Статья по теме топика
:
ПОЧЕМУ они ТИКАЮТ?
Если колеса у поезда круглые, то почему они стучат?
Потому что площадь круга «пи эр квадрат», вот им-то и стучат!
Анекдот
Анекдот анекдотом, но в самом деле, почему часы тикают? И как они вообще работают? Об этом мы расскажем на примере маятниковых часов.
Первыми часами, которые сделал человек, были солнечные. Потом появились песочные, огневые, водяные и т.п., но все они не могли обеспечить приемлемой точности и удобства использования. Настоящую революцию в деле измерения времени произвело изобретение механических часов. Но и в них долгое время не удавалось решить проблему точности. И только появление маятника сделало часы часами в современном понимании. За несколько столетий, прошедших с момента их изобретения, маятниковые часы претерпели значительную эволюцию, но принципы их работы не изменились. С них, самых простых часов, мы и начинаем наш рассказ.
Не вдаваясь в подробности
Про автомобиль каждый знает, что он состоит из кузова с кабиной, в которой сидят люди, колес, на которых стоит кузов, и двигателя, который колеса крутит. Давайте изучение часов также начнем с крупных узлов, а затем разберем назначение и работу отдельных деталей. Все современные часы, будь то механические, кварцевые или даже атомные, устроены по одинаковому принципу. В каждых часах есть некое устройство, вырабатывающее колебания постоянной частоты, которая определена конструкцией часов. Часы просто считают такие колебания и показывают результат в виде привычного нам движения стрелок или в виде меняющихся цифр. Каждый видел размеренно качающийся из стороны в сторону маятник настенных часов. Наверняка доводилось вам заглядывать и внутрь будильника или наручных механических часов, и вы обращали внимание на нетерпеливо снующее туда-сюда маленькое колесико. Маятник и колесико, называемое балансом, и есть источник колебаний, или, как говорят часовщики, регулятор. Регулятор - потому, что его колебания определяют, или регулируют, точность хода часов. Если есть источник колебаний (например, маятник), совершающий одно колебание в секунду, то необходимо превра- тить 60 его колебаний в поворот минутной стрелки на одно деление. Циферблат, стрелки и система зубчатых шестерен, выполняющая эту задачу, составляют следующую важную часть часов - стрелочный механизм, или индикатор. Вечных двигателей не бывает. Чтобы регулятор вырабатывал колебания, а стрелки вращались, требуется двигатель. Двигателем в механических часах могут быть пружина или подвешенная на цепи гиря. Основная колесная система, состоящая из нескольких шестерен, передает энергию двигателя регулятору. Помимо этого, в механических часах есть устройство, которое, с одной стороны, обеспечивает преобразование колебаний регулятора в равномерное вращение стрелок, а с другой - подпитывает регулятор энергией от двигателя. Оно называется спусковым механизмом, просто спуском или ходом. На схеме на стр. 80 изображена блок-схема механических часов, основные элементы которой мы только что рассмотрели. Итак, двигатель через систему колес вращает стрелки, а регулятор и спуск определяют скорость и равномерность вращения колес, то есть точность хода часов.
Из чего же, из чего же...
Давайте теперь подробнее рассмотрим, из каких деталей состоят и как работают механические часы с маятником и гиревым двигателем. Посмотрите рисунок на стр. 80. Гиря надета на цепь, закрепленную на звездочке 17. Звездочка соединена с центральным колесом, жестко закрепленным на валу 18. На этом валу находятся минутник 9 и минутная стрелка 14. Часовое колесо 12 одето на вал неплотно и может вращаться независимо от него. Гиря тянет цепь вниз, вращая звездочку и центральное колесо. Вместе с центральным колесом и валом вращаются минутник и минутная стрелка. Вращение с минутника через колесо 10 и триб 11 передается на часовое колесо 12, на втулке которого закреплена часовая стрелка. Число зубьев в передаче подобрано так, что часовое колесо вращается ровно в 12 раз медленнее минутного. Если вал равномерно вращается со скоростью один оборот в час, то мы получаем часы: стрелки показывают часы и минуты. Представим, что в механизме отсутствуют детали 1-4, то есть регулятор и спуск. В этом случае под действием силы тяжести гиря начнет опускаться, все быстрее и быстрее вращая вал с минутной стрелкой и минутником. Гиря летит вниз, колеса зубчатой передачи, а с ними и стрелки крутятся с бешеной скоростью... Слишком уж быстрые часы у нас получились. Как сделать так, чтобы стрелки не просто крутились, а показывали время? Для этого необходимо добавить какое-то устройство, которое бы обеспечивало равномерность вращения зубчатых колес, регулируя скорость движения стрелок. Эту задачу решают совместно регулятор и спуск.
Туда-сюда обратно...
Регулятор называют «сердцем» часов. Мы уже говорили, что основная задача регулятора - вырабатывать колебания постоянной частоты. Самым простым и древним устройством, пригодным для этого, является маятник. Маятник в различных проявлениях (например, в виде детских качелей) известен людям давно, но только в XVI веке Галилей предложил применить его в часах. Если маятник толкнуть, он будет качаться влево-вправо, и самое главное - частота этих колебаний будет постоянной. Правда, это справедливо только для «идеального» маятника. В реальной жизни, если маятник время от времени не подталкивать, то под действием трения, сопротивления воздуха и других сил он остановится. Для того, чтобы «привязать» ритм вращения колес механизма к ритму качаний маятника и не дать последнему остановиться, служит спуск.
Тик-так ходики...
На странице 81 представлен наиболее простой спусковой механизм «ход Клемента», который часто применяют в крупногабаритных часах. Ход состоит из спускового колеса 1 с тридцатью зубьями и скобы 2, закрепленной на одной оси с поводком маятника. Левый конец скобы имеет наружную рабочую поверхность в зоне точки «А» и называется палетой входа, правый конец имеет внутреннюю рабочую поверхность в зоне точки «В» и называется палетой выхода. Работа хода и маятника происходит следующим образом.
Гиря под действием силы тяжести через зубчатую передачу стремится повернуть спусковое колесо. Но этому препятствует скоба. Скоба и спусковое колесо сконструированы так, что большую часть времени скоба «запирает» один из зубьев спускового колеса, не давая ему повернуться. Но скоба укреплена на одной оси с поводком маятника и поворачивается вместе с ним. И только когда маятник, качаясь, отклоняется на определенный угол влево или вправо, скоба поворачивается так, что позволяет «проскочить» одному зубу спускового колеса. За одно полное качание маятника скоба разрешает спусковому колесу повернуться на один зуб. В моменты, когда спусковое колесо поворачивается и ударяется зубом в скобу, мы слышим привычное «тик-так». Но спусковое колесо и скоба не только регулируют скорость вращения вала часов, но и подпитывают маятник энергией. Форма зубьев спускового колеса и скобы такова, что в одни моменты колесо, задерживая скобу, тормозит маятник, а в другие, стремясь повернуться под воздействием гири, подталкивает скобу, а та, в свою очередь, - маятник, не давая ему остановиться. Подобрав вес и длину маятника, легко сделать так, чтобы он совершал одно колебание за 2 секунды, тогда спусковое колесо, имеющее 30 зубьев, будет совершать полный оборот за 60 секунд, то есть за одну минуту. Число зубьев в передаточном механизме таково, что вал, на котором закреплены минутная стрелка и минутник, вращается в 60 раз медленнее спускового колеса, и делает один оборот в час. Вот так и работают часы. Гиря вращает колеса и стрелки, а маятник и спуск регулируют скорость их вращения, то есть точность хода часов. Конечно, в реальных часах есть еще устройство перевода стрелок, механизм завода, всевозможные календари, механизмы боя и т.п. Но с этими дополнительными устройствами, так же, как и с другими типами часов, мы познакомим вас в следующих публикациях.