутными или полуминутными интервалами по проводам передаются электрические импульсы вторичным Часы (прибор)

Наиболее распространены (70-е гг. 20 в.) механические Часы (прибор) с механическим (пружинным, гиревым) приводом. Основные узлы современных механических Часы (прибор) (рис. 5) — двигатель, система колёс, ход или спусковой механизм, регулятор, стрелочный механизм и механизм заводки Часы (прибор) Пружина (двигатель) вращает барабан 1 (внутри которого она находится) и через него систему колёс 2—5, частота вращения которых определяется периодом колебаний системы «баланс — спираль» 6—7. Числа зубьев колёс и период колебаний баланса подбирают так, чтобы колесо 2 делало один оборот в час, а колесо 4 — один оборот в минуту; на их осях могут устанавливаться соответственно минутная и секундная стрелки. Практически же минутная стрелка закрепляется не на самой оси колеса 2, а на трибе 9, позволяющем переводить стрелку независимо от колёс 2—5. Колесо 2 через передачу 9—11— 12 приводит в движение колесо 10, на котором крепится часовая стрелка. При заводке вращение головки 15 (через вал 14, муфту 18 и колёса 17, 19 и 20) сообщается валу, на который наматывается пружина. При переводе стрелок вытягивают головку 15, муфта 18 с помощью рычагов 16 отводится от триба 17 и вступает в зацепление с переводными колёсами 13, вращение которых сообщается стрелкам. Современные Часы (прибор) оснащают часто дополнительным механизмом, показывающим числа и дни недели, а в крупных часах и месяцы. В наручных Часы (прибор) часто применяют противоударные устройства, предохраняющие их механизм от поломок. Всё большее распространение получают наручные механические Часы (прибор) с автоматическим подзаводом, в которых на механизме Часы (прибор) со стороны крышки расположен свободно качающийся груз в виде неуравновешенного сектора. При ношении Часы (прибор) на руке груз качается и через колёсную передачу с реверсивным устройством подзаводит пружину; за 10—12 часов пружина получает завод, обеспечивающий ход Часы (прибор) в течение 20 и более часов. Потребитель освобождается от необходимости заводить Часы (прибор) и, что особенно важно, они работают при более постоянном значении усилия заводной пружины, в результате чего Часы (прибор) имеют более высокую точность хода.

Первые попытки применения электрических устройств в Часы (прибор) относятся к 30—40-м гг. 19 в. Первоначально получили распространение электромеханические маятниковые и балансовые Часы (прибор), в которых завод осуществлялся с помощью электромагнита, электродвигателя и т.д. Большое значение для дальнейшего развития электромеханических Часы (прибор) имели работы швейцарских часовщиков М. Гиппа и Л. Бреге, создавших Часы (прибор) с электроприводом. В электромеханических Часы (прибор) с электроприводом источник питания через контакты, управляемые маятником или балансом, периодически подключается к приводу, в результате чего в спусковом регуляторе устанавливаются автоколебания. Роль двигателя таких Часы (прибор) выполняет сама колебательная система, движение которой с помощью спец. механизма преобразуется в прерывистое вращательное движение стрелок.

До середины 20 в. электромеханические Часы (прибор) были в основном крупногабаритными, маятникового, реже балансового типа. На усовершенствование конструкции малогабаритных, и прежде всего наручных, электромеханических балансовых Часы (прибор) значительное влияние оказало появление малогабаритных и энергоёмких источников тока, миниатюрных контактов. В начале 50-х гг. 20 в. появились балансовые наручные электромеханические Часы (прибор), выпущенные фирмами во Франции — «Лип» (Lip), в США — «Гамильтон» (Hamilton), электрическая цепь которых при подаче импульса балансу замыкалась механическими контактами.

Замена механических контактов электронными ключами на транзисторах, туннельных диодах, интегральных микросхемах решила проблему повышения надёжности электронно-механических Часы (прибор) Современные наручные электронно-механические балансовые Часы (прибор) имеют точность хода ±15 сек в сутки, потребляют около 10 мка от источника тока напряжением 1,3—1,5 в. Такие Часы (прибор) с традиционными колебательными системами (осцилляторами) — маятником или «баланс — спиралью» — в отличие от контактных Часы (прибор) иногда называют бесконтактными. Быстродействие электронных устройств и возможность управлять ими при малых амплитудах осцилляторов обусловили развитие камертонных и кварцевых Часы (прибор), обладающих высокой точностью.

В 70-х гг. 20 в. получили широкое распространение наручные и настольные камертонные Часы (прибор) с автономной работой без смены батареи от 1 до 2 лет при точности хода ±2 сек в сутки. Первый камертонный регулятор с контактным прерывателем был создан А. Гийе в 1915. В 1919 У. Эклс и Ф. Джордан (Великобритания) и А. Абрахам и Э. Блох (Франция) предложили схему лампового камертонного регулятора с электромагнитной системой привода. Камертонные регуляторы на транзисторах для наручных Часы (прибор) впервые были изготовлены фирмой «Булова уотч компани» (Bulova Watch Со) в США в 1950; в СССР камертонные Часы (прибор) были выпущены в 1962 на 2-м Московском часовом заводе. В этих Часы (прибор) применен храповой механизм для преобразования колебаний камертона во вращение стрелок. Одна из схем электромеханических камертонных Часы (прибор) представлена на рис. 6. При колебаниях камертона в обмотке освобождения наводится эдс, которая открывает транзистор, в результате чего в импульсную обмотку поступает ток от источника питания. Частота колебаний камертона — 360 гц.

В электронно-механических Часы (прибор) с относительно высокочастотными (порядка 32 кгц) кварцевыми осцилляторами электрические импульсы спускового регулятора управляют работой шагового или синхронного электродвигателя или синхронизируют работу двигателей постоянного тока. В этих случаях схема управления состоит из электронного делителя частоты, схемы формирования импульсов и усилителей. Большинство кварцевых Часы (прибор) имеет шаговый электродвигатель. Регулировка хода Часы (прибор) осуществляется с помощью триммера в цепи кварцевого генератора. Впервые схема кварцевых Часы (прибор) была предложена В. А. Маррисоном (Великобритания) в 1929; в конце 70-х гг. такие Часы (прибор) выпускают многие фирмы, например в Швейцарии «Патек Филипп Эбош» (Patek Philippe Ebauches), «Омега» (Omega); в США — «Гамильтон»; в Японии — «Сэйко» (Seiko). Высокотемпературная стабильность, повышенная добротность и устойчивость кварцевых генераторов к внешним динамическим воздействиям обеспечивают точность бытовых малогабаритных электронно-механических Часы (прибор) около 2 сек, а в крупногабаритных прецизионных — 0,001 сек в сутки.

Кварцевые наручные Часы (прибор) получили распространение благодаря возможностям современной технологии изготовления полупроводников и созданию интегральных микросхем. Часы (прибор) с электронной схемой и цифровой индикацией на жидких кристаллах или светодиодах называются электронными. Электронная часть этих Часы (прибор) содержит, кроме кварцевого генератора, делители частоты (счётчик), дешифраторы (рис. 7а). В СССР выпускаются (1977) кварцевые часы как со стрелочной, так и с цифровой индикацией (рис. 7б).

Для согласования показаний группы Часы (прибор) применяются системы единого времени. Они состоят из первичных высокоточных Часы (прибор) и группы вторичных Часы (прибор), соединённых с первичными каналами связи. Первичные Часы (прибор) управляют работой вторичных Часы (прибор), которые могут быть обычными электромеханическими Часы (прибор) или счётчиками электрических импульсов. Для повышения точности и надёжности системы единого времени вторичные Часы (прибор) часто делают автономными (самостоятельно идущими), ход которых периодически корректируется или синхронизируется сигналами точного времени от первичных Часы (прибор)

Современные Часы (прибор) обеспечивают широкий диапазон по точности в зависимости от практических потребностей измерения времени. Так, например, атомные эталоны, используемые, в частности, при космических исследованиях, имеют относительную погрешность около 10¾13; высокоточные маятниковые Часы (прибор) порядка 10¾11; кварцевые морские хронометры 10¾8 (т. е. точность их хода составляет несколько тысячных долей сек за сутки); наручные кварцевые часы имеют точность хода в пределах 2 сек в сутки, камертонные и балансовые электронно-механические Часы (прибор) до 15 сек в сутки; механические бытовые Часы (прибор) высокого качества до 5 сек, а среднего качества 30—60 сек в сутки; механические будильники 1—1,5 мин в сутки.