Балансовое колесо

Балансовое колесо в каминных часах . Спиральная балансовая пружина видна сверху.

Балансовое колесо в будильнике Apollo 1950-х годов от Lux Mfg. Co., демонстрирующее балансовую пружину (1) и регулятор (2).

Современное балансовое колесо в часовом механизме

, Балансовое колесо или баланс , — это устройство для измерения времени, используемое в механических часах и небольших часах , аналогично маятнику в маятниковых часах . Это утяжеленное колесо, которое вращается вперед и назад, возвращаясь в центральное положение с помощью спиральной торсионной пружины , известной как балансовая пружина или волосковая пружина . Он приводится в движение спусковым механизмом , который преобразует вращательное движение зубчатой ​​передачи часов в импульсы, передаваемые на балансовое колесо. Каждое колебание колеса (называемое «тик» или «удар») позволяет зубчатой ​​передаче продвигаться на заданную величину, перемещая руки вперед. Балансовое колесо и волосковая пружина вместе образуют гармонический осциллятор , который из-за резонанса колеблется преимущественно с определенной скоростью, своей резонансной частотой или «биением», и сопротивляется колебаниям с другими скоростями. Сочетание массы балансового колеса и эластичности пружины сохраняет время между каждым колебанием или «тиканием» очень постоянным, что объясняет его почти повсеместное использование в качестве хронометриста в механических часах до настоящего времени. С момента его изобретения в 14 веке до камертон и кварцевые механизмы стали доступны в 1960-х годах, практически в каждом портативном устройстве для измерения времени использовалось балансовое колесо той или иной формы.

Обзор

До 1980-х годов балансовые колеса использовались в хронометрах , для банковских хранилищ замках времени , взрывателях времени для боеприпасов , будильниках , кухонных таймерах и секундомерах , но кварцевая технология взяла на себя эти приложения, и основное оставшееся применение приходится на качественные механические часы. .

Современные (2007 года) балансовые колеса часов обычно изготавливаются из Glucydur , сплава бериллия , меди и железа с низким тепловым расширением , с пружинами из сплава с низким термическим коэффициентом упругости, такого как Nivarox . Два сплава подобраны таким образом, что их остаточная температурная реакция компенсируется, что приводит к еще меньшей температурной погрешности. Колеса гладкие, что позволяет уменьшить трение воздуха, а шарниры опираются на прецизионные подшипники с драгоценными камнями . В более старых балансировочных колесах вокруг обода использовались грузовые винты для регулировки равновесия (баланса), но современные колеса балансируются на заводе с помощью компьютера, при помощи лазера выжигают точную ямку в ободе, чтобы сделать их сбалансированными. Балансировочные колеса вращаются вокруг 1 + 1/2 равновесия . поворота при каждом повороте, то есть примерно на 270° в каждую сторону от их центрального положения Скорость балансового колеса регулируется регулятором — рычагом с узкой прорезью на конце, через которую проходит балансовая пружина. Это удерживает часть пружины за прорезью в неподвижном состоянии. При перемещении рычага прорезь балансовой пружины перемещается вверх и вниз, изменяя ее эффективную длину и, следовательно, частоту резонансных колебаний баланса. Поскольку регулятор вмешивается в действие пружины, хронометры и некоторые точные часы имеют балансы со «свободной пружиной» без регулятора, такие как Gyromax . Их скорость регулируется грузовыми винтами на ободе баланса.

Частота вибрации весов традиционно измеряется в ударах (тиках) в час, или BPH, хотя удары в секунду и Гц также используются . Длина такта равна одному повороту балансового колеса между сменами направления, поэтому в полном цикле есть два такта. Балансы в прецизионных часах имеют более быстрый ход, поскольку на них меньше влияют движения запястья. Будильники и кухонные таймеры часто имеют частоту 4 удара в секунду (14 400 ударов в час). Часы, выпущенные до 1970-х годов, обычно имели частоту 5 ударов в секунду (18 000 ударов в час). Современные часы имеют частоту 6 (21 600 ударов в час), 8 (28 800 ударов в час), а некоторые имеют частоту 10 ударов в секунду (36 000 ударов в час). В настоящее время Audemars Piguet производит часы с очень высокой частотой вибрации баланса — 12 ударов в секунду (43 200 ударов в час). Во время Второй мировой войны Элгин изготовил очень точный секундомер для экипажей бомбардировщиков ВВС США, который работал со скоростью 40 ударов в секунду (144 000 ударов в час), за что получил прозвище «Джиттербаг».

Точность лучших часов с балансовым колесом на запястье составляет около нескольких секунд в день. Самыми точными часами с балансовым колесом были морские хронометры , которые использовались на кораблях для астрономической навигации в качестве точного источника времени для определения долготы . Ко Второй мировой войне они достигли точности 0,1 секунды в день.

Период колебаний

балансового колеса Период колебаний Т колеса в секундах, время, необходимое для одного полного цикла (два удара), определяется моментом инерции I в килограмм-метрах. ² и жесткость ( постоянная пружины ) ее балансовой пружины κ в ньютон-метрах на радиан:

$T=2\pi {\sqrt {\frac {I}{\kappa }}}\,$

Фолиот (турник с гирями) от часов Де Вика, построенных в 1379 году, Париж.

История

Вероятно, самый ранний из существующих рисунков балансового колеса — в Джованни де Донди , астрономических часах построенных в 1364 году в Падуе, Италия. Колесо баланса (в форме короны, вверху) имело ход 2 секунды. Отрисовка иллюстрации из его трактата о часах 1364 года «Il Tractatus Astrarii» .

Колесо баланса появилось вместе с первыми механическими часами в Европе 14 века, но, похоже, неизвестно, когда и где оно впервые было использовано. Это улучшенная версия фолиота , раннего инерционного хронометриста, состоящего из прямой стержня, вращающегося в центре, с гирями на концах, который колеблется вперед и назад. Гирики-листы можно было вдвигать или выдвигать на планке, чтобы регулировать ход часов. В первых часах в Северной Европе использовались листы, а в Южной Европе - балансовые колеса. Поскольку часы стали меньше, сначала как настольные и фонарные часы , а затем как первые большие часы после 1500 года, вместо фолиотов стали использоваться балансовые колеса. Поскольку большая часть его веса расположена на ободе вдали от оси, балансовое колесо может иметь больший момент инерции, чем фолиот того же размера, и сохранять лучшее время. Форма колеса также имела меньшее сопротивление воздуха, а его геометрия частично компенсировала погрешность теплового расширения из-за изменений температуры.

Добавление балансовой пружины

Раннее балансовое колесо с пружиной во французских часах XVIII века.

Эти ранние балансовые колеса были грубыми хронометристами, поскольку им не хватало другого важного элемента: балансовой пружины . Ранние балансовые колеса толкались спусковым механизмом в одном направлении до тех пор, пока крайний флажок, который контактировал с зубом на спусковом колесе, не проскользнул мимо кончика зуба («вырвался»), и действие спускового механизма не изменилось, толкая колесо назад. другой путь. В таком «инерционном» колесе ускорение пропорционально движущей силе. В часах без балансировочной пружины движущая сила обеспечивает как силу, ускоряющую колесо, так и силу, замедляющую его и обращающую вспять. Если движущая сила увеличивается, увеличивается как ускорение, так и замедление, в результате чего колесо толкается вперед и назад быстрее. Это сделало хронометраж сильно зависимым от силы, прилагаемой спусковым механизмом. В часах движущая сила, обеспечиваемая ходовой пружиной , воздействующая на спусковой механизм через зубчатую передачу часов, уменьшалась во время работы часов по мере раскручивания ходовой пружины. Без каких-либо средств выравнивания движущей силы часы замедлялись во время работы между заводами, поскольку пружина теряла силу, что приводило к потере времени. Вот почему все пружинные часы с предварительной балансировкой требуют предохранители (или, в некоторых случаях, стекфриды ), чтобы уравнять силу, действующую от боевой пружины, достигающей спускового механизма, для достижения хотя бы минимальной точности. Даже с этими устройствами часы до появления балансовой пружины были очень неточными.

Идея балансировочной пружины была навеяна наблюдениями о том, что упругие бордюры из свиной щетины, добавленные для ограничения вращения колеса, повышают его точность. Роберт Гук впервые применил металлическую пружину к балансу в 1658 году, а Жан де Отфей и Христиан Гюйгенс улучшили ее до нынешней спиральной формы в 1674 году. Добавление пружины сделало балансовое колесо гармоническим осциллятором , основой всех современных часов . Это означает, что колесо вибрировало с естественной резонансной частотой или «биением» и сопротивлялось изменениям скорости вибрации, вызванным трением или изменением движущей силы. Это важнейшее нововведение значительно повысило точность часов: с нескольких часов в день. возможно, до 10 минут в день, превращая их из дорогих новинок в полезные хронометристы.

Ошибка температуры

После того, как была добавлена ​​пружина баланса, основным оставшимся источником неточностей стал эффект изменений температуры. Ранние часы имели пружины баланса из простой стали и балансы из латуни или стали, и влияние на них температуры заметно влияло на ход.

Увеличение температуры увеличивает размеры пружины баланса и баланса из-за теплового расширения . Сила пружины, возвращающая сила, которую она производит в ответ на прогибание, пропорциональна ее ширине и кубу ее толщины и обратно пропорциональна ее длине. Повышение температуры на самом деле сделало бы пружину более прочной, если бы оно влияло только на ее физические размеры. Однако гораздо больший эффект балансовой пружины, изготовленной из простой стали, заключается в том, что эластичность металла пружины значительно снижается с увеличением температуры, а общий эффект заключается в том, что простая стальная пружина становится слабее с увеличением температуры. Повышение температуры также увеличивает диаметр стального или латунного балансового колеса, увеличивая его вращательную инерцию, момент инерции , затрудняя ускорение балансовой пружины. Два эффекта повышения температуры на физические размеры пружины и баланса, усиление балансовой пружины и увеличение вращательной инерции баланса, имеют противоположные эффекты и в некоторой степени компенсируют друг друга. Основным влиянием температуры, влияющим на ход часов, является ослабление балансовой пружины с повышением температуры.

В часах, в которых не компенсировано влияние температуры, более слабой пружине требуется больше времени, чтобы вернуть балансовое колесо обратно к центру, поэтому «биение» становится медленнее, и часы теряют время. Фердинанд Берту обнаружил в 1773 году, что обычный латунный баланс и стальная пружина, подвергнутый повышению температуры на 60 ° F (33 ° C), теряет 393 секунды ( 6 + 1 / 2 минуты) в сутки, из них 312 секунд приходится на снижение упругости пружины.

Балансовое колесо с температурной компенсацией

Биметаллическое балансовое колесо с температурной компенсацией, из карманных часов начала 1900-х годов. 17 мм диам. (1) Перемещение противоположных пар грузов ближе к концам рычагов увеличивает температурную компенсацию. (2) Отвинчивание пар грузов рядом со спицами замедляет скорость колебаний. Регулировка одного груза меняет осанку или баланс.

Потребность в точных часах для астрономической навигации во время морских путешествий привела к многочисленным достижениям в области технологий балансирования в Великобритании и Франции 18 века. на 1 секунду в день Даже ошибка морского хронометра может привести к ошибке в местоположении корабля на 17 миль (27 км) после двухмесячного плавания. Джон Харрисон первым применил температурную компенсацию к балансовому колесу в 1753 году, используя биметаллический «компенсационный бордюр» на пружине в первых успешных морских хронометрах H4 и H5. Они достигли точности до доли секунды в день. но компенсационный бордюр в дальнейшем не использовался из-за его сложности.

Более простое решение было изобретено около 1765 года Пьером Ле Руа и улучшено Джоном Арнольдом и Томасом Эрншоу : Эрншоу или компенсационное балансовое колесо. Ключевым моментом было заставить балансовое колесо менять размер в зависимости от температуры. Если бы баланс можно было заставить уменьшаться в диаметре по мере нагревания, меньший момент инерции компенсировал бы ослабление балансовой пружины, сохраняя период колебаний тем же.

Для этого внешний обод баланса был сделан из «сэндвича» из двух металлов; слой стали внутри сплавился со слоем латуни снаружи. Полосы этой биметаллической конструкции при нагревании изгибаются в сторону стали, поскольку тепловое расширение латуни больше, чем у стали. Обод был разрезан в двух точках рядом со спицами колеса, поэтому он напоминал S-образную форму (см. Рисунок) с двумя круглыми биметаллическими «руками». Эти колеса иногда называют «Z-балансами». Повышение температуры заставляет руки сгибаться внутрь к центру колеса, а смещение массы внутрь уменьшает момент инерции баланса, подобно тому, как вращающаяся фигуристка может уменьшить свой момент инерции, втягивая руки. Это уменьшение момента инерции компенсировало уменьшенный крутящий момент, создаваемый более слабой балансировочной пружиной. Величина компенсации регулируется подвижными грузиками на рукоятках. Морские хронометры с таким типом баланса имели погрешности всего 3–4 секунды в сутки в широком диапазоне температур. К 1870-м годам в часах стали использовать компенсированные балансы.

Ошибка средней температуры

Балансовые колеса морского хронометра середины 1800-х годов с различными системами «вспомогательной компенсации» для уменьшения ошибки средней температуры.

Стандартные компенсационные весы Earnshaw значительно уменьшили погрешность, возникающую из-за изменений температуры, но не устранили ее. Как впервые описал Дж. Г. Ульрих, компенсированные весы, настроенные для поддержания правильного времени при заданной низкой и высокой температуре, будут срабатывать на несколько секунд в день при промежуточных температурах. Причина в том, что момент инерции баланса изменяется пропорционально квадрату радиуса компенсационных рычагов и, следовательно, температуры. Но эластичность пружины линейно зависит от температуры.

Чтобы смягчить эту проблему, производители хронометров внедрили различные схемы «вспомогательной компенсации», которые снизили погрешность ниже 1 секунды в день. Такие схемы представляли собой, например, небольшие биметаллические рычаги, прикрепленные к внутренней части балансового колеса. Такие компенсаторы могли изгибаться только в одном направлении, к центру балансового колеса, но изгиб наружу блокировался самим колесом. Блокированное движение вызывает нелинейную температурную реакцию, которая могла бы немного лучше компенсировать изменения упругости пружины. Большинство хронометров, которые первыми участвовали в ежегодных испытаниях Гринвичской обсерватории в период с 1850 по 1914 год, представляли собой вспомогательные компенсационные конструкции. Вспомогательная компенсация в часах никогда не использовалась из-за ее сложности.

Лучшие материалы

Баланс и пружина из сплава с низким температурным коэффициентом в механизме ETA 1280 от часов Benrus Co., изготовленных в 1950-х годах.

Биметаллическое компенсированное балансовое колесо устарело в начале 20 века благодаря достижениям металлургии. Шарль Эдуард Гийом получил Нобелевскую премию за изобретение в 1896 году инвара , сплава никелевой стали с очень низким тепловым расширением, и элинвара (от élasticité invariable , «неизменная эластичность»), сплава, эластичность которого не меняется в широком диапазоне температур, для баланса. пружины. Прочные инваровые весы с пружиной из элинвара практически не подвержены влиянию температуры, поэтому они заменили труднорегулируемые биметаллические весы. Это привело к созданию ряда улучшенных сплавов с низким температурным коэффициентом для балансов и пружин.

Прежде чем разработать Элинвар, Гийом также изобрел сплав, позволяющий компенсировать погрешность средней температуры в биметаллических весах, придав ему отрицательный квадратичный температурный коэффициент. Этот сплав, названный анибал, представляет собой небольшую разновидность инвара. Он почти полностью сводил на нет температурный эффект стальной пружины, но по-прежнему требовал биметаллического компенсационного балансового колеса, известного как балансовое колесо Гийома. Эта конструкция в основном использовалась в высокоточных хронометрах, предназначенных для соревнований в обсерваториях. Квадратичный коэффициент определяется его местом в уравнении расширения материала;

$\ell _{\theta }=\ell _{0}\left(1+\alpha \theta +\beta \theta ^{2}\right)\,$

где:

$\scriptstyle \ell _{0}$ длина образца при некоторой эталонной температуре

$\scriptstyle \theta$ температура выше эталона

$\scriptstyle \ell _{\theta }$ длина образца при температуре $\scriptstyle \theta$

$\scriptstyle \alpha$ - линейный коэффициент расширения

$\scriptstyle \beta$ квадратичный коэффициент расширения

Ссылки

• «Морской хронометр» . Британская энциклопедия онлайн . Британская энциклопедия Inc., 2007 г. Проверено 15 июня 2007 г.
• Бриттен, Фредерик Дж. (1898). О пружинах и регулировке часов . Нью-Йорк: Спон и Чемберлен . Проверено 20 апреля 2008 г. . Содержит подробный отчет о развитии балансовой пружины.
• Брирли, Гарри К. (1919). Время, рассказывающее сквозь века . Нью-Йорк: Даблдей . Проверено 16 апреля 2008 г. .
• Глазго, Дэвид (1885). Изготовление часов и часов . Лондон: Кассель и компания . Проверено 16 апреля 2008 г. . Подробный раздел, посвященный погрешности температуры баланса и дополнительной компенсации.
• Гулд, Руперт Т. (1923). Морской хронометр. Его история и развитие . Лондон: Дж. Д. Поттер. стр. 176–177. ISBN  0-907462-05-7 .
• Хедрик, Майкл (апрель 2002 г.). «Происхождение и эволюция спускового механизма якорных часов» . Системы управления IEEE . 22 (2): 41–52. дои : 10.1109/37.993314 . Архивировано из оригинала 25 октября 2009 г. Проверено 6 июня 2007 г. . Хороший инженерный обзор разработки часового спуска с упором на источники ошибок.
• Милхэм, Уиллис И. (1945). Время и хронометристы . Нью-Йорк: Макмиллан. ISBN  0-7808-0008-7 . . Комплексный 616 стр. Книга профессора астрономии, хорошее описание происхождения деталей часов, но исторические исследования датированы. Длинная библиография.
• Одетс, Уолт (2005). «Балансовое колесо в сборе» . Глоссарий запчастей для часов . Школа часового пояса. Архивировано из оригинала 14 июня 2007 года . Проверено 15 июня 2007 г. . Подробные иллюстрации деталей современных часов на сайте ремонта часов.
• Одетс, Уолт (2007). «Балансовое колесо часов» . Часослов . TimeZone.com. Архивировано из оригинала 6 июля 2007 года . Проверено 15 июня 2007 г. . Техническая статья профессионального часовщика о конструкции балансовых колес часов, начиная с компенсационных балансов, на сайте ремонта часов.

Внешние ссылки

• Чой, Фред (26 мая 2007 г.). «Карманные часы Уильяма Симкока Мэсси Тип III» . Ютуб. Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 г. Проверено 26 апреля 2008 г. Видео старинных часов середины XIX века, показывающих вращение балансового колеса.
• Коста, Алан (1998). «История часов» . Атмос Человек. Архивировано из оригинала 17 июля 2007 г. Проверено 19 июня 2007 г. История часов на коммерческом сайте.
• Маркл, Ксавье (2016). «Монохромные часы. Технический взгляд на регулирующий орган часов» . Монохромные часы Технический взгляд на регулирующий орган часов
• Оливер Манди, The Watch Cabinet Фотографии частной коллекции старинных часов с 1710 по 1908 год, на которых изображено множество различных разновидностей балансового колеса.