Часы - величайшее техническое изобретение человечества
Часы - величайшее техническое изобретение человечества
МИРЭА
РЕФЕРАТ
На тему:
Часы - величайшее техническое изобретение человечества.
Студенты: Олькиницкий В.Г., Кузнецов Д.М.
Группа: ОТО - 1 - 99
Преподаватель: Павленко А.Н.
Москва 2000 г.
Содержание
o Введение ……………………………………………………….. 2
o Солнечные часы ……………………………………………….. 3
o Водяные часы ………………………………………………….. 6
o Огневые часы ………………………………………………….. 9
o Песочные часы ………………………………………………… 10
o Механические часы …………………………………………… 11
o Заключение ……………………………………………………. 21
o Список литературы …………………………………………… 22
Введение
Путь, пройденный человечеством с глубокой древности до наших дней,
можно представить различным образом - можно описать его как вереницу
великих событий, как серию биографий великих людей, можно отразить этот
путь через историю философии, литературы или искусства, через историю войн
и еще многими другими способами. В настоящем реферате мы попытаемся
показать развитие человеческой мысли через историю великого изобретения -
часов. Пытливый человеческий разум изобрел для измерения времени целый ряд
инструментов, например, лунные, водяные, свечные часы, которые
использовались вплоть до XVIII века, затем песочные часы и от XVI до XVIII
века масляные часы. Однако из-за своей зависимости от внешних условий и их
колебаний, равно как и из-за технического несовершенства эти средства
измерения времени не нашли всеобщего применения.
По крайней мере 4000 лет назад уже повсюду существовали часы различной
степени сложности. Первыми попытались их сделать египтяне, которые изобрели
звездные часовые карты, и можно было определить ночное время, наблюдая за
подъемом звезд. Что касается дневного времени, то поздние египтяне изобрели
теневые часы. Тень от поперечной балки постепенно пересекала ряд меток от
восхода и до заката солнца. Набор инструкций для изготовления таких часов
был найден в могиле фараона Сети I, который правил примерно в 1300 году до
н.э. Такие простые теневые часы были предшественниками солнечных.
Солнечные часы
Особо благоприятные климатические условия для измерения времени с
помощью солнечных часов имел Египет. Известия о самых древних из
древнеегипетских солнечных часов относится к эпохе правления Тутмоса III -
первой половине XV в. до н.э. Одним из видов солнечных часов были
ступенчатые часы в виде обелиска с двумя наклонными поверхностями,
ориентированными по оси на восток - запад и разделенными на ступени. При
восходе Солнца тень падала на край верхней ступеньки одной из этих
поверхностей - восточной, затем постепенно опускалась, пока к полудню
полностью не исчезала. Затем, после полудня, тень снова появлялась в нижней
части западной поверхности, откуда она все поднималась до тех пор, пока при
заходе Солнца не касалась грани верхней ступеньки.
На описанных солнечных часах время измерялось длиной, а не
направлением отбрасываемой тени. Однако египтяне имели солнечные часы и со
шкалой для определения направления отбрасываемой тени.
Известный римский архитектор и зодчий Маркус Витрувий, работавший во
времена правлений Цезаря и Августа, описывает в своем сочинении
"Архитектура" не менее 13 видов солнечных часов. К ним относятся и не
совсем обычные для северных областей Европы горизонтальные полые
полусферические часы - так называемые гемисферы. Внутренняя поверхность
полушария представляла небесную полусферу с линией экватора, двумя линиями
солнцестояния и с двенадцатичасовой шкалой времени. Изобретение таких часов
приписывают известному античному астроному Аристарху из Самеса, жившему в
320 - 250 гг. до н.э., который изготовил также солнечные часы с
полукруглыми шкалами, разделенными на пять частей (часов) неодинаковой
длины. В совершенствовании греческих солнечных часов большое участие
принимал и известный математик, врач, основатель греческой астрономии
Евдокс из Книдоса, живший в 408 - 356 гг. до н.э.
Острый конец гномона, служивший первоначально египтянам для четкого
ограничения тени на шкале, греки позднее заменили небольшим круглым
отверстием, так называемым солнечным оком, бросавшим на шкалу небольшую
световую точку. Кроме указанных выше горизонтальных часов, греки имели еще
и более совершенные вертикальные солнечные часы, так называемые гемоциклы,
которые они располагали на общественных зданиях.
Все древние солнечные часы были основаны на простом принципе гномона,
у которого длина и направление отбрасываемой тени зависели не только от
положения Солнца в данный момент на небосводе, но и от времени года. При
римском способе деления дня и ночи на 12 часов весной и летом удлиняли
дневные часы, а осенью и зимой их укорачивали. Античные солнечные часы
вследствие своего несовершенства указывали такое время, главной чертой
которого было то, что под влиянием изменяющегося наклона Солнца изменялась
в течение года длина дневных и ночных часов.
Более поздние античные и многие средневековые солнечные часы имели
криволинейные шкалы, устраняющие этот недостаток. Такими часами с более
сложными и более точными шкалами времени, вычисленными для квартальных или
месячных интервалов, пользовались примерно до XV века.
Новую эпоху в развитии солнечных часов открыло важное изобретение,
датирующееся 1431 годом. Принцип его заключался в установке теневой стрелки
в направлении земной оси. Этим простым нововведением было достигнуто то,
что тень стрелки, называемой полуосью, после этого нововведения равномерно
вращалась вокруг полуоси, поворачиваясь каждый час на 15o. Это дало
возможность ввести равномерное время, которым можно было пользоваться в
течение всего года, причем отрезки, соответствующие часам, были одинаковой
длины независимо от изменяющейся высоты Солнца.
Следующим этапом в развитии солнечных часов стали солнечные часы с
компасом. К первым создателем солнечных часов с корректирующим компасом
относится астроном и математик Региомонтан.
Экваториальные солнечные часы с циферблатом, параллельным плоскости
земного экватора, и гномоном, перпендикулярным ей, были, по существу,
простейшими часами с равномерной шкалой времени. Создатели таких часов
обычно исходили из того, что ими будут пользоваться в различных
географических широтах. Иногда такие часы имели стрелку с зубчатой
передачей и малый циферблат со стрелкой для отсчета минутных интервалов с
точностью от 1 до 3 минут. Такие часы назывались гелиохронометрами. Были и
экваториальные часы, устроенные так, что их циферблат указывал
непосредственно среднее солнечное время, а не местное солнечное время, как
у обычных экваториальных часов.
Разновидности солнечных часов были весьма многообразны. Интересны
кольцевые солнечные часы - один из вариантов дорожных солнечных часов, -
которые очень часто одновременно служили и в качестве декоративной
подвески. Главной частью таких часов было латунное кольцо диаметром
несколько сантиметров с другим передвижным кольцом, снабженным отверстием
для солнечного луча.
На внешней поверхности главного кольца обычно гравировали начальные
буквы наименований месяцев, а против них, на внутренней поверхности,
находилась часовая шкала. Перед измерением надо было повернуть меньшее,
обычно железное, колечко так, чтобы отверстие для луча лежало у
наименования соответствующего месяца. При измерении времени держали часы в
положении, позволяющим солнечному лучу проходить через отверстие в шкале.
[pic]
[pic]
На подобном принципе строились и так называемые экваториальные кольца
- аналогичные часы, на главном кольце которых имелись еще два
пересекающихся друг с другом круга. Позднее возник новый вариант с
поперечиной вместо третьего кольца. На одной стороне этой поперечины были
указаны месяцы, а на другой - знаки зодиака. Посередине имелась перемычка с
малым отверстием для прохождения солнечного луча.
Правильное положение этих часов при измерении времени было таким,
когда солнечный луч, проходящий через отверстие, попадал на центральную
линию экваториального круга.
В заключение этого раздела хотелось бы коротко остановиться на одной
из моделей дорожных солнечных часов, используемых индийскими
путешественниками. Они представляли собой деревянные восьмигранные палки с
металлическим острием длиной 160 см с вырезанными часовыми шкалами. В
отверстие над шкалой для соответствующего месяца вдвигался стержень длиной
около 15 см так, чтобы его острие при вертикальном положении палки
отбрасывало тень на шкалу. На палке должно было быть 12 шкал. Поскольку для
дней, удаленных от солнцестояния на одинаковое время, действовали
одинаковые условия, то достаточно было иметь 8 шкал. Наименование ашадах
эти часы получили по тому сезону (июнь-июль), в котором совершались
путешествия.
Солнечные часы никогда не утрачивали своего значения и продолжают
конструироваться еще и в наши дни. Римляне усовершенствовали солнечные
часы, с которыми мы знакомы в настоящее время, и даже сделали солнечные
переносные часы, удобные для путешествий. Они просуществовали тысячелетия и
еще долгое время оставались средством проверки и координации для очень
ненадежных колесных часов, пока не были окончательно вытеснены благодаря
изобретению спиральной пружины в качестве регулятора хода (1674г.), но об
этом мы расскажем ниже.
Итак, в этом разделе реферата мы рассмотрели устройство и
функционирование солнечных часов, которые с годами совершенствовались и
изменялись.
Солнечные часы с передвижным по высоте полюсом, компасом и шкалами с
минутным делением были простым и надежным указателем солнечного времени, но
страдали и некоторыми серьезными недостатками. Их работа была связана с
солнечной погодой и с ограниченным периодом работы - между восходом и
заходом Солнца. Поэтому новые приборы для измерения времени принципиально
отличались от солнечных часов. В то время как единица времени по солнечным
часам выводилась из вращения Земли и ее движения вокруг Солнца, надо было
создать искусственный эталон единицы времени, например, в виде интервала
времени, необходимого для вытекания определенного количества вещества в
хронометрическом устройстве.
Водяные часы
Около 1500 года до н.э. египетский придворный Аменемхет, судя по
надписи на его могиле, изобрел водяные часы, или клепсидру. Время позволяло
определить падение уровня воды в сосуде. Такие часы были особенно полезны
жрецам, которым нужно было знать ночное время, чтобы вовремя отправлять
религиозные ритуалы и жертвоприношения в храме.
Самые древние из дошедших до нас водяных часов относятся ко времени
правления Аменхотепа III (начало XIV в. до н.э.), они были найдены в 1905
г. на развалинах храма Амона - Ра в Карнаке.
[pic]
Внешний вид египетских часов из Карнаки. Прибор каждый вечер
заполнялся водой, чтобы определить ночное время. Вода постепенно
вытекала через тростниковую втулку на дне. Ход времени
определялся опусканием воды за отметки "часа". Так ночь делили
на 12 частей независимо от времени года, "время" на часах
варьировалось по длине в течение года. Таким образом, 12 линий
"часовых" отметок слегка различаются по высоте.
Простая форма первых водяных часов постепенно обогащалась новыми
элементами. То, что клепсидра не зависела от света Солнца, сделало из
водяных часов прибор, пригодный для непрерывного измерения времени и днем,
и ночью. Отсюда вытекали и различные стремления к изобретению остроумных
гидравлико-пневматических механизмов для звуковой сигнализации о времени,
для освещения часов ночью и т. д.
Водяные часы стали обычным средством определения времени в древнем
мире, после того как появились в VI в. до н.э. в Китае. В Афинах, где были
найдены остатки "городских часов", построенных в 350 г. до н.э., они были
установлены для общего пользования. Ход часов контролировался поплавком,
который опускался, когда вода через проточное отверстие в дне
просачивалась наружу. Поплавок, по-видимому, соединялся с валом, который,
опускаясь, передвигал стрелку. Степень износа ступенек, ведущих в колодец,
позволяет предположить, что резервуар для воды должен был наполняться
каждый день.
В греческом мире также занимались разработкой водяных часов. Такие
часы были изготовлены александрийским изобретателем Ктесибием около 270 г.
до н.э. В часах, приводимых водяным колесом, Ктесибий осуществил идею
передачи сил и движения зубчатым механизмом. Зубчатая передача соединяла
ведущий механизм со шкалой времени, расположенной на цилиндрической
поверхности поворотной колонны и разделенной вертикальными прямыми на
четыре основных поля. Система из 24 наклонных линий образовывала часовую
шкалу для измерения планетных часов. Колонна со шкалой, приводимая водяным
колесом, вращаясь вокруг своей оси, совершала один оборот в год. Поэтому и
камеры водяного колеса в нижней части часов заполнялись водой медленно,
причем вода подавалась в небольшом количестве по особому трубопроводу.
Статуэтка со стрелкой двигалась с помощью специального поплавкового
механизма, управляемого другой статуэткой, находящейся на другой стороне
часов. Слезы - водяные капли, - капающие из глаз статуэтки, накапливались в
сборники-подставки, откуда через трубопровод текли в поплавковую камеру
стрелочного механизма. Кроме того, эти часы имели еще специальное
устройство, которое через определенные интервалы выбрасывало на чашку
мелкие камешки (это было звуковой сигнализацией ночных часов). Вторые часы
Ктесибия усовершенствованы. Они отличаются от первых тем, что их стрелка в
верхней части с циферблатом управлялась поплавком, подвешенным на цепи,
навернутой вокруг вала стрелочного указателя. Лунный календарь с зодиаком в
нижней части часов тоже приводился в движение водяным колесом, камеры
которого были закреплены непосредственно на задней стороне зодиаковой
плиты.
В Афинской "Башне ветров", построенной астрономом Андроником примерно
в начале I в. до н.э., на вершине находились солнечные часы, сложные
водяные часы были внутри и показывали время на циферблате, а вращающийся
диск, показывал движение звезд и солнца через созвездия в течение года.
О широком применении водяных часов в самых разных ситуациях писали
древние авторы около 360 г. до н.э. Платон описывал судей, "вынужденных
работать по "водяным" часам … без отдыха".
Наблюдение за временем уже строго контролировалось. Более важную роль
водяные часы играли в греческих и римских судах, где их использовали, чтобы
выступающие укладывались в отведенное им время. Если судебное
разбирательство ненадолго прерывалось, например, для изучения документов,
то трубку стока перекрывали воском до тех пор, пока выступление не
возобновлялось. В спортивных состязаниях часы использовали для определения
время на соревнованиях по бегу в Римских играх.
Великолепные водяные часы были позднее сделаны в исламском мире.
Особенно искусный образец был доставлен из Багдада первому императору
священной Римской империи Карлу Великому (742 - 814 гг.) эмиссарами халифа
Гарун аль - Рашида. Пара массивных водяных часов из двух сосудов, которые
постепенно наполнялись, когда прибывала луна, а затем опорожнялись, когда
она убывала, были сконструированы в XI в. в Толедо арабскими инженерами.
Они были настолько искусно сделаны, что служили более 100 лет, не требуя
регулировки.
Очень старую традицию водяные часы имели в Китае. Верхом совершенства
несомненно был проект больших пагодных астрономический водяных часов,
разработанный в 1090 году и осуществленный Су-Сунгом .
[pic] [pic]
Эти часы имели сигнальное устройство времени, похожее на то, которое
имелось у водяных часов Ктесибия. Астрономическая часть его часов имела
форму армилярной сферы и небесного глобуса. Особенностью этих часов
является большое водяное колесо с замкнутым кругооборотом воды, приводящее
в движение часы в целом и являющееся некоторой аналогией механического
спуска, появившегося позднее в Европе у первых механических часов.
Таким образом, подобно солнечным часам, и эта группа простейших часов
прошла долгий путь развития, сопровождавшийся возникновением интересных
принципов действия и конструктивных элементов. Некоторые из них, например
циферблат с перемещающейся по нему стрелкой, груз в качестве движущей силы,
зубчатые передачи, ролики, цепные подвески, механизм боя и марионетки,
разыгрывавшие различные сцены нашли применение в последующей эре
хронометрии - эре механических часов.
Но, прежде чем рассматривать механические часы, на наш взгляд, было бы
целесообразно коротко остановиться еще на двух разновидностях часов -
огневых и песочных, что бы создать более полную картину развития часового
дела.
Огневые часы
Первые огневые - свечные часы появились в начале XIII века. Эти очень
простые часы в виде длинной тонкой свечи с нанесенной по ее длине шкалой,
сравнительно удовлетворительно показывали время, а в ночные часы они еще и
освещали жилище. Свечи, применявшиеся для этой цели, были длиной около
метра. Отсюда и происходит обычай измерять длину ночи количеством сгоревших
за ночь свечей. К боковым сторонам свечи обычно прикрепляли металлические
штырьки, которые по мере выгорания и таяния воска падали, и их удар по
металлической чашке подсвечника был своего рода звуковой сигнализацией
времени.
В течение целых столетий растительное масло служило не только для
питания, но и в качестве светильного материала. На основе установленной
экспериментально зависимости высоты уровня масла от продолжительности
горения фитиля возникли масляные лампадные часы. Как правило, это бывали
простые лампады с открытой фитильной горелкой и со стеклянной колбой для
масла, снабженной часовой шкалой. Объем колбы подбирали так, чтобы ее
содержимого хватило для непрерывного свечения между 6 часами вечера и 8
часами утра. Толщиной и длиной горящего фитиля регулировали величину
пламени и расход масла так, чтобы понижение уровня масла в колбе
соответствовало имевшимся обозначениям времени. Позднее выявилось, что
первоначальные цилиндрические или слегка выпуклые стеклянные сосудики под
масло были источником некоторой погрешности в измерении времени. Дело в
том, что при более высоком уровне масла его давление вызывало более быстрое
выгорание, чем в поздние ночные часы. Поэтому лампадные часы более позднего
происхождения имели стеклянную колбу в виде расширенной кверху груши, чтобы
таким образом хотя бы частично выровнять скорость сгорания масла. В XVIII и
XIX веках появились и другие типы лампадных часов с несколько более сложным
принципом действия.
Главной частью иных огневых часов, так называемых фитильных, был
фитиль в виде длинной металлической палочки, покрытой слоем дегтя с
деревянными опилками. Жар тлеющих опилок, подожженных на одном конце
палочки, постепенно пережигал тонкие, поперечно натянутые волокна, с
подвешенными шариками, которые падали в металлическую чашку. Иногда фитиль
сворачивали в спираль, форма которой уже сама по себе заменяла часовую
шкалу. Наиболее типичные для Китая фитильные часы имели форму дракона, в
хребте которого был специальный держатель для палочки. Скорость сгорания
фитиля зависела от многих обстоятельств, и для определения ее требовался
большой опыт. Такие часы никогда не относились к приборам, которые по
точности можно было бы сравнить с солнечными или водяными часами. И тем не
менее, эти часы являются развитием инженерной мысли в области часовых дел.
Песочные часы
Дата возникновения песочных часов неизвестна. Однако по сохранившимся
данным можно полагать, что принцип песочных часов был известен в Азии
значительно раньше начала нашего летоисчисления. Обычно песочные часы
рассчитывались на работу в течение получаса или часа. Реже встречались
песочные часы, рассчитанные на непрерывное измерение времени в течение 3
часов, и лишь в совершенно редких случаях строили огромные песочные часы,
рассчитанные на 12 часов хода.
Производство стеклянных колб для песочных часов было возможно
благодаря известной уже производственной технологии прозрачного стекла и
его формирования в полые сферические колбы. В суженное горлышко в месте
стыка обеих колб после заполнения песком вкладывалась небольшая
горизонтальная металлическая диафрагма с отверстием, регулирующая
количество и скорость пересыпания зернышек песка. Место стыка
перевязывалось плотной ниткой и закреплялось смолой. Точность песочных
часов зависела от технологии изготовления самого песка. Колбы заполняли
отожженным тонкозернистым песком, просеянным многократно через тонкие сита
и тщательно высушенным. Обработанный таким образом песок имел красноватую
окраску; светлые беловатые пески происходили из жареных тонкомолотых яичных
скорлуп; сероватый песок изготовлялся из цинковой и свинцовой пыли.
Точность песочных часов зависела также от формы колб, от гладкости их
внутренних стенок, от равномерности прохождения песка через регулирующую
диафрагму в горлышке, но прежде всего - от равномерной зернистости и
сыпучести данного песка. В этом отношении самые лучшие результаты давали
колбы, заполненные свинцовым песком, зернистость которого бывала более
равномерной. Свинцовый песок отличался также тем, что при долгом
использовании он меньше, чем другие виды песка, нарушал гладкость
внутренних стенок стеклянной колбы.
Песочные часы никогда не достигали точности солнечных часов. Кроме
того, при длительном пользовании такими часами, их точность изменялась,
поскольку зерна песка постепенно дробились на более тонкие, а отверстие в
середине диафрагмы постепенно истиралось и увеличивалось, так что скорость
прохождения песка через них становилась большей.
Шло время, научная мысль стремительно развивалась. Перед людьми
вставали новые, все более сложные задачи. Водяные часы были
непосредственными предшественниками механических часов, подготовившими их
изобретение.
Механические часы
Первые упоминания о башенных колесных часах в Европе приходятся на
границу XIII и XIV веков. Могли ли такие часы появиться раньше? Чтобы
ответить на этот вопрос, посмотрим, из каких основных компонентов состоит
часовой механизм. Таких главных узлов можно выделить шесть:
. двигатель;
. передаточный механизм из зубчатых колес;
. регулятор, создающий равномерное движение;
. распределитель, или спуск;
. стрелочный механизм;
. механизм перевода стрелок и завода часов.
[pic]
Первые часовые механизмы приводились в движение энергией опускающегося
груза. Приводной механизм состоял из гладкого деревянного вала и
намотанного на него пенькового каната с каменной, а позднее металлической
гирей на конце. Благодаря силе тяжести гири, канат начинал разматываться и
вращал вал. На вал было насажено большое или главное зубчатое колесо,
находившееся в сцеплении с зубчатыми колесами передаточного механизма.
Таким образом, вращение от вала передавалось механизму часов.
Период вращения колес в зубчатой передаче зависит от отношения
диаметров входящих в нее колес (или отношения числа зубьев). Подбирая
колеса с разным количеством зубьев, несложно добиться, например, чтобы одно
из них совершало оборот за 12 часов. Если насадить на вал этого колеса
стрелку, то она будет совершать полный оборот за то же время. Понятно, что
так же можно подобрать колеса, делающие полный оборот за минуту или за час;
с ними можно соединить секундную и минутную стрелки. Но такие часы
появились значительно позже - только в XVIII веке, а до этого
использовалась единственная часовая стрелка. Назначение передаточного
механизма в таких часах состояло в том, чтобы передать и преобразовать
соответствующим образом движение от главного зубчатого колеса к часовому
колесу.
Однако, чтобы часы могли служить для измерения времени, стрелка должна
совершать свои обороты с одной и той же периодичностью. Между тем груз
движется под действием сил притяжения с ускорением. Если бы гиря опускалась
свободно, то вал вращался бы ускоренно, соответственно стрелка делала бы
каждый следующий оборот за более короткое время, чем предыдущий.
Столкнувшись с этой проблемой, средневековые механики сообразили, что ход
часов не может зависеть только от движения груза. Механизм необходимо было
дополнить еще одним устройством. Это устройство должно было обладать
собственным, независимым "чувством времени" и в соответствии с этим
управлять движением всего механизма. Так родилась идея регулятора.
В первых механических часах регулятором служило коромысло (билянец).
Коромысло с древних времен применялось в таком широко распространенном
устройстве, как весы. Если на каждое плечо таких коромысловых весов
поместить равные грузы, а потом вывести весы из состояния равновесия,
коромысло будет совершать достаточно равные колебания наподобие маятника.
Хотя эта колебательная система уступает во многих отношениях маятнику, она
вполне может использоваться в часах. Но любой регулятор, если постоянно не
поддерживать его колебания, рано или поздно остановится. Для того чтобы
часы работали, необходимо, чтобы часть двигательной энергии от главного
колеса постоянно поступало к маятнику или билянцу. Эту задачу в часах
выполняет устройство, которое называется распределителем, или спуском.
Спуск всегда был и остается самым сложным узлом в механических часах. Через
него осуществляется связь между регулятором и передаточным механизмом. С
одной стороны, спуск передает толчки от двигателя к регулятору,
необходимые для поддержания колебаний последнего, а с другой стороны,
подчиняет движение передаточного механизма (а следовательно, и действие
двигателя) закономерности движения регулятора. Правильный ход часов зависит
главным образом от спуска. Именно над его конструкцией больше всего ломали
голову изобретатели. Самый первый спуск представлял собой шпиндель с
палетами, поэтому его называют шпиндельным.
В первых часах не было специального механизма завода. Вследствие этого
подготовка часов к работе требовала очень больших усилий. Мало того, что по
несколько раз в день приходилось поднимать на значительную высоту очень
тяжелую гирю, надо было еще и преодолевать огромное сопротивление всех
зубчатых колес передаточного механизма. (Понятно, что главное колесо, если
оно жестко сидит на валу двигателя, при подъеме гири будет вращаться вместе
с валом, а с ним будут вращаться и остальные колеса). Поэтому уже во второй
половине XIV века главное колесо стали крепить таким образом, что при
обратном вращении вала (против часовой стрелки) оно оставалось неподвижным.
Таким образом, из шести описанных нами главных узлов часового
механизма большая часть по отдельности уже использовалась в античности.
Новыми были только два изобретения: идея подвешивать груз в качестве
двигателя для часов и идея использовать шпиндель в качестве спуска.
Любопытно, что обе эти технические находки средневековая легенда
приписывает одному человеку - ученому монаху Герберту, который позже
сделался римским папой под именем Сильвестра II. Известно, что Герберт всю
жизнь очень интересовался часами и в 996 году собрал первые в истории
башенные часы для города Магдебурга. Так как эти часы не сохранились, по
сей день остается открытым вопрос - какой принцип действия они имели.
Большинство современных исследователей уверены, что они были водяными. В
пользу этого говорит так же то обстоятельство, что следующие башенные часы,
которые с большим или меньшим основанием можно считать механическими,
появились в Европе только через триста лет.
Но как бы то ни было, эра механических часов в Европе началась только
в конце XIII века. В 1288 году башенные часы были установлены в
Вестминстерском аббатстве в Англии. В 1292 году часами обзавелся храм в
Кентербери. В 1300 году встречается сообщение о том, что башенные часы
сооружены во Флоренции (упоминание об этих часах сохранилось в
"Божественной комедии" Данте). В 1314 году часы были уже во французских
Каннах.
Ни один из этих ранних механизмов не сохранился до наших дней, имена
их создателей тоже неизвестны. Однако мы можем достаточно точно представить
себе их устройство. Самый простой часовой механизм (если не брать во
внимание механизм боя) может включать в себя всего три зубчатых колеса.
Очевидно, что все упомянутые ранее часы представляли собой пример простого
трехколесного механизма с однострелочным циферблатом.
От главного колеса, посаженного на вал двигателя, движение
передавалось на маленькую шестерню, находившуюся на одной оси с коронным
(или ходовым) колесом, которое было снабжено зубцами, имеющими форму зубьев
пилы и расположенных перпендикулярно оси колеса. Это колесо было
неотъемлемой частью спускового устройства, или шпиндельного спуска,
имевшего своей задачей регулирование скорости движения зубчатой передачи.
[pic]
Коронное колесо, получая энергию от зубчатой передачи, затрачивало ее на
вращение шпинделя, с которым оно находилось в постоянной связи.
Шпиндель был снабжен двумя палетами, размещенными на нем против нижнего и
верхнего зуба коронного колеса. Палеты по отношению друг к другу
располагались под углом 90 градусов и поочередно зацепляли зубцы коронного
колеса, вызывая вращение шпинделя с палетами то в одну, то в другую
сторону. Когда, например, выступающий зуб колеса сталкивался с нижней
палетой и ударялся об нее, это приводило к вращению шпинделя на его оси и
следовательно, к тому, что верхняя палета через некоторое время входила в
промежуток между зубьями, находящимися в верхней части колеса. Давление,
оказываемое верхним зубом, изменяло вращение шпинделя на обратное. Зуб
ходового колеса при каждом таком повороте шпинделя освобождался. Но колесо
сразу попадало в контакт с другой палетой, и так весь процесс повторялся
снова. При каждом повороте шпинделя колесо успевало повернуться только на
один зубец. Скорость поворота шпинделя определялась регулятором, который
представлял собой, как уже говорилось, коромысло с передвигающимися по нему
грузами. Если грузы перемещали ближе к оси, шпиндель начинал поворачиваться
быстрее, и часы ускоряли свой ход. Если грузы перемещали ближе к краю - ход
часов замедлялся.
Такой была концепция ранних механических часов. Но уже очень скоро
устройство их заметно усложнилось. Прежде всего, увеличилось число колес
передаточного механизма. Вызвано это было тем, что при значительной разнице
в числе зубьев между ведущим и ведомым колесами получались очень большие
передаточные отношения, механизм испытывал сильную нагрузку и быстро
изнашивался. Груз в таких часах опускался очень быстро и его приходилось
поднимать по пять, шесть раз в сутки. К тому же для создания больших
передаточных отношений требовались колеса слишком большого диаметра, что
увеличивало габариты часов. Поэтому стали вводить промежуточные
дополнительные колеса, в задачу которых входило плавно увеличивать
передаточные отношения.
Посмотрим, например, на устройство часов Вика установленных в 1370
году в королевском дворце в Париже.
[pic]
Вокруг деревянного вала А, диаметром около 30 см, был намотан канат с гирей
В на конце. Гиря весом около 500 фунтов (200 кг) падала с высоты 10 м в
течение 24 часов. Гири большого веса требовались в связи со значительным
трением в колесном зацеплении и наличием тяжеловесного регулятора -
билянца. Все детали часов изготавливались кузнецами на наковальне. На валу
А располагалось главное колесо Е, которое передавало вращение остальным
колесам механизма. Для облегчения завода оно соединялось с валом не жестко,
а посредством собачки F и храпового колеса G. Таким образом, вращаясь по
часовой стрелке, вал приводил в движение колесо Е, а вращаясь против
часовой стрелки, оставлял его свободным. Для заводки часов служило зубчатое
колесо С, сцепленное с шестерней D. Оно облегчало поворот рукоятки.
Большое колесо приводило в движение шестерню, сидящую на оси, где
находилось второе колесо - Н, а это последнее приводило в движение
шестерню, находящуюся на оси, где сидело третье, или ходовое, колесо I.
Шпиндельный спуск J с коромыслом N и палетами К действовал здесь так же,
как описанный выше.
Башенные часы были довольно капризным механизмом, требующим
постоянного наблюдения. В течение дня несколько раз приходилось поднимать
груз. Ход часов зависел от силы трения, поэтому они нуждались в постоянной
смазке. Погрешность их суточного хода по современным меркам была очень
велика. Но, несмотря на это, они долгое время оставались самым точным и
распространенным прибором для измерения времени. С каждым десятилетием
механизм часов усложнялся. С часами стали связывать множество других
приспособлений, выполнявших самые различные функции. В конце концов,
башенные часы превратились в сложное устройство со многими стрелками,
автоматическими подвижными фигурами, разнообразной системой боя и
великолепными украшениями. Например, известному мастеру Джунелло Турриано
потребовалось 1800 колес для создания башенных часов, которые
воспроизводили дневное движение Сатурна, часы дня, годичное движение
Солнца, движение Луны, а так же всех планет в соответствии с птолемеевской
системой мироздания. В других часах марионетки разыгрывали настоящие
театральные представления. Так, в Пражских башенных часах (сооруженных в
1402 году) перед боем раскрывались два оконца над циферблатом и из них
выходило 12 апостолов. Страшная фигура Смерти, стоявшая на правой стороне
циферблата, держала в руках косу и песочные часы. При каждом бое часов она
поворачивала косу, а затем песочные часы, напоминая о конце жизни. Человек,
стоявший рядом, кивал головой, как бы подчеркивая роковую неизбежность. На
другой стороне циферблата находились еще две фигуры. Одна изображала
человека с кошельком в руках; каждый час он звенел лежавшими там монетами,
показывая, что время - деньги. Другая фигура - путника, мерно ударявшего
посохом в землю. Она показывала, как с течением времени движется по
жизненной дороге человек, или суетность жизни. После боя часов появлялся
петух и три раза кричал. Последним в оконце появлялся Христос и
благословлял всех стоявших внизу зрителей. Создание таких автоматов
требовало особых программных устройств. Их приводил в движение большой
диск, управляемый часовым механизмом. Все подвижные части фигур имели свои
рычаги. Во время вращения круга они то поднимались, то опускались, когда
рычаги попадали в особые вырезы и зубцы вращающегося диска. Помимо этого
башенные часы имели отдельный механизм для боя (многие часы по-разному
отбивали четверть часа, час, полдень и полночь), приводимый в движение
собственной гирей, и четыре циферблата (на каждой стороне башни).
Ко второй половине XV века относятся самые первые упоминания об
изготовлении часов с пружинным двигателем, который открыл путь к созданию
миниатюрных часов. Источником движущей энергии в пружинных часах служила
заведенная и стремящаяся развернуться пружина, которая представляла собой
эластичную, тщательным образом закаленную стальную ленту, свернутую вокруг
вала внутри барабана. Внешний конец пружины закреплялся за крючок в стенке
барабана, внутренний - соединялся с валом барабана. Стремясь развернуться,
пружина приводила во вращение барабан и связанное с ним зубчатое колесо,
которое в свою очередь передавало это движение системе зубчатых колес до
регулятора включительно. Конструируя такие часы, мастера должны были
разрешить несколько сложных технических задач. Главная из них касалась
работы самого двигателя. Ведь для правильного хода часов пружина должна на
протяжении длительного времени воздействовать на колесный механизм с одной
и той же силой. Для этого необходимо заставить ее разворачиваться медленно
и равномерно.
Толчком к созданию пружинных часов послужило изобретение запора, не
позволявшего пружине развернуться сразу. Он представлял собой маленькую
щеколду, помещавшуюся в зубья колес и позволявшую пружине раскручиваться
только так, что одновременно поворачивался весь ее корпус, а вместе с ним -
колеса часового механизма.
Так как пружина имеет неодинаковую силу упругости на разных стадиях своего
разворачивания, первым часовщикам приходилось прибегать к различным
хитроумным ухищрениям, чтобы сделать ее ход более равномерным. Позже, когда
научились изготовлять высококачественную сталь для часовых пружин, в них
отпала необходимость. Сейчас в недорогих часах пружину просто делают
достаточно длинной, рассчитанной примерно на 30-36 часов работы, но при
этом рекомендуют заводить часы раз в сутки в одно и то же время.
Специальное приспособление мешает пружине при заводе свернуться до конца. В
результате ход пружины используется только в средней части, когда сила ее
упругости более равномерна.
Самые значительные усовершенствования в механизм часов были внесены во
второй половине XVII века знаменитым голландским физиком Гюйгенсом,
создавшим новые регуляторы как для пружинных, так и для гиревых часов.
Использовавшееся до этого в течение нескольких веков коромысло имело много
недостатков. Его даже трудно назвать регулятором в буквальном смысле этого
слова. Весь регулятор должен быть способен к самостоятельным колебаниям с
собственной частотой. Коромысло же было, вообще говоря, только маховиком.
Множество посторонних факторов влияло на его работу, что отражалось на
точности хода часов. Механизм стал гораздо совершеннее, когда в качестве
регулятора начали использовать маятник.
Впервые мысль применить маятник в простейших приборах для измерения
времени пришла великому итальянскому ученому Галилео Галилею. Сохранилось
предание, что в 1583 году девятнадцатилетний Галилей, находясь в Пизанском
соборе, обратил внимание на раскачивание люстры. Он заметил, отсчитывая
удары пульса, что время одного колебания люстры остается постоянным, хотя
размах делается все меньше и меньше. Позже, приступив к серьезному изучению
маятников, Галилей установил, что при малом размахе (амплитуде)
раскачивания (всего несколько градусов) период колебания маятника зависит
только от его длины и имеет постоянную длительность. Такие колебания стали
называть изохронными. Очень важно, что при изохронных колебаниях период
колебания маятника не зависит от его массы. Благодаря этому свойству
маятник оказался очень удобным прибором для измерения небольших отрезков
времени. На его основе Галилей разработал несколько простых счетчиков,
которые использовал при проведении своих экспериментов. Но из-за
постепенного затухания колебаний маятник не мог служить для измерения
длительных промежутков времени.
Создание маятниковых часов состояло в соединении маятника с
устройством для поддержания его колебаний и их отсчета. В конце жизни
Галилей стал конструировать такие часы, но дальше разработок дело не пошло.
Первые маятниковые часы были созданы уже после смерти великого ученого его
сыном. Однако устройство этих часов держалось в строгом секрете, поэтому
они не оказали никакого влияния на развитие техники. Независимо от Галилея
в 1657 году механические часы с маятником собрал Гюйгенс.
[pic]
При замене коромысла на маятник первые конструкторы столкнулись со сложной
проблемой: как уже говорилось, маятник создает изохронные колебания только
при малой амплитуде, между тем шпиндельный спуск требовал большого размаха.
В первых часах Гюйгенса размах маятника достигал 40-50 градусов, что
неблагоприятно сказывалось на точности хода. Чтобы компенсировать этот
недостаток, Гюйгенсу пришлось проявить чудеса изобретательности. В конце
концов, он создал особый маятник, который в ходе качания изменял свою длину
и колебался по циклоидной кривой. Часы Гюйгенса обладали несравнимо большей
точностью, чем часы с коромыслом. Их суточная погрешность не превышала 10
секунд (в часах с коромысловым регулятором погрешность колебалась от 15 до
60 минут).
Около 1676 года английский часовщик Клемент изобрел якорно-анкерный
спуск, который очень удачно подходил к маятниковым часам, имевшим небольшую
амплитуду колебания.
[pic]
В этой конструкции спуска на ось маятника насаживался якорь с палетами.
Раскачиваясь вместе с маятником, палеты попеременно внедрялись в ходовое
колесо, подчиняя его вращение периоду колебания маятника. При каждом
колебании колесо успевало повернуться на один зуб. Благодаря такому
спусковому механизму маятник получал периодические толчки, которые не
давали ему остановиться. Толчок происходил всякий раз, когда ходовое
колесо, освободившись от одного из зубьев якоря, ударялось с определенной
силой о другой зуб. Этот толчок передавался от якоря к маятнику.
Маятниковый регулятор Гюйгенса произвел подлинный переворот в технике
часового дела. Позже Гюйгенс немало потрудился над усовершенствованием
карманных пружинных часов. Главная проблема, которая стояла в то время
перед часовщиками, заключалась в создании собственного регулятора для
карманных часов. Если и в стационарных башенных часах коромысло считалось
недостаточно подходящим, то что можно было сказать про карманные часы,
которые постоянно находились в движении, покачивались, тряслись и меняли
свое положение? Все эти колебания оказывали воздействие на ход часов. В XVI
веке часовщики стали заменять двуплечный билянец в виде коромысла круглым
колесиком-маховиком. Это улучшило работу часов, но она оставалась
неудовлетворительной. Важное усовершенствование регулятора произошло в 1674
году, когда Гюйгенс присоединил к колесику-маховику спиральную пружину -
волосок. Теперь при отклонении колесика от нейтрального положения волосок
воздействовал на него и старался возвратить на место. Однако массивное
колесико проскакивало через точку равновесия и раскручивалось в другую
сторону до тех пор, пока волосок снова не возвращал его назад. Таким
образом был создан первый балансовый регулятор или балансир со свойствами,
подобными свойствам маятника. Выведенное из состояния равновесия, колесико
балансира начинало совершать колебательные движения вокруг своей оси.
Балансир имел постоянный период колебания, но в отличие от маятника мог
работать в любом положении, что очень важно для карманных и ручных часов.
Усовершенствование Гейгенса произвело среди пружинных часов такой же
переворот, как введение маятника в стационарные настенные часы.
Новый регулятор потребовал новой конструкции спуска. В последующие
десятилетия разные часовщики разработали несколько остроумных спусковых
устройств.
Наиболее простой цилиндрический спуск для пружинных часов был
изобретен в 1695 году Томасос Томпионом. Спусковое колесо Томпиона было
снабжено пятнадцатью зубьями особой формы "на ножках".
[pic]
Сам цилиндр представлял собой полую трубку, верхний и нижний концы которой
были плотно забиты двумя тампонами. На нижнем тампоне был насажен балансир
с волоском. При колебании балансира вправо и влево в соответствующую
сторону вращался и цилиндр. На цилиндре находился вырез в 150 градусов,
проходящий на уровне зубцов спускового колеса. Когда колесо двигалось, его
зубья попеременно одно за другим входили в вырез цилиндра. Благодаря этому
изохронное движение цилиндра передавалось спусковому колесу и через него -
всему механизму, а балансир получал импульсы, поддерживающие его колебания.
Целых три столетия механические часы оставались самым сложным
техническим устройством. Поэтому с полной уверенностью можно сказать, что
XIV-XVII века в истории техники прошли под знаком часов.
Заключение
Таким образом, заканчивая наш реферат, мы можем сказать, что создание
часов имело огромное значение для истории техники. Дело даже не столько в
том, что люди получили в свое распоряжение удобный прибор для измерения
времени. Влияние этого изобретения было несравненно шире. Часы стали первым
автоматом, созданным для практических целей и получившим повсеместное
распространение. Не было другой такой области техники, где было бы
приложено столько изобретательности, знания и остроумия, как при создании и
усовершенствовании часового механизма. По сравнению с примитивными прежними
устройствами часы стали как бы большим качественным шагом вперед. Создание
их требовало сложных расчетов и кропотливого труда, особых инструментов и
новых материалов, они давали прекрасную возможность для соединения науки и
практики. Многие конструкторские идеи, получившие потом распространение в
других отраслях техники, были поначалу опробованы в часах, а для многих
механизмов, созданных в последующие времена, часы послужили образцом. Они
явились как бы опытной моделью всего механического искусства вообще. Трудно
назвать еще какое - либо устройство, давшее столь богатое поле для работы
человеческой мысли.
Список литературы:
1. Джеймс П., Торп Н. Древние изобретения. ООО "Попурри", 1997
2. Лурье И. Очерки по истории техники Древнего Востока. М., 1940
3. Михаль С. Часы. М. Знание, 1983
4. Рыжов К.В. 100 великих изобретений. М. Вече, 1999
5. Большая иллюстрированная энциклопедия древностей. Прага, Артия, 1980
6. Энциклопедия для детей. Том 14. Техника. М. ЗАО "Дом Книги 'Аванта+'",
1999