S.Mihal' "Chasy.
Ot gnomona do atomnyh chasov",
Znanie/NiT<< Opory | Oglavlenie | Signal'nye ustroistva (budil'niki) >>
Privodnye mehanizmy chasov
Regulirovka hoda chasov. Vliyanie temperatury vozduha
Period kolebanii chasovogo oscillyatora obuslovlen prezhde vsego ego razmerami. Esli prodolzhitel'nost' kolebaniya mayatnika ne zavisit ot ego vesa, to dlya balansa prodolzhitel'nost' kolebaniya v sushestvennoi stepeni zavisit ot materiala, prichem ne tol'ko balansa, no i voloska.
Velichina poluperioda (prodolzhitel'nost' polukolebaniya) mayatnika opredelyaetsya ego dlinoi po formule:
gde T – poluperiod (prodolzhitel'nost' polukolebaniya) mayatnika;
lr – privedennaya dlina mayatnika;
g – uskorenie sily tyazhesti.
Raschetom mozhno ustanovit', chto privedennaya dlina sekundnogo mayatnika dlya nashei geograficheskoi shiroty ravna 99,4 sm, a polusekundnogo – 24,9 sm.
Period polukolebaniya balansa obuslovlen ego razmerami i vrashayushim momentom voloska. Dlya tochnogo regulirovaniya hoda sluzhit tak nazyvaemyi gradusnik, regulirovochnaya strelka kotorogo zakreplena podvizhno na mostu balansa. Ee hvostovik s zamkom, ohvatyvayushim volosok na ego poslednem vneshnem vitke vblizi kolodki, pri povorote strelki izmenyaet rabochuyu dlinu, a s nei i vrashayushii moment voloska. V bol'shinstve sluchaev smeshenie regulirovochnoi strelki na odno delenie shkaly izmenyaet sutochnyi hod chasov primerno na 2 min. U staryh pruzhinnyh chasov s balansovym oscillyatorom bez voloska hod regulirovalsya tol'ko izmeneniem sily privodnoi pruzhiny. Dlya etogo na kryshke barabana pruzhiny byl special'nyi hrapovik s zashelkoi. U chasov s balansom folio ego amplituda zadavalas' shetinnymi uporami, zakreplennymi na nepodvizhnoi i reguliruemoi konsolyah. Karmannye chasy XVIII v. so shpindel'nym spuskom imeli specificheskii tak nazyvaemyi regulyator Tompiona, kotoryi, kak i gradusnik s regulirovochnoi strelkoi, izmenyal rabochuyu dlinu voloska.
Kolichestvo polukolebanii balansa razlichaetsya v zavisimosti ot tipa chasov, ih velichiny i ispolneniya. Nizhnii predel etogo kolichestva nachinaetsya s treh polukolebanii v sekundu u bol'shih chasov, naprimer u budil'nikov. Morskie hronometry s chetyr'mya polukolebaniyami v sekundu takzhe otnosyatsya k gruppe chasov s nizkoi chastotoi oscillyatora. Prodolzhitel'nost' kolebaniya karmannyh chasov okolo 1/5 s, a naruchnyh – kolebletsya v predelah ot 1/5 do 1/6 s1.
Vency balansov nekotoryh karmannyh i naruchnyh chasov imeyut na okruzhnosti malen'kie regulirovochnye vintiki. Izmeneniem ih polozheniya na vence vyravnivaetsya hod chasov, prezhde vsego razlichiya v chastote pri gorizontal'nom i vertikal'nom polozhenii balansa, vyzyvaemye izmeneniem treniya capf.
O nekotoryh prichinah razlichnoi dlitel'nosti polukolebanii my uzhe upominali pri opisanii spuskovyh mehanizmov. Naryadu s kolebaniyami vedushei sily, chuvstvitel'nymi prezhde vsego u tochnyh chasov, i razlichnymi pobochnymi yavleniyami, vyzyvaemymi izmeneniyami smazochnyh svoistv stareyushego masla i t.p., na hod chasov vliyaet i izmenenie temperatury i davleniya vozduha. Pri izmenenii temperatury veshestva izmenyayut svoi ob'em, prichem izmenyayutsya ih mehanicheskie svoistva, chto osobenno vazhno dlya podvesnyh pruzhin mayatnika i voloskov. O tom, chto v chasovom dele nel'zya prenebregat' teplovym rasshireniem, svidetel'stvuet to obstoyatel'stvo, chto odnoprocentnoe izmenenie v dline mayatnika izmenyaet sutochnyi hod chasov na celye 432 s.
Sravnitel'no horoshie rezul'taty davali v etom otnoshenii mayatniki iz vysohshei elovoi drevesiny, temperaturnaya pogreshnost' kotoryh kolebalas' v predelah 1/5 s v den' na 1oC. Dlya astronomicheskih izmerenii takaya stepen' tochnosti, samo soboi razumeetsya, nedostatochna, poetomu prishli k idee sozdaniya kompensacionnyh elementov. Princip vseh temperaturnyh kompensatorov mayatnikov zaklyuchalsya v sohranenii postoyanstva rasstoyaniya mezhdu centrom tyazhesti i tochkoi podveski mayatnika. V 1720 g. etu problemu vpolne uspeshno reshil Gragam s pomosh'yu rtuti, zapolnyayushei chastichno prostranstvo linzy mayatnika. Temperaturnaya pogreshnost' ego mayatnika upala do 0,001 s/sutki na 1oC.
Bol'shoi interes u chasovshikov vyzvali bimetallicheskie reshetchatye mayatniki, sostavlennye iz dvuh sistem stal'nyh i latunnyh sterzhnei. Odna sistema byla zhestko soedinena s podveskoi mayatnika, a drugaya – s ego linzoi. Pri vybore razmerov neobhodimo bylo uchityvat' razlichnye koefficienty temperaturnogo rasshireniya oboih metallov tak, chtoby i pri bol'shom izmenenii temperatur dlina mayatnika ot tochki podvesa do centra linzy ostavalas' neizmennoi. Interesno reshennye reshetchatye mayatniki sozdali Garrison, Yurgensen, Bertu, Lerua, Depars'e, Trougton i mnogie drugie (nekotorye ih konstrukcii pokazany na ris. 30).
Ris. 30. Mayatnik s bimetallicheskoi kompensaciei temperaturnoi pogreshnosti
Pervym cheshskim chasovshikom, proizvodivshim temperaturno-kompensirovannye mayatniki sobstvennoi konstrukcii, byl opyat'-taki 'ozef Kossek, kotorym byli sozdany nekotorye ves'ma interesnye konstrukcii rtutnyh i bimetallicheskih kompensatorov. I izvestnaya prazhskaya masterskaya Villenbahera i Rzhebicheka, osnovannaya v pervoi polovine proshlogo veka, konstruirovala sobstvennye tipy bimetallicheskih mayatnikov.
Sharl' Eduard Gil'om (1861 - 1938) issledoval svoistva ferronikelevyh splavov i nashel splav s soderzhaniem 36% nikelya, izvestnyi pod nazvaniem "invar" (ot francuzskogo slova invariable), ne tol'ko stoikii k korrozii, no i obladayushii samym malym koefficientom temperaturnogo rasshireniya. V 1897 g. Tyuri ispol'zoval invar Sharlya Eduarda Gil'oma dlya sozdaniya mayatnikov, a cherez tri goda stal montirovat' invarnye mayatniki u svoih chasov dlya astronomicheskih izmerenii vremeni myunhenec Rifler. S togo vremeni proishodyat i pervye kvarcevye mayatniki venskogo konstruktora tochnyh chasov Karla Satori, stabil'nost' dliny kotoryh byla eshe na 60% bol'she, chem u invarnyh.
Tochnost' mayatnikovyh chasov na astronomicheskih observatoriyah zavisela takzhe ot vliyanii voshodyashih potokov vozduha i pri izmeneniyah barometricheskogo davleniya. Voznikayushaya pri etom barometricheskaya pogreshnost' ustranyalas' libo tem, chto chasovoi mehanizm pomeshali v prostranstve s chastichnym vakuumom (eto odnovremenno ogranichilo vliyanie vozdeistviya ukazannyh sil), libo s pomosh'yu aneroidnogo kompensatora – manometricheskoi korobki s kompensatornym gruzom, zakreplennym na mayatnike.
Balansovyi oscillyator bolee chuvstvitelen k vozdeistviyam temperatury, chem mayatnik.
Barometricheskaya pogreshnost' balansa dostigaet okolo 0,2 s v sutki pri izmenenii davleniya vozduha primerno na 0,01 Pa. Izmenenie temperatury na 1oC u obychnyh chasov s latunnym balansom i bronzovym voloskom vyzyvaet sutochnoe izmenenie hoda chasov po men'shei mere na 10 s.
Neblagopriyatnye vliyaniya izmenenii temperatury na hod balansovyh oscillyatorov uchityvali uzhe starye chasovshiki, kotorye izyskivali sposob bor'by s etim vliyaniem.
Ris. 31. Izmenenie formy balansa s bimetallicheskim obodom:
a – pri povyshennoi temperature, b – pri srednei temperature, v – pri ponizhennoi temperature
Bimetallicheskaya sistema, shiroko primenyaemaya dlya mayatnikov, nashla bol'shoe primenenie i dlya balansov, glavnym obrazom v vide bimetallicheskih balansov s obodom, izgotovlennym iz svarnyh stal'nyh i latunnyh lent (ris. 31). U chasov s obychnym, nekompensirovannym po temperaturam balansom uvelichivalsya pri povyshenii temperatury moment inercii balansa, i chasy togda nachinali otstavat'. Odnako u bimetallicheskogo balansa pod vliyaniem razlichnoi stepeni rasshireniya stali i latuni obod progibaetsya v meste shva svobodnymi koncami vovnutr', diametr balansa umen'shaetsya, hod chasov uskoryaetsya, v silu chego temperaturnaya pogreshnost' kompensiruetsya. Pri ponizhenii temperatury proishodit protivopolozhnyi process. Takoi balans mog udovletvoritel'no ispravlyat' temperaturnuyu pogreshnost' vsego oscillyatora, a potomu prisoedinennyi k nemu volosok ne kompensirovalsya. Izvestny razlichnye vidy kompensacionnyh balansov dlya morskih hronometrov – bimetallicheskii balans Irnshau, postroennyi im v 1790 g., i balans Sharlya Eduarda Gil'oma, izgotovlennyi iz latuni i ferronikelya i dr.
V 1775 g. Bertu otkryl tak nazyvaemuyu vtorichnuyu oshibku, ostavshuyusya u kompensacionnyh balansov i proyavlyayushuyusya v sutochnom izmenenii hoda chasov v predelah ot 2 do 5 s. Prichinoi etogo byl nelineinyi harakter rasshireniya materialov balansa s izmeneniem temperatury. Bertu ustanovil, chto bimetallicheskii kompensacionnyi balans mozhet tochno ustranit' vliyanie temperaturnogo rasshireniya lish' pri dvuh opredelennyh temperaturah, togda kak v diapazone mezhdu nimi voznikaet imenno eta vtorichnaya pogreshnost'.
Zakalennye stal'nye voloski, vpervye izgotovlennye Zhanom Celanisom Lutcom v 1847 g., kotorye ran'she ispol'zovalis' dlya bimetallicheskih balansov, stradali ryadom nedostatkov. Oni korrodirovali, i na nih vliyal zemnoi magnetizm. Dostoinstvami zhe ih byli sravnitel'no maloe vnutrennee trenie i malyi rashod energii na upruguyu deformaciyu.
Sharl' Ogyust Peilar (1840 - 1895) izobrel v 1877 g. v kachestve pobochnogo produkta pri proizvodstve platiny neokislyayushiisya nemagnitnyi splav palladiya s temperaturoi plavleniya 1550oC. V to zhe vremya anglichane proizvodili eksperimenty s voloskami iz stekla i zolota. Izobretenie Peilara imelo bessporno bol'shoe znachenie dlya vnedreniya novyh materialov v chasovoe proizvodstvo, no eto izobretenie zatmili dal'neishie izobreteniya Gil'oma, kasayushiesya ferronikelevyh splavov. Cel'yu eksperimentov Gil'oma bylo sozdanie bimetallicheskogo balansa bez vtorichnoi pogreshnosti. Ferronikelevyi splav, podhodyashii dlya takogo balansa, soderzhal 42% nikelya. V 1897 g. Pol' Perre izgotovil iz etogo splava volosok, kotoryi imel namnogo men'shie izmeneniya uprugosti v zavisimosti ot temperatury, chem stal'. Posle mnogih let dal'neishih eksperimentov byl sozdan, nakonec, v 1913 g. opyat'-taki blagodarya Sharlyu Eduardu Gil'omu novyi temperaturno-stabil'nyi material elinvar (nazvanie proizoshlo ot sokrashennyh slov elasticite invariable) s soderzhaniem hroma ot 10 do 12%. Etot ferronikelevyi splav hotya i imel postoyannyi modul' uprugosti, no slishkom sil'no snizhal amplitudu kolebanii balansa i byl ochen' chuvstvitelen k magnitnomu polyu. Drugimi ego nedostatkami byli myagkost' i legkaya deformiruemost'.
Nesmotrya na eto, vse zhe takaya peredacha funkcii temperaturnoi kompensacii s balansa na volosok privilas', tak chto v nyneshnem chasovom proizvodstve primenenie kompensacionnyh voloskov – obychnoe delo. Isklyucheniem yavlyayutsya hronometry, gde do sih por sohranilsya bimetallicheskii balans s cilindricheskim stal'nym voloskom. Nyneshnie naruchnye chasy imeyut kompensacionnye voloski iz special'nyh ferronikelevyh splavov, izvestnyh pod torgovymi nazvaniyami "nivaroks", "izoval" i t.p., i gladkii monometallicheskii balans, kotorye ne uchastvuyut v kompensacii temperaturnyh vliyanii.
V istoricheskom obzore razvitiya mnogih splavov sleduet upomyanut' eksperimenty M.R. Shtraumanna iz Val'denburga, kotoryi ispol'zoval dlya balansa temperaturnuyu anizotropiyu (razlichnuyu stepen' rastyazhimosti materiala v raznyh napravleniyah) cinkovyh splavov, dostigaemuyu ih nadlezhashei obrabotkoi. Etimi novymi materialami udalos' eshe bolee ponizit' temperaturnuyu pogreshnost' chasov.
Balansovyi oscillyator yavlyaetsya ves'ma slozhnym ustroistvom. Naryadu s temperaturoi i barometricheskim davleniem na stabil'nost' ego polukolebanii vozdeistvuet eshe ryad drugih faktorov, sredi kotoryh est' i neizohronnaya pogreshnost', voznikayushaya pri nepostoyanstve amplitudy balansa. Ukazhem dlya polnoty izlozheniya hotya by na glavnye istochniki neizohronnoi pogreshnosti, vyzyvaemoi nestabil'nost'yu amplitudy. Naryadu s peremennym impul'som spuskovogo mehanizma eto byvayut kolebaniya uprugosti voloska, vliyanie formy ego krepleniya na koncah, izmenenie zazora v zamke regulirovochnoi strelki, gradusnika, izmenenie polozheniya centra tyazhesti voloska i dr.
Issleduya detal'nee formu ploskih voloskov, my dolzhny obratit' vnimanie v nekotoryh sluchayah na osobuyu formu ih koncevoi krivoi. Volosok s osoboi formoi zakrugleniya nosit naimenovanie voloska s krivoi Brege po imeni samogo sozdatelya. Eto, po sushestvu, obychnyi ploskii volosok, poslednii vneshnii vitok kotorogo neskol'ko pripodnyat nad ostal'nymi vitkami i sformirovan v osobuyu krivuyu, kompensiruyushuyu vrednoe peremennoe vliyanie krepleniya voloska v kolodke i na mostike balansa.
Tochnaya regulirovka hoda perenosnyh chasov i pri horoshih regulyatorah s kompensacionnymi elementami yavlyaetsya ves'ma trudnym delom, poskol'ku pri izmenenii polozheniya balans, oscillyator i chasovoi mehanizm nepreryvno podvergayutsya izmenyayushimsya vliyaniyam, naprimer vliyaniyu sily tyazhesti balansa i voloska ili razlichnogo treniya capf v oporah pri gorizontal'nom i vertikal'nom polozheniyah mehanizma. Chtoby ustranit' nepravil'nosti hoda, vyzyvaemye polozheniyami mehanizma, Brege sozdal special'noe ustroistvo "turbillion". Princip ego raboty sostoyal v razmeshenii spuska s oscillyatorom v osoboi kletke, kotoraya postoyanno vrashalas' vokrug vala sekundnogo kolesa so skorost'yu odnogo oborota v minutu. Etim sposobom Brege isklyuchil vliyanie sily tyazhesti balansa i voloska pri izmenenii polozheniya chasov. Proizvodstvo turbillionov dostiglo vysokogo urovnya v Shveicarii. Izvestny turbilliony Frederika-Lui Favre-Bulle (1770 - 1849), Ernesta Gvinarda (1879) i, nakonec, odnogo iz glavnyh pozdneishih proizvoditelei etih priborov Al'berta Pellatona-Favre (1832 - 1914) i ego syna Dzheimsa.
V 1894 g. Bein Bonniksen iz Koventri izobrel drugoi variant turbilliona – karusel', kotoraya otlichalas' ot turbilliona Brege glavnym obrazom skorost'yu vrasheniya kleti. Pervonachal'no klet' so spuskom v karuselyah Bonniksena vrashalas' vokrug vala sekundnogo kolesa odin raz v 52,5 min, no u noveishih tipov vremya oborota sokratilos' do 39 min.
1 V poslednee vremya s cel'yu povysheniya tochnosti chasov stali primenyat' bolee vysokochastotnye balansy s periodom polukolebanii do 0,1 s. (Prim. nauch. red.)
<< Opory | Oglavlenie | Signal'nye ustroistva (budil'niki) >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
istoriya astronomii - vremya - Chasy
Publikacii so slovami: istoriya astronomii - vremya - Chasy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
