[ Назад | Начало | Наверх ]

Часы, прибор для измерения текущего времени (в секундах, минутах, часах). Ч. относятся к категории «приборов времени», куда входят также хронометр, секундомер, таймер, реле времени и комбинированные приборы, например Ч. с секундомером. Для измерения времени можно использовать равномерное поступательное или вращательное движение и периодические колебания; мерилом времени в этих случаях будет соответственно пройденный путь (или перемещение), угол поворота или число колебаний.

  Первым устройством, с помощью которого человек измерял время, были солнечные Ч. Уже в середине 3-го тысячелетия до н. э. в качестве простейших Ч. использовался гномон. В Древнем Египте и Греции время отсчитывали по солнечным Ч. с горизонтальными или вертикальными циферблатами (рис. 1). В Самарканде в 1-й половине 15 в. Улугбек построил солнечные Ч. высотой около 50 м. В средние века в Европе значительное распространение получили Ч. с вертикальным циферблатом. Такие Ч., например, сохранились в Москве на здании Историко-архивного института и старом здании МГУ. Наряду с солнечными Ч. уже во 2-м и 1-м тыс. до н. э. в Индии, Египте, Китае и Греции строились водяные Ч., которые показывали время и днём, и ночью. Простейшие водяные Ч. представляли собой сосуд со шкалой, проградуированной в единицах времени. В сосуд капля за каплей поступала вода из наполненного до краев (из внешнего источника) резервуара. Постоянство давления воды в резервуаре обеспечивало равномерное наполнение сосуда и равномерное повышение уровня воды в нём, отмечаемое по шкале. Около 150 до н. э. Ктесибий создал водяные Ч. (рис. 2), ставшие прототипом Ч., которые применялись во многих странах вплоть до 18 в. Равномерное движение положено в основу функционирования и некоторых других типов Ч., в том числе песочных.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

  Лит.: Аксельрод З. М., Теория и проектирование приборов времени, Л., 1969; Дроздов Ф. В., Приборы времени, М., 1940; Баутин Н. Н., Динамические модели свободных часовых ходов, в кн.: Памяти А. А. Андронова, М., 1955; Шполянский В. А., Чернягин Б. М., Электрические приборы времени, М., 1964; Константинов А. И., Флеер А. Г., Время, М., 1971; Andrade J. F. С., Horlogerie et chronométrie, P., 1924; Defossez L., Théorie générale d’horlogerie, t. 1, Le Chaux-de-Fonds, 1950; Haag J., Les mouvements vibratoires, t. 1. P., 1952.

Рис. 7. Кварцевые наручные часы с цифровой индикацией на жидких кристаллах: а — блок-схема; б — внешний вид; К — кристалл кварца; Г — генератор электрических колебаний; С — триммер; f — частота колебаний; Дш — дешифратор.

Рис. 4. Схема механизма маятниковых часов с крючковатым спуском: 1 — поводок; 2 — ось скобы; 3 — скоба; 4 — спусковое колесо; 5 — основная колёсная передача; 6 — колёсная передача стрелок; 7 — стрелки; 8 — гиревой привод; 9 — маятник.

Рис. 5. Схема механизма наручных механических часов: 1 — заводной барабан; 2, 3, 4 — основная зубчатая передача; 5 — спусковое колесо; 6 — баланс; 7 — спираль; 8 — анкерная вилка; 9 — триб минутной стрелки; 10 — часовое колесо; 11 — триб вексельного колеса; 12 — вексельное колесо; 13 — переводные колёса; 14 — заводной вал; 15 — заводная головка; 16 — переводной и заводной рычаги; 17 — заводной триб; 18 — кулачковая муфта; 19 — заводное колесо; 20 — барабанное колесо.

Рис. 3. Шпиндельный спуск: 1 — шпиндель; 2 — грузы шпинделя; 3, 4 — палеты; 5 — спусковое колесо; 6 — триб.

Рис. 6. Схема камертонных часов: Т — транзистор; R — резистор; C — конденсатор; L1 — обмотка освобождения; L2 — импульсная обмотка; E — источник питания (гальванический элемент); 1 — камертон; 2 — храповый механизм; 3 — колёсная передача; 4 — стрелки (часовая, минутная, секундная).

Рис. 2. Клепсидра (водяные часы): а — внешний вид; б — разрез; 1 — трубка подачи воды из постороннего источника; 2 — фигура, из глаз которой вода капля за каплей равномерно поступает по трубке 3 в резервуар 4; 5 — пробка с укрепленной на ней фигурой 6, показывающей палочкой время на цилиндрическом циферблате 7; 8 — трубка сифона, по которой в конце суток вода вытекает из наполненного резервуара 4, поворачивая цилиндр 7 вокруг вертикальной оси на 1/365 часть окружности.

Рис. 1. Солнечные часы: а — горизонтальные; б — вертикальные; 1 — стержень (пластина), тень от которой служит указателем времени на циферблате 2.