История часов и часы в истории

В античной Греции водяные часы применяли для регламентации времени, предоставляемого ораторам во время судебных процессов. Эти часы были, по существу, большими амфорами, внутренняя поверхность которых имела форму, образованную вращением параболы или эллипсоида, что опять показывает их позднее происхождение: ведь установить зависимость скорости истечения от высоты столба воды и формы сосуда смогли только в средние века. Похоже на бред Фоменко!

Амфора высотой около 1 м и шириной несколько более 40 см вмещала около 100 л воды. При диаметре отверстия истечения в 1.4 мм требовалось почти 10 часов на полное опорожнение сосуда. В воде находился поплавок с прикрепленным к нему длинным стержнем, выступавшим над краем сосуда. На стержне была выгравирована шкала. Время, прошедшее после начала истечения воды, указывалось на этой шкале. Поплавок опускался в амфоре равномерно, поскольку снижение скорости истечения компенсировалось уменьшающимся внутренним диаметром сосуда.

То, что клепсидра не зависела от света Солнца, сделало из водяных часов прибор, пригодный для непрерывного измерения времени и днем, и ночью. К тому же стало возможным развивать некоторые механические элементы. Началось соревнование конструкторов в изобретении остроумных гидравлических и пневматических механизмов: для звуковой сигнализации о времени, для освещения часов ночью; такие элементы можно найти у целого ряда водяных часов арабского происхождения. В руках одаренных воображением мастеров возникли выдающиеся произведения, отличающиеся высокой художественной ценностью и оригинальной функциональностью.

Поистине легендарной фигурой среди мастеров по изготовлению «клепсидр» считается известный греческий механик Ктесибий Александрийский, живший примерно за 150 лет до н.э. Римлянин Витрувий даже называет его изобретателем водяных часов.

Сохранились сообщения о двух изготовленных Ктесибием часах, которые ввиду особых достоинств заслуживают хотя бы краткого описания. В часах, приводимых в действие водяным колесом, Ктесибий использовал передачу сил и движения зубчатым механизмом, проект которого теоретически наметил еще Аристотель (как считают, в IV веке до н.э.). Зубчатая передача соединяла ведущий механизм со шкалой, 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, капли воды, падающие 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, что являлось звуковой сигнализацией.

Вторые часы Ктесибия отличались 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 зодиакальной плиты. Но самое интересное, что точно такие часы были сделаны и описаны в сочинении «De dolaribus horologies», изданном в Париже в 1560 г.

К произведениям высокого художественного творчества, бесспорно, относятся бронзовые водяные часы, изготовленные в период 799-807 гг., которые Гарун-аль-Рашид послал в подарок Карлу Великому. Эти часы с богатыми орнаментальными украшениями, имели циферблат, и каждый час провозглашали звуковым ударом металлического шара, который выскакивал из них на декоративную решетку, а в полдень в часах открывались ворота, и из них выезжали рыцари. Подобная техника автоматических движущихся фигур была развита в Европе много позднее - в период готики, со второй половины XII века. А кстати, рыцари как сословие, со всеми присущими им атрибутами, появились не раньше XI века.

В Индии водяные часы назывались «яла-янтра». Это были преимущественно часы «истечения» с небольшим отверстием в дне. При восходе Солнца их заполняли водой, которая затем вытекала, так что до вечера процесс заполнения и истечения воды повторялся 5-6 раз.

Считается, что около 725 г. появились водяные часы в Китае, их сделал И-Хсинга. Верхом совершенства, несомненно, был проект больших пагодных астрономических водяных часов, разработанный в 1090 г. и осуществленный Су-Сунгом в провинции Хонан, тогдашней столице Китайской империи. Эти часы имели сигнальное устройство, похожее на то, которое имелось у водяных часов Ктесибия. Астрономическая же их часть имела форму армиллярной сферы и небесного глобуса. Многие считают, что принцип регулятора хода пагодных астрономических часов Су-Сунга стал соединительным звеном между водяными и механическими хронометрическими приборами. Но не следует забывать, какую дикость встретили в Китае иезуиты, придя туда. Так что все эти чудесные часы, скорее всего либо более позднего происхождения, либо выдумка. И снова вторгся бред Фоменковцев!

Арабский инженер Аль-Язари написал в 1206 г. книгу, где описал различные механизмы. В шести из десяти глав книги он описывает водяные часы с различными фигурными элементами, а в остальных главах знакомит читателей с некоторыми видами огневых свечных часов. Аль-Язари предпочитал фигурное изображение времени, в отличие от последующих конструкторов, которые перешли на цифровые индикаторы. Указательный механизм водяных часов Аль-Язари состоял из скульптурных изображений четырех павлинов: старый павлин, два молодых павлина и над ними пава. Эта фигурная часть дополнялась сверху 15 стеклянными шарами.

Как же работал механизм управления павлинами? Вода вытекает из бака в сосуд, закрепленный в подвеске так, чтобы после его наполнения он в определенный момент опрокинулся, причем его содержимое переливалось бы в нижнюю ванну и текло бы оттуда на лопасти водяного колеса. Водяное колесо приводит в движение передаточный механизм, соединенный с павлином, и он начинает свое движение. От воды действует и звуковой механизм флейт, и приводное устройство молодых павлинов. Водяное колесо с помощью тяг отклоняет павлинов от их первоначальных положений, а вода, вытекающая из ванны под водяным колесом в нижний бак, выжимает из него воздух на язычок флейт. Это описание дает представление об остроумии авторов и сложности приборов, которые арабский мир знал намного раньше, чем подобные элементы появились в Европе.

3. Огневые часы

Помимо солнечных и водяных, с начала XIII века появились и первые огневые, или свечные, часы. Это тонкие свечи длиной около метра с нанесенной по всей длине шкалой. Они сравнительно точно показывали время, а в ночные часы еще и освещали жилища церковных и светских сановников, в том числе таких правителей, какими были в середине XIII века Людовик Святой, а в XIV веке - Карл V. К боковым сторонам свечи иногда 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 также и растительное масло служило людям не только для питания, но и в качестве светильного материла, и как основа для масляных лампадных часов. 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 нанесенным на нее обозначениям времени. Первоначальные цилиндрические или слегка выпуклые стеклянные сосудики под масло были источником некоторой погрешности в измерении времени. Дело в том, что вечером из-за более высокого уровня масла его давление вызывало более быстрое выгорание, чем ближе к утру. Поэтому лампадные часы более позднего происхождения имели стеклянную колбу в виде расширенной кверху груши, чтобы таким образом хотя бы частично выровнять скорость сгорания масла и обеспечить точность определения времени.

Определить время появления таких часов сложно, однако можно сказать наверняка, что произошло это не раньше, чем научились производить в достаточном количестве стекло.

Больше всего лампадных часов было в Китае, который вообще считается колыбелью всех видов огневых часов. Помимо всякого рода лампадных часов, тут в более позднее время появились газосветные часы, которые китайцы полюбили настолько, что некоторые их типы сохранялись вплоть до XX века. До сих пор в Китае рассказывают, что примерно 3000 лет назад Фо-хи, «отец Китая» и его первый император, создал первые огневые часы, чтобы с их помощью измерять дневное и ночное время.

Существовал и другой тип огневых часов, так называемые фитильные. Их главной частью 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 к ним 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 укреплялся 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. Причем наличие всех этих часов в Китае не дает никакой хронологической отметки и, во всяком случае, не означает их древности.

Рис. 3. Водяные часы. Австралия, Сидней

4. Песочные часы

Дата возникновения первых песочных часов тоже неизвестна. Но и они, как и масляные лампадные, появились не раньше, чем прозрачное стекло. Считается, что в Западной Европе о песочных часах узнали лишь в конце средневековья; одним из самых старых упоминаний о них является сообщение от 1339 г., обнаруженное в Париже. Оно содержит указание по приготовлению мелкого песка из просеянного порошка черного мрамора, прокипяченного в воде и высушенного на солнце.

Несмотря на то, что песочные часы появились в Европе столь поздно, они быстро распространились. Этому способствовали их простота, надежность, низкая цена и не в последнюю очередь возможность измерять с их помощью время в любой момент дня и ночи. Их недостатком был сравнительно короткий интервал времени, который можно было измерить, не переворачивая прибора. Обычные часы были рассчитаны на полчаса или час, реже - на 3 часа, и лишь в совершенно редких случаях строили огромные песочные часы на 12 часов хода. Не давало улучшения и соединение нескольких песочных часов в одно целое.

Как и огневые, песочные часы никогда не достигали точности солнечных. Кроме того, при длительном пользовании ими их точность изменялась, поскольку зерна песка постепенно дробились на более мелкие, а отверстие в середине диафрагмы, наоборот, постепенно истиралось и увеличивалось, так что скорость прохождения песка через них становилась большей.

Рис. 3. Песочные часы

5. Механические часы

Солнечные, водяные и огневые хронометрические приборы завершили первую фазу в развития приборов для измерения времени. Постепенно выработались более четкие представления о времени, и стали изыскиваться более совершенные способы его измерения. Революционным изобретением, ознаменовавшим совершенно новые этапы развития в этом направлении, было создание первых колесных часов, с появления которых началась современная эра хронометрии.

Механические часы были нужны всем, церкви - для уточнения начала времени богослужения. Сначала с этой задачей успешно справлялись солнечные часы, но со временем их заменили башенные механические часы с боем. Можно предположить, что первые механические часы не имели циферблата, а имели один только колокольный бой, звуком оповещая наступление часа молитвы.

Но и в светских делах требовалось знать точное время! По преданиям, королевский наместник в Артуа, что во Франции, дал в 1355 году дал жителям городка Эрсюр-ля-Лис разрешение построить городскую колокольню, чтобы ее механические часы отбивали не церковные службы, а время коммерческих сделок и часы работы ткачей и суконщиков. Точное время хотели знать и на производствах, где результат работы зависел от времени продолжительности технологических процессов.

Во всех таких случаях было нельзя обойтись без механических часов. Международная торговля, тоже, без механических часов обойтись не могла, значительное расширение морских торговых путей требовало точных методов навигации. Широту местности определяли с помощью астрономии, но для определения долготы с помощью расчета по звездам требуется привязка ко времени. Необходимая для этого точность измерений времени была недостижимой даже в XVIII веке. И только с появлением механических часов, настроенных на астрономическое время в известной точке Земли, сравнивая его со временем на судне, рассчитать долготу местности.

Для производства механических часов, какими были первые образцы, требовались гораздо более точные станки, чем весь прежний инструментарий. Современное точное машиностроение родилось из мастерства механиков часовщиков.

Автор и дата изобретения механических часов неизвестны. Из некоторых сообщений Х века делаются предположения, что именно тогда впервые построил такой механизм монах Герберт из Ориллака, будущий римский папа Сильвестр II (950 - 1003). Действительно, в технике он был большим талантом, к тому же имел возможность во время своих учебных поездок знакомиться с принципами построения различных арабских астрономических приборов и водяных часов. И все же вывод о создании Гербертом механических часов не имеет достаточных оснований, и вот почему.

Во-первых; арабы были весьма искусны в изготовлении водяных часов, и часы Герберта тоже могли быть водяными. Ведь содержащийся в документах термин «хорология» (horologium) относился тогда ко всяким рода приборам для измерения времени. Во-вторых, в дальнейшем не было упоминаний о достижении Герберта или о том, что его идею кто-либо развивал при его жизни или после нее. Кстати, именно Герберт ввел в Европе «арабские» цифры.

Большинство историков видят преемственность: ведь и в самом деле механические часы стали результатом усложнения механической части водяных, в которых применялись уже циферблат, колесная передача, механизм боя, марионетки, разыгрывающие различные сцены… Разница была в движущей силе: в одном случае - струя воды, в другом - тяжелая гиря. Недоставало только механического спускового устройства и регулятора хода. Автор шпиндельного спуска («сторожка»), который через определенные промежутки времени прерывает движение часового механизма, неизвестен.

Обычно историки ссылаются на механизм, чертеж которого приведен в альбоме французского архитектора Вилларда де Синекура, как на первое упоминание спускового устройства для регулирования хода часов: он описал (приблизительно в 1250 г.) грубое устройство, позволявшее фигурке ангела всегда показывать рукой на Солнце. Этот механизм, как полагают многие, не был изобретен Виллардом; скорее всего, он познакомился с ним и срисовал его во время своих путешествий. К тому же нарисованный в альбоме Вилларда механизм все-таки мало напоминает шпиндельный спуск.
Как видно из эскиза этого устройства, здесь в качестве движущей силы применена гиря, подвешенная на конце веревки, обмотанной вокруг оси колеса. Падение гири и относительно равномерное вращение вертикального стержня, на котором на подставке укреплена фигура ангела, регулировалось колебанием колеса взад и вперед. Период колебания обусловливался многими факторами, включая момент инерции, трение в опорах, силы, действующие на веревку.

Известны старинные французские и английские башенные часы простого устройства с боем, но без циферблата. Английское слово clock - часы, происходит от латинского clocca; другим его эквивалентом является саксонское clugge французское cloche и древнегерманское (тевтонское) glocke, но первоначально все эти слова обозначали не часы, а колокол.

Производство железных башенных часов начинается с английских Вестминстерских часов 1288 г. Следующее сообщение от 1292 г. говорит о часах храма в Кентербери. Далее есть сообщения о часах, построенных в 1300 г. во Флоренции, на 14 лет позднее - в Каннах, в 40-х гг. XIV века - в Модене, Падуе, о бельгийских часах в Брюгге и об английских часах в Дувре. В 1352 г. были построены монументальные куранты в кафедральном соборе Страсбурга, четырьмя годами позже - башенные часы в Нюрнберге, в 1370 г. такие же в Париже, в 1381 - первые подобные в Базеле, и, наконец, в 1410 г. появились такие часы в Праге, ставшие основой позднейших пражских курантов.

Сохранились, конечно, и другие сообщения о строительстве часов, но они не вполне обоснованны. По одному из таких сообщений, башенные часы с боем изготовил Висконти в 1335 г. для костела Беата Вирджинни (ныне Сен-Готард) в Милане. По другим данным, Генри де Вик из Поррэна изготовил около 1370 г. башенные часы с боем для королевского дворца Карла V.

Результатом применения механических часов стал переход по всей Европе от церковных канонических часов, неравных по времени года, к равным часам нашей современной системы исчисления времени. Изменение было радикальным, а потому переход совершался постепенно, по мере распространения в городах башенных часов. Французский король Карл V первым сделал шаг к этой реформе. После установки дворцовых башенных часов де Вика он приказал всем церквям Парижа отбивать по ним часы и четверти часа. Так как на этих часах время отсчитывалось в равных промежутках, новый порядок исчисления времени распространился не только в Париже, но постепенно и в европейских странах.

Сутки сначала подразделяли на 24 часа, считая от одного заката солнца до другого. Окончание дня отмечалось 24 ударами колокола, и такой порядок счета времени в некоторых местах сохранялся до 1370 г. Затем начался постепенный переход к подразделению суток на две равные половины, каждая по 12 часов, с отсчетом от полуночи до полудня и обратно - от полудня до полуночи. Теперь не стало надобности отбивать время 24 раза - хватало 12 раз. Переход на этот, более рациональный, счет времени происходил в различных странах Западной Европы не одновременно; счет времени от 1 до 24 часов, начиная с часа восхода Солнца, дольше всего сохранялся в Италии и в некоторых городах Германии.

Часы одинаковой продолжительности называли «городским временем». Однако и при новом счете часы продолжали соразмерять и контролировать по солнечному времени, это делали до появления маятниковых часов. Помимо унификации длительности часа, вторым и долгосрочным результатом изобретения часов стал прогресс в механике. Очевидно, например, что зубчатые колеса широко распространились в технике во многом благодаря изобретению часов.

Самым старым документом о механических часах, содержащим описание и чертеж и опубликованном в 11 различных рукописях (одна по крайней мере исходит непосредственно от автора часов), является, по всей видимости, сообщение об «астрарии» - астрономических часах, которые после 16 лет труда закончил в 1364 г. профессор астрономии и медицины Джиованни де Донди для Палаццо дель Капитане в Падуе. Эти часы показывали движение Солнца, Луны и пяти планет, содержали в себе вечный календарь и давали возможность определять звездное и среднее солнечное время; они были известны далеко за пределами Италии, доставили де Донди большую славу при жизни и обессмертили его имя.

В 1529 г. эти знаменитые часы испортились и остановились. После долгих поисков нашли часовщика, который сумел их восстановить, - это был Джуанелло Турриано (1500-1585). Современники провозгласили его гением, ведь он и сам сумел создать астрономические часы сложнейшей конструкции. Для их устройства потребовалось 1800 колес, с помощью которых воспроизводилось 30-дневное движение Сатурна, часы дня, годичное движение Солнца, движение Луны, а также всех планет в их «обычном движении» соответственно птолемеевой системе мироздания. По свидетельству современника, Джуанелло потратил 20 лет только на предварительную разработку проекта своих часов. Он же известен как строитель водопровода, который считался одним из величайших технических чудес XVI века.

6. Электрические часы

В самом конце XVIII в. были предприняты попытки использовать возможность передачи статического электричества на расстояние. Однако полученные результаты имели весьма малую практическую ценность, пока в 1800 г. Алессандро Вольта не изобрел элемент, получивший название Вольтова столба.

Самое раннее известие о создании электрических часов относится к 1830 г., когда профессор физики Веронского университета (Италия) Замбони создал часы, подробности устройства которых, к сожалению, не дошли до нас. Сохранились лишь сведения, что колебательное движение маятника часов поддержизалось при помощи последовательных электростатических притяжений и отталкиваний металлической линзы маятника между гвумя полюсами элемента Замбони, обладающего большей эдс по сравнению с элементом Вольта. По свидетельству профессора де-ла-Рива, часы Замбони были выставлены в 1832 г. в промышленном отделе Societe des Arts в Женеве.

В результате открытия Эрстеда в 1820 г., работ Ампера и других ученых было создано учение об электромагнетизме. Первым практическим результатом применения электромагнетизма было изобретение электромагнитного телеграфа и электрических часов.

Инициаторами создания электрических часов на основе использования Электромагнетизма были изобретатели электротелеграфа Штейнгель (1801-1870) и Уитстон (1802-1875). Работа над электромагнитным телеграфом привела К.А. Штейнгеля к созданию в 1839 г. Электрических часов. Уитстон в 1840 г. Сделал в Королевском обществе доклад об электрических часах. Их конструкция, приведенная в этом докладе, имеет лишь исторический интерес.

Рис. Электрические часы Уитстона

В первых электрических часах Уитстона (рис. 230) устройство передачи импульса вторичным часам (коммутатор) представляло собой катушку, качающуюся вдоль двух симметрично расположенных магнитных сердечников. Катушка, выполнявшая роль маятника, передавала импульс тока вторичным часам ежесекундно. Однако при этом ход часов нарушался, так как давление в момент контакта было значительным. Уитстон пытался преодолеть этот недостаток путем устройства цепи с электромагнитной связью.

В другом варианте его электрочасов маятник приводился в действие от завода ключом. Отличие этих часов от обыкновенных заключалось в том, что здесь маятник использовался еще в качестве электромагнитного генератора. В маятник вместо линзы был вставлен намагниченный цилиндрический стальной стержень. При передвижении стержня в магнитном поле в легких стальных дисках циферблата вторичных часов возбуждался ток. Вращение этих дисков вызывало вращение стрелок. Стальными дисками циферблата электрические импульсы посылались ежесекундно.

Таким образом, маятник выступал в роли генератора соответствующей частоты, а вторичные часы были как бы двигателем, приводимым в действие током. Маятник выполнял не свойственные ему функции, что создавало крайне неблагоприятные условия для его работы. Маятник, раскачивающийся в магнитном поле, испытывал сопротивление своему колебанию, и в нем не всегда получались достаточной силы электрические импульсы, чтобы управлять трелками часов. Эта система позволяла преодолеть трудности осуществления контакта, но чрезмерно нарушался свободный ход маятника.

Прав Хоуп-Джонс, давший отрицательную характеристику часам Уитстона. «Мы не сомневаемся в том, - пишет этот автор, - что Уитстон изучал Галилея, Гюйгенса, что он был знаком с теорией маятника, с достижениями Томпиона, Гаррисона, Мюджа и Арнольда, которые жили и работали до него, в веке, предшествовавшем его веку. Но такого безжалостного вмешательства в свободу маятника было бы достаточно для того, чтобы они перевернулись в своих гробах».

Часы Уитстона были установлены в Королевском обществе в 1873 г., но ими перестали пользоваться уже вскоре после смерти изобретателя.

После Уитстона нерациональное использование маятника в электрических часах продолжалось в течение довольно долгого времени. Маятник рассматривался только как источник энергии, необходимой для замыкания цепи, и когда какой-либо изобретатель пытался осуществить лучшее контактное устройство, он использовал в этих целях маятник, хотя это было связано с нарушением элементарных законов его колебаний. Немалую роль в этих неудачах играло то, что многие изобретатели электрочасов на раннем этапе их развития не обладали достаточными знаниями в часовом деле. Первые значительные успехи в создании электрических часов были достигнуты тогда, когда за это дело взялись часовщики, знакомые с электротехникой, такие, как Александр Бен, Матиас Гипп и др.

Процесс развития электрохронометрии в XIX в. был весьма медленным и малообнадеживающим. Даже в начале XX в. Имелось немало специалистов, связанных с часовым делом, которые не верили в возможность дальнейшего прогресса электрохронометрии.

Лорд Гримторп писал, что у него нет «никаких оснований допускать, что можно прямо электричеством поддерживать точный ход часов в течение длительного времени».

В новом издании своей книги Гримторп указывает причину, вследствие которой электрические часы не обеспечивают необходимую точность: «Всякий, кто приступает к конструированию электрических часов, должен иметь в виду, что время от времени

происходят изменения в напряжении тока, поступающего от источника тока. А это сказывается на точности хода часов».

Все эти затруднения были преодолены в ходе дальнейшего развития электрохронометрии.

7. Кварцевые часы

Точность астрономических часов Шорта была превзойдена кварцевыми часами, условия для появления которых были подготовлены развитием радиотехники и электроники.

История применения пьезоэлектрического кристалла кварца. Изучение физико-технических свойств кварца и их использование в технике (в частности, в области хронометрии) имеют свою небольшую, но интересную и во многом поучительную историю. Изучение свойств кварца привело к открытию пьезоэлектрического эффекта, который заключается в появлении на поверхности кристалла кварца при его сжатии или растяжении одинаковых по величине, но разноименных электрических зарядов. Этот эффект впервые обнаружили и изучили в 1880 г. братья П. и Ж. Кюри на кристаллах турмалина и кварца; он получил название прямого пьезоэлектрического эффекта. В 1881 г. немецкий ученый Липпман, ознакомившись с работами Кюри, предположил существование обратного пьезоэлектрического эффекта, или механической деформации кристалла кварца, пропорциональной напряженности электрического поля. В том же году братья Кюри экспериментально подтвердили существование такого эффекта. В настоящее время он используется в системе кварцевых часов.

Первая серьезная попытка использовать пьезоэлектрический эффект в электрической цепи была сделана в 1917 г. А.М. Никольсоном. Он применил сегмент сегнетовой соли (пьезоэлектрик), чтобы создать устройство для превращения электрической энергии в звук и обратно. На этой основе он создал громкоговоритель и микрофон. Никольсон был одним из первых, кто сумел использовать пьезоэлектрические свойства кварца для контроля частоты. В 1918 г. французский физик П. Ланжевен применил пьезоэлектрический эффект кварца для подводной сигнализации при помощи ультразвуковых колебаний.

Исследовательские работы по использованию пьезоэффекта кварца в технике в качестве эталона частоты и времени были начаты в 1921 г. американским ученым Кеди, однако лишь в 1927-1930 гг. В.А. Маррисону - сотруднику телефонной лаборатории Белла (США) - первому удалось применить высокочастотные колебания кварца для создания часов. С этой целью был вырезан кусок кварца в форме кольца из кристалла таким образом, чтобы изменения частоты его колебаний с изменением температуры были возможно малы. Кристаллическое кольцо было установлено в камере с управляемой температурой, ее колебания допускались только в пределах ,01° С. В камере, где помещался кварц, атмосферное давление поддерживали на постоянном уровне. Камера находилась под герметическим колпаком. Колеба-ния кристалла были отрегулированы на частоту 100 кГц.

В 1937 г. большая работа по усовершенствованию конструкции кварцевых часов была проведена в Германии А. Шейбе и У. Адельсбергом, обратившими особое внимание на выбор наиболее рационального способа изготовления кварцевой пластинки. Они доказали существова-ние зависимости частоты резонанса от ориентации и форм волн упругих колебаний кварца относительно кристаллографических осей. Выводы из этих исследований позволили установить нужные направления среза кусков кварца для уменьшения влияния изменения температуры на резонансные частоты колебаний кварца.

В кварцевых часах, созданных Шейбе и Адельсбергом, применены кварцевые бруски длиной 91 мм со сторонами сечения 11,4 мм; частота их продольных колебаний составляла 60 кГц.: Кварцевый стержень помещался в трубку с разреженным водородом, где прикреплялся в узлах упругих волн. Опытами было установлено, что если вырезать стержни так, чтобы их ось была параллельна электрической оси кварца, то можно добиться весьма малого температурного коэффициента, меняющего при температуре 36° С свой знак.

Когда первый каскад установки помещали в совершенный термостат при температуре 36° С, то удавалось значительно снизить влияние колебания температуры на частоту колебаний кварца. Благодаря этому и другим усовершенствованиям кварцевые часы Шейбе и Адельсберга оказались высокого качества.

Исключительное значение для дальнейшего усовершенствования конструкции кварцевых часов имели результаты исследований Дайя и Эссена, проведенные в Англии в Национальной физической лаборатории над кварцем, вырезанным из кристаллического кварца в виде кольца. Эти исследования позволили английским инженерам в 1934 г. создать весьма совершенные кварцевые часы с осциллятором в виде кварцевого кольца, плоскость которого перпендикулярна оси Z. В том же году они были применены в Гринвичской обсерватории в качестве эталона частоты и времени вместо маятниковых часов Шорта.

Отличительные свойства кварца как осциллятора. Кварц является веществом физически и химически весьма стойким. Он имеет твердость, почти равную рубину и сапфиру. Кроме физической и химической стойкости, кварц обладает малым упругим гистерезисом и малым внутренним трением. Поэтому для поддержания его колебаний требуется небольшая энергия. Обладая слабым затуханием колебаний, кварц, как осциллятор, имеет высокую добротность (Q), равную 10-6 и более. В настоящее время нет другой колебательной системы, которая могла бы обладать такой остротой и стабильностью резонанса, как кварц.

Кристалл кварца имеет сложную структуру, которая характеризуется рядом кристаллографических осей: оптической (Z), трех электрических (X) и трех механических (У).

8. Атомные часы

До 40-х годов XX в. приборы времени были основаны только на использовании колебаний механических осцилляторов - маятника, баланса со спиральной пружиной и кристалла кварца. У этих и других осцилляторов, имеющих макроразмеры, собственная частота колебаний в значительной степени зависит от ряда дестабилизирующих факторов (температуры, барометрического давления, степени старения материалов и т.д.). Поэтому они не могут обладать такой высокой стабильностью, какая нужна для точного измерения времени.

Эталон времени и частоты, основанный на астрономическом определении его, также оказался величиной непостоянной. Было установлено, что угловая скорость вращения Земли изменяется, в результате чего продолжительность суток в течение года может отличаться от средней их продолжительности за год на Ѓ} 0,001 с. Поэтому пришлось отказаться от меры времени-секунды как основного эталона времени (1/86 400 доли солнечных суток).

В последние десятилетия развитие атомной физики и микроволновой радиоспектроскопии привело к созданию принципиально нового эталона частоты и времени на атомных постоянных, разработанного на основе изобретения молекулярных и атомных часов. Последние основаны на применении таких осцилляторов, как атом и молекула, частота колеба-ний которых в микромире строго стабильна и не зависит от внешних воздействий и для которых справедливы законы квантовой механики. В молекулярных часах в качестве осцилляторов используются группы молекул, в атомных часах - группы отдельных атомов. Кроме того, эти квантово-механические приборы времени можно разделить, в зависимости от выбранного вида осциллятора, на аммиачные, цезиевые, водородные, рубидиевые и др.

Появление и развитие этих приборов времени произвело революцию в области измерения времени. Она явилась одним из важных направлений научно-технической революции XX в.

В развитии квантовой колебательной хронометрии до наших дней можно выделить два периода, из которых начальный приходится на подготовку и создание в 1948 г.: первый - молекулярных (на аммиаке) часов, а второй падает уже на наши дни, так как именно за последние тридцать лет были созданы все модели молекулярных и атомных часов.

Первые молекулярные часы, 1948 г. В молекулах возможны такие энергетические состояния, для которых изменение энергии (Еп - Ет), входящей в уравнения Бора, настолько мало, что частоты, соответствующие этим энергетическим разностям, лежат в области миллиметровых и сантиметровых волн.

В сантиметровом диапазоне радиоволн систематические исследования начались с 1946 г., после освоения этого диапазона в результате развития радиолокации. Особенное значение для создания первых молекулярных часов имело изучение радиоспектра газообразного аммиака в области сантиметровых и миллиметровых радиоволн. В газообразном аммиаке имеет место сильное избирательное поглощение на волне 1,25 см и существует еще ряд частот, при которых оно происходит. В разреженном газе эти области поглощения настолько узки, что образуют спектральные линии поглощения. Совокупность спектральных линий дает радиоспектр газа.

В 1947 г. спектральные линии поглощения аммиака были применены для стабилизации частоты отражательного клистрона - широко распространенной электронной лампы для генерации радиоволн сантиметрового диапазона, а в 1948 г. - для создания молекулярных (аммиачных) часов. Колебания атомов в молекуле происходят с относительно меньшей частотой, поэтому их легче было связать с механической или электрической системой, показывающей время. Этим и объясняется то, что раньше всего появились молекулярные, а не атомные часы.

Первые практические результаты, показавшие возможность создания молекулярных часов, постоянных в качестве эталона времени и частоты, были достигнуты в Национальном комитете стандартов в Вашингтоне на основе использования принципа, разработанного Гарольдом Лайонсом - сотрудником научно-исследовательской лаборатории по изучению микроволн.

Опытным путем было обнаружено, что в волноводных трубках, заполненных аммиаком при атмосферном давлении 10 - 2, т.е. в сильно разреженном состоянии, на волне 1,25 см можно получать довольно узкие спектры поглощения аммиака. Впервые это явление было замечено в отношении газов в 1934 г. Клеетоном и Вильямсом.

9. Электрические и электронные наручные часы

В последние десятилетия в развитии наручных часов отчетливо наметились две основные тенденции. Одна связана с дальнейшим усовершенствованием традиционных механических наручных часов с целью повышения точности и стабильности их хода, другая направлена на создание новых конструкций электрических и электронных наручных часов.

Основная идея совершенствования механических наручных часов заключается в стабилизации импульса, сообщаемого часовым механизмом, и в обеспечении изохронизма колебательной системы в различных положениях. Так, часы с автоматическим заводом, непрерывно подзаводящим пружину, часы со стабилизатором, выравнивающим момент на оси анкерного колеса, отличаются более стабильным режимом работы, чем часы, не имеющие их. Однако на этом пути трудно ожидать каких-либо кардинально новых технических решений, поскольку за длительный период существования механические часы в большей мере исчерпали ресурсы своего развития. Поэтому особый интерес представляет быстро развивающаяся область электрохронометрии. Электрические наручные часы способны работать в течение года (и более) от одной батареи. Увенчались успехом и усиленные поиски путей и средств для замены классической системы баланс-спираль новыми высокочастотными осцилляторами (камертон, кварц). Наручные камертонные часы выпускаются в США фирмой Бюлова миллионами штук. В настоящее время кварцевые наручные часы могут считаться уже вполне освоенными, серийное их производство налажено во многих странах (Швейцария, Япония, СССР и др.). Добротность новых осцилляторов значительно выше, чем добротность системы баланс-спираль. Необходимость преобразования относительно высокой частоты таких осцилляторов в сравнительно медленное движение стрелок связано с рядом трудностей. Они стали причиной того, что малогабаритные часы с такими осцилляторами появились с большим запозданием.

Однако в настоящее время основные проблемы, стоящие на пути создания электронно-механических часов, получили более или менее удовлетворительное решение.

Электрические наручные часы. Отдельные попытки использовать достижения электротехники для создания электромеханических хронометров (с балансовым регулятором) имели место еще во второй половине XIX в. Именно к 1872 г. относится создание электромеханических хронометров И.А. Данишевским и к 1882 г.-И.А. Тимченко [19, 192-197] на основе работ русской электротехнической школы, во главе которой тогда стояли Р.Н. Яблочков, А.Н. Лодыгин и др. В 1904 г. в Женеве был выдан Н.А. Комприче патент на электрический морской хронометр. К концу XIX в. среди изобретателей разных стран появляется интерес к созданию карманных часов с электрическим приводом. В 1899 г. патент на электромеханические часы обычного типа был выдан Д. Бютхеру (США), а в 1900 г. - на электромеханический спусковой регулятор И. Купцову (Россия) [19, 200]. В 1920 г. два французских изобретателя изготовили электрические карманные часы. Хотя в данной области было заявлено множество патентов, их реализация задерживалась из-за непреодолимых в то время Трудностей, связанных с отсутствием миниатюрных батарей и с проблемой осуществления контактов и надежного спускового регулятора.

Исследования с целью создания наручных часов с электрическим приводом становятся более интенсивными начиная с 1945 г. В США и Франции на проведение этих исследований были вложены значительные средства. В печати того времени высказывались оптимистические прогнозы о том, что в 1953 г. появятся электронные наручные часы и часовая промышленность переключится на их изготовление взамен механических часов. К сожалению, производство таких наручных часов вызвало большие трудности; их выпуск был на время прекращен. Тем не менее в производстве электрических часов крупного калибра были достигнуты значительные успехи; эти часы стали вытеснять даже механические часы.

Производство нового типа наручных часов началось не с электронных, а с электромеханических контактных часов. Они были созданы на основе традиционной, хорошо освоенной часовщиками системы баланс-спираль с применением в качестве источника энергии миниатюрной батареи. Первые промышленно изготовленные образцы наручных электрических часов появились во Франции в 1954 г., а серийное их изготовление впервые осуществила в январе 1957 г. американская фирма Гамильтон. Особенно интенсивно производство наручных электрических часов стало развиваться с 1965 г.

10. Электронно-механические наручные часы

Рассмотренные конструкции электромеханических часов из-за наличия контакта не могут обеспечить надежность в работе в течение длительного срока службы. Другим принципиальным их недостатком является значительное рассеивание магнитного потока, что приводит к большим энергетическим потерям. Это вызвало поиски других конструктивных решений, в первую очередь таких, где не требовались бы электрические контакты. Дальнейший прогресс и заключался в применении в наручных часах бесконтактного спускового механизма на транзисторах.

В 1918 г. В. Экклс и Ф, Джордан в Англии и в 1919 г. Г. Абрахам и Э. Блох во Франции применили трехэлектродные вакуумные радиолампы для бесконтактного управления импульс-ной катушкой маятника. Одновременно же они предложили первую схему электронно-механического камертонного регулятора. Но такая схема привода не нашла широкого примене-ния из-за малого срока службы электронных ламп и других причин. Положение изменилось после изобретения транзисторов - кристаллических триодов точечного типа.

Джон Бардин и Уолтер Бреттейн 23 декабря 1947 г. обнаружили, что германий может выполнять функции выпрямителя. В 1951 г. им удалось осуществить разработку конструкции германиевого плоскостного триода - транзисторакак основного элемента современной полупроводниковой техники. В 1956 г. эти изобретатели за открытие способности транзистора осуществлять все функции приемно-усилительных ламп получили Нобелевскую премию. Это открытие имело своим следствием возникновение и развитие полупроводниковой техники и, в частности, применение германиевых транзисторов для создания электронно-механических часов. В электронно-механических часах имеется электронная система - формирования импульса для приведения осциллятора в колебательное состояние. В качестве осциллятора раньше всего был применен маятник и баланс, а затем камертон.

Система привода в электронно-механических регуляторах представляет собой электронно-механическое устройство, преобразующее электрическую энергию тока источника питания в механическую энергию импульса привода.

В настоящее время основное отличие электромеханических часов от электронно-механической практики сводится к способу переключения цепи источника тока в момент передачи энергии часовому осциллятору. В электромеханических часах это переключение осуществляется путем замыкания обычных контактов, а в электронно-механических - переключением транзистора, т.е. процесс формирования импульса в этих часах осуществляется не с помощью контакта, а с помощью транзистора. Соответственно этому электромеханические часы называют контактными, а электронно-механические - бесконтактными.

Первые сведения об электронно-механических регуляторах на транзисторах, предложенных в 1953 г. французскими инженерами М. Лаве и Ж. Дитчем, появились в печати в 1957 г. На этом принципе в течение 1953-1956 гг. французская фирма Ато сконструировала электронно-механический хронометр типа Хроностат, который стал выпускаться серийно фирмой Леруа. В нем в качестве регулятора применена система баланс - спираль с магнитно-электрической системой привода, каскад формирования импульса собран на плоском германиевом триоде.

Список используемой литературы

1. Канн Г. Краткая история часового искусства. Л., 1926.

2. Завельский Ф.С. Время и его измерение. М.: Наука, 1977.

3. Время и современная физика: (Сб. статей). Пер. с фр. М.: Мир, 1970

4. Бакулин П.И., Блинов С.Н. Служба точного времени. М.: Наука, 1968.

5. Бек Т. Очерки по истории машиностроения. М.; Л.: Гостехиздат, 1933.Т. 1.

6. Бернал Дж. Наука в истории общества. М.: ИЛ, 1956.

7. Берри А. Краткая история астрономии. М.; Л.: Гостехиздат, 1946.

8. McCarthy J. Remington: A matter of time. N.Y.;.L., 1947.

9. Milham W.J. Time and timekeepers. N.Y., 1945.

10. Агафонов В.К. Современная техника. М., 1915. Т. 3. Ч. II.

11. Геродот. История в девяти книгах. Л.: Наука, 1972.

12. Добиаш-Рождественская О.А. Как люди научились узнавать время? Берлин, 1924.

13. Аксельрод 3. М. Часовые механизмы: Теория, расчет и проектирование.

М.; Л.: Машгиз, 1947.

14. Шишелов Л.П. Механика часового механизма. Л.: Кубуч, 1933. Ч. 1; Л.: ОНТИ, 1935. Ч. 2.

Страницы: 1, 2