Балансовая пружина

Балансовая пружина , или волосковая пружина , представляет собой пружину, прикрепленную к балансовому колесу в механических часах . Он заставляет балансовое колесо колебаться с резонансной частотой во время работы часов, что контролирует скорость вращения колес часов и, следовательно, скорость движения стрелок. Часто устанавливается рычаг регулятора , с помощью которого можно изменять свободную длину пружины и тем самым регулировать скорость хода часов.

Балансовая пружина представляет собой тонкую спиральную или винтовую торсионную пружину, используемую в механических часах , будильниках , кухонных таймерах , морских хронометрах и других хронометрических механизмах для управления скоростью колебаний балансового колеса. Балансовая пружина является важным дополнением балансового колеса, заставляя его колебаться вперед и назад. Балансовая пружина и балансовое колесо вместе образуют гармонический генератор , который колеблется с точным периодом или «биением», сопротивляясь внешним воздействиям, и отвечает за точность хронометража.

Добавление балансовой пружины к балансовому колесу примерно в 1657 году Робертом Гуком и Христианом Гюйгенсом значительно повысило точность портативных часов, превратив ранние карманные часы из дорогих новинок в полезные хронометры. С тех пор усовершенствования балансовой пружины привели к дальнейшему значительному увеличению точности. Современные балансовые пружины изготавливаются из специальных с низким температурным коэффициентом сплавов , таких как ниварокс, чтобы уменьшить влияние изменений температуры на скорость, и имеют тщательно продуманную форму, чтобы минимизировать влияние изменений движущей силы при ходовой пружины истощении . До 1980-х годов балансовые колеса и балансовые пружины использовались практически в каждом портативном устройстве для измерения времени, но в последние десятилетия технология электронного кварцевого хронометража заменила механический часовой механизм, и балансовые пружины в основном используются в механических часах.

История

Существует некоторый спор относительно того, были ли они изобретены около 1660 года британским физиком Робертом Гуком или голландским ученым Христианом Гюйгенсом , при этом вполне вероятно, что Гуку впервые пришла в голову эта идея, но Гюйгенс построил первые работающие часы , в которых использовалась балансовая пружина. ^[2]^[3] До этого балансовые колеса или фолиоты в часах использовались без пружин, но они были очень чувствительны к колебаниям движущей силы, вызывая замедление хода часов при раскручивании главной пружины . Внедрение балансовой пружины привело к огромному увеличению точности карманных часов , возможно, с нескольких часов в день. ^[4] до 10 минут в день, ^[5] впервые сделав их полезными хронометристами. Первые балансовые пружины имели всего несколько витков.

Некоторые ранние часы имели регулятор Барроу, в котором использовался червячный привод , но первый широко используемый регулятор был изобретен Томасом Томпионом около 1680 года. ^[6] В регуляторе «Томпион» штифты бордюра устанавливались на полукруглой зубчатой рейке, регулировка которой осуществлялась путем надевания ключа на шестерню и ее поворота. Современный регулятор, представляющий собой рычаг, вращающийся концентрично с балансовым колесом, был запатентован Джозефом Босли в 1755 году, но он не заменил регулятор Томпиона до начала 19 века. ^[7]

Регулятор

Для регулировки скорости балансовая пружина обычно имеет регулятор . Регулятор представляет собой подвижный рычаг, установленный на балансировочном кране или мостике и поворачивающийся соосно с балансом. Узкая прорезь образована на одном конце регулятора двумя выступающими вниз штифтами, называемыми бордюрными штифтами, или бордюрным штифтом и штифтом с более тяжелой частью, называемым чехлом. Конец внешнего витка балансовой пружины закреплен в шпильке, прикрепленной к балансировочному крану. Внешний виток пружины затем проходит через прорезь регулятора. Часть пружины между штифтом и пазом удерживается неподвижно, поэтому положение паза определяет свободную длину пружины. При перемещении регулятора прорезь перемещается по внешнему витку пружины, изменяя ее эффективную длину. Перемещение прорези от шпильки укорачивает пружину, делая ее более жесткой, увеличивая скорость колебаний баланса и ускоряя ход часов.

Регулятор слегка мешает движению пружины, вызывая неточность, поэтому точные часы, такие как морские хронометры и некоторые часы высокого класса, имеют свободную пружину , то есть у них нет регулятора. Вместо этого их скорость регулируется винтами синхронизации на балансовом колесе.

Существует два основных типа регулятора балансовой пружины:

Регулятор «Томпион», у которого штифты бордюра установлены на секторной стойке, перемещается посредством шестерни. Шестерня обычно оснащена градуированным серебряным или стальным диском.
Регулятор Босли, описанный выше, в котором штифты установлены на рычаге, поворачивающемся соосно с балансиром, при этом крайний конец рычага может перемещаться по градуированной шкале. Существует несколько вариантов, которые повышают точность перемещения рычага, в том числе регулятор- улитка , в котором рычаг подпружинен против вращающегося кулачка спирального профиля, микрометр, в котором рычаг перемещается с помощью червячной передачи. и регулятор «лебединая шея» или язычок , в котором положение рычага регулируется тонким винтом, при этом рычаг удерживается в контакте с винтом пружиной в форме изогнутой лебединой шеи. Его изобрел и запатентовал американец Джордж П. Рид, патент США № 61867 от 5 февраля 1867 года.

Существует также регулятор из свиной шерсти или свиной щетины , в котором жесткие волокна расположены на концах дуги баланса и плавно останавливают его, прежде чем отбросить назад. Часы ускоряются за счет сокращения дуги. Это не регулятор балансовой пружины, который использовался в самых ранних часах до изобретения балансовой пружины.

Существует также регулятор Барроу, но на самом деле это более ранний из двух основных методов придания ходовой пружине «установочного напряжения»; для этого требовалось поддерживать натяжение цепи предохранителя, но этого было недостаточно для того, чтобы фактически привести в движение Дозор. Часы Verge можно регулировать, регулируя натяжение настройки, но если какой-либо из ранее описанных регуляторов присутствует, то обычно этого не делают.

Материал

Для изготовления балансовых пружин использовался ряд материалов. Вначале использовалась сталь, но без какой-либо закалки или отпуска; в результате эти пружины постепенно ослабевали, и часы начинали терять время. ^{[ нужна ссылка ]} Некоторые часовщики, например Джон Арнольд , использовали золото, которое позволяет избежать проблемы коррозии, но сохраняет проблему постепенного ослабления. Закаленная и отпущенная сталь была впервые использована Джоном Харрисоном и впоследствии оставалась предпочтительным материалом до 20 века.

В 1833 году Э. Дж. Дент (изготовитель Больших часов здания парламента ) экспериментировал со стеклянной пружиной баланса. На него гораздо меньше влияло тепло, чем на сталь, что уменьшало требуемую компенсацию, а также он не ржавел. Другие испытания стеклянных пружин показали, что их сложно и дорого изготовить, а также они страдают от широко распространенного мнения о хрупкости, которое сохранялось до времен стекловолокна и волоконно-оптических материалов. ^[8]Пружины из травленого кремния были представлены в конце 20 века и не подвержены намагничиванию. ^[9]

Влияние температуры

Модуль упругости материалов зависит от температуры. Для большинства материалов этот температурный коэффициент достаточно велик, поэтому изменения температуры существенно влияют на точность хода балансового колеса и балансовой пружины. Первые производители часов с балансовыми пружинами, такие как Гук и Гюйгенс, наблюдали этот эффект, но не нашли решения.

Харрисон в ходе разработки морского хронометра решил проблему с помощью «компенсационного бордюра» — по сути, биметаллического термометра , который регулировал эффективную длину балансовой пружины в зависимости от температуры. Хотя эта схема работала достаточно хорошо, чтобы позволить Харрисону соответствовать стандартам, установленным Законом о долготе , она не получила широкого распространения.

Около 1765 года Пьер Ле Руа (сын Жюльена Ле Руа ) изобрел компенсационный баланс, который стал стандартным подходом к температурной компенсации в часах и хронометрах. При таком подходе форма баланса изменяется или регулировочные грузы перемещаются по спицам или ободу баланса с помощью термочувствительного механизма. При этом изменяется момент инерции балансового колеса, и это изменение регулируется таким образом, чтобы компенсировать изменение модуля упругости балансовой пружины. Стандартным решением для температурной компенсации стала конструкция компенсационного баланса Томаса Эрншоу , состоящая просто из балансового колеса с биметаллическим ободом.

Элинвар

Хотя компенсирующий баланс был эффективным способом компенсации влияния температуры на пружину баланса, он не мог обеспечить полного решения. Базовая конструкция страдает от «ошибки средней температуры»: если компенсация настроена точно при экстремальных температурах, то при температурах между этими крайностями она будет немного отклоняться. Чтобы избежать этого, были разработаны различные механизмы «вспомогательной компенсации», но все они сложны и их трудно настроить.

Примерно в 1900 году принципиально иное решение было создано Шарлем Эдуардом Гийомом , изобретателем элинвара . Это сплав никеля и стали, свойство которого заключается в том, что модуль упругости практически не зависит от температуры. Часы, оснащенные элинварной балансовой пружиной, либо вообще не требуют температурной компенсации, либо требуют ее очень незначительной компенсации. Это упрощает механизм, а также означает, что ошибка средней температуры также устраняется или, как минимум, значительно снижается.

изохронизм

Балансовая пружина подчиняется закону Гука : восстанавливающий момент пропорционален угловому смещению. Когда это свойство в точности выполняется, балансовую пружину называют изохронной , а период колебаний не зависит от амплитуды колебаний. Это важное свойство для точного измерения времени, поскольку ни одна механическая трансмиссия не может обеспечить абсолютно постоянную движущую силу. Это особенно актуально для часов и портативных часов, которые приводятся в действие ходовой пружиной, которая обеспечивает уменьшающуюся движущую силу по мере ее раскручивания. Другой причиной изменения движущей силы является трение, которое меняется по мере старения смазочного масла.

Первые часовщики эмпирически нашли способы сделать свои балансовые пружины изохронными. Например, Арнольд в 1776 году запатентовал винтовую (цилиндрическую) форму балансовой пружины, у которой концы пружины были закручены внутрь. В 1861 г. М. Филлипс опубликовал теоретическое рассмотрение проблемы. ^[10] Он продемонстрировал, что балансовая пружина, центр тяжести которой совпадает с осью балансового колеса, является изохронной.

В общей практике наиболее распространенным методом достижения изохронности является использование сверхспирали Бреге, которая помещает часть крайнего витка волосковой пружины в плоскость, отличную от остальной части пружины. Это позволяет витку волосковой пружины расширяться и сжиматься более равномерно и симметрично при вращении балансового колеса. Встречаются два типа перекрутки: постепенная перекрутка и Z-образный изгиб. Постепенное перекручивание достигается путем выполнения двух постепенных витков пружины, образующих подъем во вторую плоскость на половине окружности. Z-образный изгиб делает это путем создания двух перегибов под дополнительными углами в 45 градусов, обеспечивая подъем во вторую плоскость примерно на трех высотах секции пружины. Второй метод делается из эстетических соображений и гораздо сложнее в исполнении. Из-за сложности формирования вторичного витка в современных часах часто используется несколько менее эффективный «изгиб», в котором используется серия резких изгибов (в плоскости), чтобы убрать часть самого дальнего витка с пути остальной части пружины.

Период колебаний

Балансовая пружина и балансовое колесо (которое обычно называют просто балансом ) образуют гармонический генератор . Балансовая пружина обеспечивает восстанавливающий крутящий момент , который ограничивает и обращает вспять движение баланса, заставляя его колебаться вперед и назад. Его резонансный период делает его устойчивым к изменениям возмущающих сил, что делает его хорошим устройством для измерения времени. Жесткость пружины, ее коэффициент пружины, $\kappa \,$ балансового колеса в Н·м/радиан^2, а также момент инерции , $I\,$ в кг·м ² колеса колебаний , определяет период $T\,$ . Уравнения движения баланса выведены из угловой формы закона Гука и угловой формы второго закона Ньютона: $\tau =-\kappa \theta =I\alpha \,\ .$

$\alpha \,$ угловое ускорение, $d^{2}\theta \,/dt^{2}$ . Следующее дифференциальное уравнение движения колеса получается в результате перестановки приведенного выше уравнения: ${\frac {d^{2}\theta }{dt^{2}}}+{\frac {\kappa }{I}}\theta =0\,$

Решением этого уравнения движения баланса является простое гармоническое движение ; т. е. синусоидальное движение постоянного периода: $\theta (t)=A\cos \left({\sqrt {\frac {\kappa }{I}}}t\right)+B\sin \left({\sqrt {\frac {\kappa }{I}}}t\right)\,$

Таким образом, из приведенных выше результатов можно вывести следующее уравнение периодичности колебаний: $T=2\pi {\sqrt {\frac {I}{\kappa }}}\,$ Этот период контролирует ход часов.

См. также

История приборов для измерения времени

Ссылки

^ «Часы-скелетоны со спусковым механизмом хронометра — Гершель» . Ютуб . 10 апреля 2009 г. Архивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. Проверено 15 мая 2010 г.
^ AR Hall, «Часовое искусство и критика: Роберт Гук», Studia Copernicana, XVI, Ossolineum , 1978, 261–81.
^ Гулд, Руперт Т. (1923). Морской хронометр. Его история и развитие . Лондон: Дж. Д. Поттер. стр. 158–171. ISBN 0-907462-05-7 .
^ Милхэм, Уиллис И. (1945). Время и хронометристы . Нью-Йорк: Макмиллан. п. 226. ИСБН 0-7808-0008-7 .
^ «Революция в хронометраже» . Прогулка во времени . Национальный институт стандартов и технологий . 2004. Архивировано из оригинала 13 октября 2022 г. Проверено 13 октября 2022 г.
^ Манди, Оливер. «Регулятор» . Краткий словарь технических терминов . Часовой кабинет. Архивировано из оригинала 5 марта 2008 г. Проверено 14 мая 2008 г.
^ Манди, Оливер. «Регулятор Босли» . Краткий словарь технических терминов . Архивировано из оригинала 29 июня 2009 г.
^ «Морской хронометр, его история и развитие» RT Gould. Страница 161.
^ «Антимагнитность или крах? Углубленный взгляд на развитие кремния в часовом деле» . 10 августа 2019 года. Архивировано из оригинала 5 июня 2020 года . Проверено 30 июля 2020 г.
↑ М. Филлипс, «Sur le Spiral Reglant», Париж, 1861 г.

[1] «Часы-скелетоны со спусковым механизмом хронометра — Гершель» . Ютуб . 10 апреля 2009 г. Архивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. Проверено 15 мая 2010 г.

[2] AR Hall, «Часовое искусство и критика: Роберт Гук», Studia Copernicana, XVI, Ossolineum , 1978, 261–81.

[3] Гулд, Руперт Т. (1923). Морской хронометр. Его история и развитие . Лондон: Дж. Д. Поттер. стр. 158–171. ISBN 0-907462-05-7 .

[4] Милхэм, Уиллис И. (1945). Время и хронометристы . Нью-Йорк: Макмиллан. п. 226. ИСБН 0-7808-0008-7 .

[NIST-5] «Революция в хронометраже» . Прогулка во времени . Национальный институт стандартов и технологий . 2004. Архивировано из оригинала 13 октября 2022 г. Проверено 13 октября 2022 г.

[6] Манди, Оливер. «Регулятор» . Краткий словарь технических терминов . Часовой кабинет. Архивировано из оригинала 5 марта 2008 г. Проверено 14 мая 2008 г.

[7] Манди, Оливер. «Регулятор Босли» . Краткий словарь технических терминов . Архивировано из оригинала 29 июня 2009 г.

[8] «Морской хронометр, его история и развитие» RT Gould. Страница 161.

[9] «Антимагнитность или крах? Углубленный взгляд на развитие кремния в часовом деле» . 10 августа 2019 года. Архивировано из оригинала 5 июня 2020 года . Проверено 30 июля 2020 г.

[10] М. Филлипс, «Sur le Spiral Reglant», Париж, 1861 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]