Краевой спусковой механизм
механизм Краевой (или коронное колесо ) спусковой — это самый ранний известный тип механического спуска , механизм в механических часах , который контролирует их скорость, позволяя зубчатой передаче продвигаться вперед через регулярные промежутки времени или «тикать». Спусковые механизмы Verge использовались с конца 13 века до середины 19 века в часах и карманных часах . Название Verge происходит от латинского virga , что означает палка или жезл. [1]
Его изобретение имеет важное значение в истории техники , поскольку оно сделало возможным создание полностью механических часов. Это привело к переходу от измерения времени с помощью непрерывных процессов, таких как течение жидкости в водяных часах , к повторяющимся колебательным процессам, таким как качание маятников , которые потенциально могли быть более точными. [2] [3] В большинстве современных часов используются колебательные хронометры. [2] [4] [5]
Часы Verge и Foliot [ править ]
Верхний спусковой механизм датируется Европой 13-го века, где его изобретение привело к разработке первых полностью механических часов. [3] [7] [8] Начиная с 13 века, большие башенные часы строили на площадях европейских городов, в соборах и монастырях. Они следили за временем, используя крайний спусковой механизм для приведения в движение фолиота , примитивного типа балансового колеса . [9] Фолиот представлял собой горизонтальную перекладину с грузами на концах, прикрепленными к вертикальной перекладине, называемой гранью, которая подвешивалась свободно и могла вращаться. Краевой спуск заставлял фолиот колебаться вперед и назад вокруг своей вертикальной оси. [10] Скорость часов можно было регулировать, перемещая гири внутрь или наружу по листу.
Верхний спусковой механизм, вероятно, произошел от сигнального механизма для звонка в колокол, который появился столетия назад. [11] [12] Было предположение, что Виллар де Оннекур изобрел крайний спусковой механизм в 1237 году с иллюстрацией странного механизма, позволяющего поворачивать статую ангела, следуя пальцем за солнцем. [13] [14] но все согласны с тем, что это был не побег. [15] [16] [17] [18] [19] [20]
Считается, что где-то в конце 13 века механизм спускового механизма был применен к башенным часам , создав первые механические часы со спусковым механизмом. [9] Несмотря на то, что эти часы были прославленными объектами гражданской гордости, о которых писали в то время, возможно, никогда не будет известно, когда впервые был использован новый спусковой механизм. [11] Это связано с тем, что по скудной письменной документации оказалось трудно отличить, какие из этих ранних башенных часов были механическими, а какие — водяными ; одно и то же латинское слово horologie . для обоих использовалось [21] [9] Ни один из первоначальных механизмов не сохранился в неизменном виде. Источники расходятся во мнениях о том, какие часы были первыми механическими, в зависимости от того, какие рукописные свидетельства они считают убедительными. Одним из кандидатов являются часы Данстейбл Приората в Бедфордшире , Англия, построенные в 1283 году, поскольку источники говорят, что они были установлены над экраном на крыше , где было бы трудно пополнить запас воды, необходимой для водяных часов. [22] [9] Еще одним примером являются часы, построенные во дворце Висконти в Милане, Италия, в 1335 году. [23] Астроном Робертус Английский писал в 1271 году, что часовщики пытались изобрести спусковой механизм, но пока безуспешно. [24] [9] Однако существует мнение, что механические часы существовали уже к концу 13 века. [3] [21] [25]
Самое раннее описание спуска в рукописи Ричарда Уоллингфорда » 1327 года «Tractatus Horologii Astronomici на часах, которые он построил в аббатстве Сент-Олбанс , было не гранью, а разновидностью, называемой «стробовым» спусковым механизмом. [26] [27] Он состоял из пары спусковых колес на одной оси с чередующимися радиальными зубьями. [9] Между ними висел крайний стержень с короткой крестовиной, которая вращалась сначала в одном направлении, а затем в другом, когда зубцы проходили мимо. Хотя другой пример неизвестен, вполне возможно, что эта конструкция предшествовала более обычной грани в часах. [26]
В течение первых двухсот лет существования механических часов грань с фолиотом или балансовым колесом была единственным спусковым механизмом, использовавшимся в механических часах. В шестнадцатом веке начали появляться альтернативные спусковые механизмы, но край оставался наиболее используемым спусковым механизмом в течение 350 лет, пока достижения механики середины 17 века не привели к внедрению маятникового, а затем и якорного спускового механизма. [28] Поскольку часы были ценными, после изобретения маятника многие граничные часы были перестроены для использования этой более точной технологии отсчета времени, поэтому очень немногие из ранних граничных и фолиотных часов сохранились в неизмененном виде до наших дней.
Насколько точны были первые краевые и фолиотные часы, остается спорным: по оценкам, погрешность составляет от одного до двух часов в день. [29] [11] [2] упоминается, хотя современные эксперименты с часами этой конструкции показывают, что точность до минут в день была достижима при достаточной тщательности проектирования и обслуживания. [30] [31] Ранние краевые часы, вероятно, были не более точными, чем предыдущие водяные часы . [14] но они не требовали ручной переноски воды для заполнения резервуара, не замерзали зимой и представляли собой более перспективную инновационную технологию. К середине 17 века, когда маятник заменил фолиот, лучшие часы на гранях и фолио достигли точности 15 минут в день.
Часы с маятником Verge [ править ]
Большая часть грубой неточности первых фронтальных и фолиотовых часов была связана не с самим спусковым механизмом, а с фолиотным осциллятором. Первое использование маятников в часах около 1656 года внезапно увеличило точность граничных часов с часов в день до минут в день. Большинство часов были перестроены, а их листы заменены маятниками. [32] [33] до такой степени, что сегодня трудно найти неповрежденные оригинальные часы на гранях и фолиотах. Аналогичное увеличение точности часов Verge последовало за появлением балансовой пружины в 1658 году.
Как это работает [ править ]
Верхний спусковой механизм состоит из колеса в форме короны, называемого спусковым колесом, с пилообразными зубьями, выступающими в осевом направлении вперед, и его ось ориентирована горизонтально. [11] [34] Перед ним находится вертикальный стержень, грань, с двумя металлическими пластинами, поддонами, которые входят в зацепление с зубцами спускового колеса с противоположных сторон. Поддоны не параллельны, а ориентированы под углом между ними, поэтому зубья одновременно захватываются только одним из них. К грани наверху прикреплен инерционный генератор, балансовое колесо или, в самых ранних часах, фолиот , горизонтальная балка с гирями на обоих концах. Это хронометрист часов.
Когда шестерни часов вращают коронное колесо (см. анимацию) , один из его зубцов цепляется за поддон, толкая его. [11] При этом грань и лист вращаются в одном направлении, а второй поддон поворачивается на пути зубьев на противоположной стороне колеса, пока зуб не соскользнет с конца поддона, освобождая его. Затем коронное колесо свободно вращается на небольшое расстояние, пока зуб на противоположной стороне колеса не коснется второго поддона, нажимая на него. Это меняет направление стержня и листа края, поворачивая край назад в другом направлении, пока этот зуб не пройдет мимо второго поддона. Затем цикл повторяется. В результате вращательное движение колеса меняется на колебательное движение грани и листа. Таким образом, каждое колебание балансового колеса позволяет пройти одному зубцу анкерного колеса, продвигая колесную систему часов на фиксированную величину, перемещая стрелки вперед с постоянной скоростью. Момент инерции фолиота или балансового колеса управляет скоростью колебаний, определяя ход часов. Зуб спускового колеса, прижимаясь к поддону при каждом повороте, создает импульс, который заменяет энергию, потерянную листом на трение, заставляя его колебаться вперед и назад.
В часах с граничным маятником (см. рисунок) , появившихся после изобретения маятника в 1656 году, спусковой механизм был повернут на 90 °, так что стержень вертикали был горизонтальным, а ось спускового колеса была вертикальной и располагалась под стержнем вертикали. В первых маятниковых часах маятник прикреплялся к концу стержня вместо балансового колеса или листа. В более поздних маятниковых часах маятник подвешивался на короткой прямой пружине из металлической ленты на корпусе часов, а вертикальный рычаг, прикрепленный к концу стержня края, заканчивался вилкой, охватывающей стержень маятника; это позволило избежать трения, возникающего при подвешивании маятника непосредственно на поворотном стержне края. Каждое колебание маятника освобождало зуб спускового колеса.
Чтобы спусковой механизм функционировал, спусковое колесо должно иметь нечетное количество зубьев. [34] При четном числе два противоположных зубца одновременно соприкоснутся с поддонами, заклинивая спусковой механизм. Обычный угол между поддонами составлял от 90° до 105°. [11] [34] что приводит к повороту листа или маятника примерно на 80–100°. Чтобы уменьшить раскачивание маятника и сделать его более изохронным , французы использовали больший угол наклона поддона, превышающий 115°. [34] Это уменьшило поворот маятника примерно до 50° и уменьшило отдачу (ниже), но требовало, чтобы грань была расположена так близко к коронному колесу, чтобы зубья падали на поддоны очень близко к оси, уменьшая начальное рычаги и увеличивая трение, что требовало более легких маятники. [34] [35]
Недостатки [ править ]
Как и следовало ожидать, учитывая его раннее изобретение, спусковой механизм является самым неточным из широко используемых спусковых механизмов. Он страдает от следующих проблем:
- Часы и часы Verge чувствительны к изменениям движущей силы; они замедляются по мере раскручивания ходовой пружины . [34] Это называется отсутствием изохронности. В часах с гранями и листами дела обстояли намного хуже из-за отсутствия пружины баланса, но это проблема для всех механизмов с гранями. Фактически, стандартным методом регулировки хода ранних часов Verge было изменение силы ходовой пружины. [36] Причина этой проблемы заключается в том, что зубья коронного колеса всегда давят на поддоны, приводя в движение маятник или балансовое колесо на протяжении всего его цикла; элементу хронометража никогда не разрешается свободно качаться. [34] Таким образом, уменьшение движущей силы заставляет маятник или балансовое колесо раскачиваться вперед и назад медленнее. Все часы Verge и часы с пружинным приводом требовали предохранителей для выравнивания силы ходовой пружины для достижения хотя бы минимальной точности.
- Спусковой механизм имеет « отдачу », что означает, что импульс листа или маятника на мгновение толкает заводное колесо назад, заставляя зубчатый ряд часов двигаться назад в течение части своего цикла. [11] [34] Это увеличивает трение и износ, что приводит к неточности. Один из способов узнать, есть ли у старинных часов боковой спусковой механизм, — это внимательно наблюдать за секундной стрелкой; если они немного перемещаются назад во время каждого цикла, часы находятся на грани. Это не обязательно относится к часам, поскольку есть и другие спусковые механизмы маятника, которые имеют отдачу.
- В маятниковых часах широкие углы поворота маятника 80–100 °, необходимые для грани, вызывают дополнительное отсутствие изохронности из-за круговой ошибки .
- Широкие колебания маятника также вызывают сильное трение воздуха , снижающее точность маятника и требующее много энергии для его поддержания, что увеличивает износ. [11] Таким образом, маятниковые часы Verge имели более легкие качания, что снижало точность.
- Часы Verge имеют тенденцию ускоряться по мере износа коронного колеса и поддонов. Это особенно заметно в часах Verge, начиная с середины 18 века. Нет ничего необычного в том, что эти часы при запуске сегодня отстают на много часов в день или просто вращаются, как будто в них нет баланса. Причина этого в том, что по мере изобретения новых спусковых механизмов стало модным носить тонкие часы. Чтобы добиться этого в часах Verge, коронное колесо нужно сделать очень маленьким, что усиливает эффект износа.
Отклонить [ править ]
Спусковые механизмы Verge использовались практически во всех часах на протяжении 400 лет. Затем повышение точности благодаря внедрению маятника и балансовой пружины в середине 17 века привлекло внимание к ошибке, вызванной спусковым механизмом. К 1820-м годам на смену граням пришли более качественные спусковые механизмы, хотя недорогие часы грани продолжали производиться и в 19 веке.
В карманных часах , помимо неточности, вертикальная ориентация заводного колеса и необходимость в громоздком фузее делали грани механизма немодно толстыми. Французские часовщики приняли на вооружение более тонкий цилиндрический спусковой механизм , изобретенный в 1695 году. В Англии высококачественные часы использовали дуплексный спусковой механизм , разработанный в 1782 году, но относительно недорогие часы Verge Fusee продолжали производиться до середины 19 века, когда рычажный спусковой механизм. на смену пришел . [36] [37] Эти более поздние часы Verge в просторечии называли «репами» из-за их громоздкой конструкции.
Грань использовалась в маятниковых часах лишь недолго , прежде чем она была заменена анкерным спусковым механизмом , изобретенным около 1660 года, вероятно, Робертом Гуком , и широко используемым, начиная с 1680 года. [38] Проблема с гранью заключалась в том, что маятнику приходилось поворачиваться по широкой дуге от 80° до 100°. Христиан Гюйгенс в 1674 году показал, что маятник, раскачивающийся по широкой дуге, является неточным хронометристом, поскольку период его качания чувствителен к небольшим изменениям движущей силы, обеспечиваемой часовым механизмом. [38]
Хоть грани и не славится точностью, но она на это способна. Первые успешные морские хронометры H4 и H5 , изготовленные Джоном Харрисоном в 1759 и 1770 годах, использовали спусковые механизмы с алмазными поддонами. [11] [36] [39] В испытаниях они были точны с точностью до пятой секунды в день. [40]
Сегодня грани можно увидеть только в старинных часах или их копиях. На многих оригинальных часах с кронштейнами были отменены преобразования анкерного спуска викторианской эпохи и восстановлен первоначальный стиль спускового механизма. Часовщики называют это реконверсией грани .
См. также [ править ]
- Спусковой механизм Галилея – первый спусковой механизм маятниковых часов, предложенный Галилео Галилеем .
- Часы Дуврского замка — старейшие из известных действующих часов с оригинальной гранью и спусковым механизмом, сейчас находятся в Музее науки в Лондоне .
Ссылки [ править ]
- ^ Харпер, Дуглас (2001). «Грань» . Интернет-словарь этимологии . Проверено 22 июня 2008 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Маррисон, Уоррен (1948). «Эволюция кварцевых часов» . Технический журнал Bell System . 27 (3): 510–588. дои : 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01343.x . Архивировано из оригинала 13 мая 2007 г. Проверено 6 июня 2007 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Чиполла, Карло М. (2004). Часы и культура, 1300–1700 гг . WW Norton & Co. ISBN 0-393-32443-5 . , стр.31
- ^ Стеле, Филип (1971). Физика: поведение частиц . Харпер и Роу. п. 59. ИСБН 9780060464110 .
- ^ Блумфилд, Луи (2007). Как все работает: необычная физика . Уайли. п. 296. ИСБН 9780470170663 . Архивировано из оригинала 4 апреля 2023 года . Проверено 19 марта 2023 г.
- ^ Норт, Джон Дэвид (2005). Божий часовщик: Ричард Уоллингфордский и изобретение времени . Лондон, Великобритания: Хэмблдон и Лондон. стр. 179, рис.33. ISBN 1-85285-451-0 .
- ^ «Побег» . Британская энциклопедия онлайн. 2007 . Проверено 26 октября 2007 г.
- ^ Уайт, Линн младший (1962). Средневековые технологии и социальные изменения . Великобритания: Оксфордский университет. Нажимать. п. 119.
- ^ Перейти обратно: а б с д Это ж Мейси, Сэмюэл Л., Эд. (1994). Энциклопедия времени . Нью-Йорк: Издательство Garland Publishing. стр. 127–129. ISBN 0815306156 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Ду, Руксу; Се, Лунхан (2012). Механика механических часов . Springer Science and Business Media. стр. 7–9. ISBN 9783642293078 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г час я Хедрик, Майкл (апрель 2002 г.). «Происхождение и эволюция спускового механизма якорных часов» . Журнал «Системы управления» . 22 (2). Инст. инженеров по электротехнике и электронике. Архивировано из оригинала (PDF) 25 октября 2009 г. Проверено 6 июня 2007 г.
- ^ Дорн-ван Россум, Герхард (1996). История часа: часы и современные временные порядки . унив. из Чикаго Пресс. ISBN 0-226-15511-0 . , стр.103-104
- ^ МС. 19093, лист 44, Французская коллекция, Национальная библиотека, Париж (№ 1104, библиотека Сен-Жермен-де-Пре до около 1800 г.). Villard_de_Honnecourt_-_Sketchbook__-_44.jpg — изображение страницы на Wikimedia Commons.
- ^ Перейти обратно: а б Джон Х. Линхард (2000). Двигатели нашей изобретательности . Эпизод 1506. НПР. КУХФ-FM Хьюстон. Первые механические часы .
- ^ Шеллер, Роберт Уолтер (1995). Образец: Рисунки из книжных моделей и практика художественной передачи в средние века (ок. 900–ок. 1470) . Издательство Амстердамского университета. п. 185. ИСБН 9053561307 . , сноска 7
- ^ Барнс, Карл Ф. (2009). Портфолио Виллара де Оннекура (Париж, Национальная библиотека Франции, MS Fr 19093) . Ашгейт Паблишинг Лтд. с. 159. ИСБН 978-0754651024 .
- ^ Нидэм, Джозеф; Ван, Линг; де Солла Прайс, Дерек Джон (1986). Небесный часовой механизм: Великие астрономические часы средневекового Китая . Архив Кубка. п. 195. ИСБН 0521322766 . , сноска 3
- ^ Нидэм, Джозеф (1965). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Физика и физические технологии, Часть 2, Машиностроение . Издательство Кембриджского университета. п. 443. ИСБН 0521058031 .
- ^ Уайт, Линн Таунсенд (1964). Средневековые технологии и социальные изменения . Оксфордский университет. Нажимать. п. 173. ИСБН 0195002660 .
- ^ Дорн-ван Россум, Герхард (1996). История часа: часы и современные временные порядки . Издательство Чикагского университета. стр. 105–106. ISBN 0226155102 .
- ^ Перейти обратно: а б Белый 1966, стр.124.
- ^ Люксфорд, Джулиан М. (2005). Искусство и архитектура английских бенедиктинских монастырей, 1300-1540 гг . Бойделл Пресс. стр. 209–210. ISBN 1843831538 .
- ^ Ашер, Эббот Пейсон (1988). История механических изобретений . Курьер Дувр. ISBN 0-486-25593-Х . , стр.196
- ^ Уайт, 1966, стр. 126-127.
- ^ Уитроу, Дж.Дж. (1989). Время в истории: взгляды на время от доисторических времен до наших дней . п. 104.
- ^ Перейти обратно: а б Норт, Джон Дэвид (2005). Божий часовщик: Ричард Уоллингфордский и изобретение времени . Великобритания: Хэмблдон и Лондон. стр. 175–183. ISBN 1-85285-451-0 .
- ^ Дорн-ван Россум, Герхард (1996). История часа: часы и современные временные порядки . унив. из Чикаго Пресс. стр. 50–52. ISBN 0-226-15511-0 .
- ^
Фрейзер, Джулиус Томас (1987). Время, знакомый незнакомец . Университет Массачусетс Пресс. стр. 53 . ISBN 0870235761 .
крайний спуск.
- ^ Милхэм, Уиллис И. (1945). Время и хронометристы . Нью-Йорк: Макмиллан. п. 83. ИСБН 0-7808-0008-7 .
- ^ В. Хауткупер "Точность фолиота" Антикварное часовое искусство, том. 20 № 1, весна 1992 г.
- ^ М. Мальтин «Некоторые заметки о средневековых часах в соборе Солсбери» Antiquarian Horology Vol. 20 № 5, весна 1993 г.
- ^ «Большие часы» . Музей науки, Великобритания. 2007. Архивировано из оригинала 29 сентября 2007 г. Проверено 6 июня 2007 г.
- ^ Милхэм 1945, стр.144
- ^ Перейти обратно: а б с д Это ж г час Глазго, Дэвид (1885). Изготовление часов и часов . Лондон: Cassell & Co., стр. 124–126 .
- ^ Бриттен, Фредерик Дж. (1896). Справочник производителя часов, 9-е изд . Лондон: EF & N. Spon. , стр.391-392
- ^ Перейти обратно: а б с Перес, Карлос (16 июля 2001 г.). «Артефакты Золотого века, часть 1» . Журнал Карлоса . Часовой пояс . Проверено 13 октября 2022 г.
- ^ «История часов — Audemars Piguet, Breitling, Bulgari, Cartier, Ebel, Franck Muller, Jaeger leCoultre, Omega, Patek Philippe, Rolex, Tag Heuer, Vacheron et Constantin, Zenith» . Второй раз . До 1600 года – самые ранние часы. Архивировано из оригинала 29 сентября 2007 г.
- ^ Перейти обратно: а б Мейси, Сэмюэл Л., Эд. (1994). Энциклопедия времени . Нью-Йорк: Издательство Garland Publishing. п. 125. ИСБН 0815306156 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Хирд, Джонатан Р.; Беттс, Джонатан Д.; Пратт, Д. (апрель 2008 г.). «Алмазные поддоны хронометриста долготы Джона Харрисона – H4». Анналы науки . 65 (2): 171–200. дои : 10.1080/00033790701619675 . S2CID 144451370 .
- ^ «Революция в хронометраже» . Прогулка сквозь время . Национальный институт стандартов и технологий . 2002 . Проверено 13 октября 2022 г.
Дальнейшее чтение [ править ]
- Гис, Фрэнсис; Гис, Джозеф (1994). Собор, кузница и водяное колесо: технологии и изобретения в средние века . HarperCollins Publishers, Inc., стр. 210–215. ISBN 0060165901 .
Внешние ссылки [ править ]
- Часы с приводом от веса» В статье Британской энциклопедии « есть анимация, показывающая работу грани и листа.
- Рисование грани и листа на коммерческом сайте
- Elytra Design, Схема граней и листового спуска на коммерческом сайте
- Марк Франк (2005), «Эволюция механизмов башенных часов». Документ с большим количеством технической информации о ранних часах, созданный реставратором башенных часов, со множеством уникальных изображений механизмов и ссылок.