Сағат механизмінің тарихы мен қағидалары

Кіріспе

Сағат механизмі – сағаттар мен сағаттар деп аталатын механикалық құрылғылардың ішкі жұмыс істеуін, немесе серіппе немесе салмақ арқылы жұмыс істейтін, тізбекті дөңгелектерді пайдаланатын басқа да механизмдердің ұқсас жұмыс істеуін білдіреді (бұл механизмдерде «қозғалыс» термині де қолданылады). Сағат механизмі көбінесе негізгі серіппеден және металл жолақтан жасалған спиральді бұралу серіппесінен тұратын сағат механизмі қозғалтқышымен қуаттанады. Энергия негізгі серіппеге қолмен, оны бұрап, серіппені тығыздайтын кілтті айналдыру арқылы жиналады. Содан кейін негізгі серіппенің күші сағат механизмдерін айналдырады, сақталған энергия толығымен жұмсалып біткенше. «Бұрау» және «серіппемен жұмыс істейтін» деген сөздер негізгі серіппемен қуатталатын құрылғыларды – сағаттарды, ас үй таймерлерін, музыкалық қораптарды және бұралатын ойыншықтарды сипаттау үшін қолданылады.

Тарих

Сағат механизміне арналған ең көне белгілі мысал – грек кемесінің апаттан құтылу кезінде табылған б.з.б. бірінші ғасырға жататын, астролябиді еске түсіретін, астрономиялық жағдайларды және күн тоқырауларын есептеуге арналған аналогты компьютер. Ежелгі Грекияда, тіпті мифологиясында да, сағаттық құрылғылар туралы көптеген деректер бар, ал механизмнің өзі оның жасалуына дейін қарапайым құрылғылардың маңызды тарихын көрсетеді. Бір кезде осы деңгейдегі сағат технологиясы Еуропада жоғалып немесе ұмытылып, тек Крест жорықтарынан кейін Ислам әлемінен, Ренессансқа жол ашқан басқа білімдермен бірге қайта келді. Сағат механизмі, ақыры, 14 ғасырда Римге дейінгі технологиялық деңгейге жетті. Грек мифологиясындағыдай, басқа мәдениеттердің аңыздарында да автоматтандыру туралы амбициялық пікірлер бар. Мысалы, еврей аңыздарында, Сүлеймен өз даналығын механикалық жануарлармен бірге тақ жасау үшін пайдаланды, олар оны патша ретінде құттықтады; ол отырғанда, бір бүркіт оның басына тәж кигізеді, ал бір көгершін оған Тора кітабын әкеледі. Сондай-ақ, Сүлеймен патша таққа отырғанда, бір механизм іске қосылған делінеді. Ол бірінші баспалдаққа басқанда, алтын бұқа мен алтын арыстан әрқайсысы бір аяғын созып, оны қолдап, келесі баспалдаққа көтерілуге көмектесті. Олар патша таққа отыра бергенше, оған екі жағынан да көмектесті. Ежелгі Қытайда б.з.б. III ғасырда жазылған «Ли Цзи» мәтінінде автоматтандыру туралы қызықты оқиға кездеседі. Онда Чжоу патшасы Му (б.з.б. 1023-957 жж.) мен «шебер» атанған Ян Ши атты инженер-механик арасындағы ертерек кездесудің сипаттамасы бар. Соңғысы патшаға өзінің механикалық шеберлігімен жасаған, адам пішінді, нақты өлшемдегі фигураны мақтан тұтып көрсетті:

Патша таңғалып, фигураға қарады. Ол жылдам қадаммен жүрді, басын жоғары-төмен қозғалды, сондықтан оны тірі адам деп қателескен кез келген адам болар еді. Шебер оның жағына тиіп, ән салды, әуені мінсіз болды. Ол қолына тиіп, уақытты сақтап, қимыл жасады. Көрсетілім аяқталар тұсында, робот көзін жыпылықтатты және қатысушы әйелдерге жақындады, сол кезде патша ашуланып, Ян Шиді сол жерде-ақ жазалауға бұйырды, егер ол қатты қорқып, роботты бөлшектеп көрсетпегенде, оның ішкі құрылысын көру үшін. Шындығында, ол тек былғарыдан, ағаштан, желім мен лактан жасалған, әртүрлі түстермен боялған – ақ, қара, қызыл және көк болды. Патша оны мұқият қарап, барлық ішкі мүшелерін толықтығын тапты – бауыр, өт, жүрек, өкпе, көкбауыр, бүйрек, асқазан және ішек; және олардан жоғары бұлшықеттер, сүйектер мен буындармен аяқ-қолдар, тері, тістер мен шаштар, барлығы жасанды. Патша жүректі алып тастаудың әсерін сынап көрді және ауыз енді сөйлей алмайтынын анықтады; ол бауырды алып тастады және көздер енді көре алмады; ол бүйректерді алып тастады және аяқтар қозғалу қабілетін жоғалтты. Патша қуанды. Тағы бір көрнекті мысал – Аул Геллий айтқан Архитаның көгершіні. Ұшу автоматтары туралы ұқсас қытайлық деректер б.з.б. V ғасырдағы Мохист философы Мози және оның замандасы Лу Бан туралы жазылған. Хан Фэй Цзи және басқа да мәтіндерге сәйкес, олар ұша алатын жасанды ағаш құстарды (ма юань) жасады. 11 ғасырда Еуропада сағат механизмі уақытты өлшеуге және астрономиялық оқиғаларды бақылауға қолданылды. Сағаттар қазіргі стандарттармен уақытты өте дұрыс сақтамады, бірақ астрономиялық құрылғылар планеталардың және басқа да қозғалыстардың орналасуын болжау үшін мұқият пайдаланылды. Сол уақытқа дейін Еуропада сағаттарда механикалық тұтқырлар қолданылған сияқты. 15 ғасырға дейін сағат механизмі сумен, салмақпен немесе басқа да айналмалы, салыстырмалы түрде қарапайым тәсілдермен жұмыс істеді, бірақ 1430 жылы Бургундия герцогы Филиппке серіппемен жұмыс істейтін сағат сыйға тартылды. Бұл салмақпен жұмыс істейтін механизмдермен қатар стандартты технологияға айналды. 16 ғасырдың ортасында Кристиан Гюйгенс Галилео Галилейден бір идея алып, оны алғашқы заманауи маятник механизміне айналдырды. Алайда, серіппе немесе салмақ қозғаушы күшті қамтамасыз еткен болса, маятник тек осы күштің босатылу жылдамдығын реттелетін жылдамдықпен қандай да бір құтылу механизмі (эскапмент) арқылы бақылайтын. Смитсондар институтының коллекциясында шамамен 1560 жылы жасалған, биіктігі шамалы сағат механизмі бар монах бар. Монах серіппемен айдап, төртбұрышты жолмен жүріп, оң қолымен көкірегіне соғады, сол қолымен кішкентай ағаш айқыш пен розникті көтеріп, төмен түсіреді, бұрылып, бас сілтейді, көзін айналдырады және ауызды үнсіз дұғалар айтады. Ол айқышты ерініне тигізіп, оны сүйеді. Монахтың император V Карлға қызмет еткен механик Хуанело Турриано жасағанына сенімді.

The king stared at the figure in astonishment. It walked with rapid strides, moving its head up and down, so that anyone would have taken it for a live human being. The artificer touched its chin, and it began singing, perfectly in tune. He touched its hand, and it began posturing, keeping perfect time As the performance was drawing to an end, the robot winked its eye and made advances to the ladies in attendance, whereupon the king became incensed and would have had Yen Shih [Yan Shi] executed on the spot had not the latter, in mortal fear, instantly taken the robot to pieces to let him see what it really was. And, indeed, it turned out to be only a construction of leather, wood, glue and lacquer, variously coloured white, black, red and blue. Examining it closely, the king found all the internal organs complete—liver, gall, heart, lungs, spleen, kidneys, stomach and intestines; and over these again, muscles, bones and limbs with their joints, skin, teeth and hair, all of them artificial The king tried the effect of taking away the heart, and found that the mouth could no longer speak; he took away the liver and the eyes could no longer see; he took away the kidneys and the legs lost their power of locomotion. The king was delighted. Other notable examples include Archytas's dove, mentioned by Aulus Gellius. Similar Chinese accounts of flying automata are written of the 5th century BC Mohist philosopher Mozi and his contemporary Lu Ban, who made artificial wooden birds (ma yuan) that could successfully fly, according to the Han Fei Zi and other texts. By the 11th century, clockwork was used for both timepieces and to track astronomical events, in Europe. The clocks did not keep time very accurately by modern standards, but the astronomical devices were carefully used to predict the positions of planets and other movement. The same timeline seems to apply in Europe, where mechanical escapements were used in clocks by that time. Up to the 15th century, clockwork was driven by water, weights, or other roundabout, relatively primitive means, but in 1430 a clock was presented to Philip the Good, Duke of Burgundy, that was driven by a spring. This became a standard technology along with weight driven movements. In the mid 16th century, Christiaan Huygens took an idea from Galileo Galilei and developed it into the first modern pendulum mechanism. However, whereas the spring or the weight provided the motive power, the pendulum merely controlled the rate of release of that power via some escape mechanism (an escapement) at a regulated rate. The Smithsonian Institution has in its collection a clockwork monk, about high, possibly dating as early as 1560. The monk is driven by a key wound spring and walks the path of a square, striking his chest with his right arm, while raising and lowering a small wooden cross and rosary in his left hand, turning and nodding his head, rolling his eyes, and mouthing silent obsequies. From time to time, he brings the cross to his lips and kisses it. It is believed that the monk was manufactured by Juanelo Turriano, mechanician to the Holy Roman Emperor Charles V.

Шолу

Көп жағдайда құрылғыға қажетті қуат оның ішінде, серіппе сияқты энергия сақтайтын механизмге механикалық күш түсіретін орау арқылы жиналады, бұл белгілі бір тоқтату механизмін қамтиды; ал кейбір жағдайларда қолмен қуат қолданылуы мүмкін. Дөңгелектерді, олар үйкеліс немесе тісті байланыс арқылы қосылған болса, қозғалысты өзгерту үшін немесе жылдамдық немесе күшті арттыру үшін пайдалану кең таралған; көптеген сағат механизмдері осы саланың механикалық шеберлігін көрсететін, көзге көрінетін немесе жасырын туындылар ретінде құрастырылған. Кейде сағаттар мен уақыт өлшеу механизмдері жарылғыш заттарды, таймерлерді, дабылдарды және тағы да көптеген құрылғыларды іске қосу үшін қолданылады.

Мысалдар

Ең көп таралған мысалдар – механикалық сағаттар мен қол сағаттары. Басқа қолданылулары, көбісі, бірақ барлығы емес, қолданыстан шығып қалған: Бұралатын ойыншықтар – көбінесе қарапайым механикалық қозғалтқыш ретінде немесе автоматтар жасау үшін. Бұлар кілтпен бұралатын, мысалы, 20 ғасырдың көптеген модельдік пойыздары сияқты, немесе қарапайым кері тартылатын қозғалтқыш болуы мүмкін. Көптеген фотокамералардың жапырақшалы жалюзилері, жалюзилердің ашылуы мен жабылу уақытын бақылау үшін, қол сағаттарына ұқсас сағаттық механизмді пайдаланады. Электр қозғалтқыштары пайда болғанға дейін, маяктардың линзаларын бұратын механизмдер. 1970 жылдары кішкентай электрондық калькуляторлар қолжетімді болғанға дейін қолданылған механикалық калькуляторлар. Мысалы, компаниялардың қаржылық есептеулері үшін салыстырмалы түрде кішкентай калькуляторлар пайдаланылды. Механикалық калькуляторлардан әлдеқайда күрделі және үлкен механикалық компьютерлер, мысалы, Бэббидждің айырмалық және аналитикалық машиналарын. Жүздеген жылдарға созылған тарихы бар, мысалы, оррерия сияқты астрономиялық модельдер. 19 ғасыр мен 20 ғасырдың басында өте танымал болған музыкалық қораптар. 1930 жылға дейін жасалған дерлік барлық музыкалық жазбаларды ойнайтын фонографтар (грамофондар). Батареялар мен желілік қуаттың (үй тогы) жетіспейтін жерлерде өте танымал болатын, сағаттық механизммен жұмыс істейтін радио сияқты қолмен қуатталатын электр жабдықтары, онда құрылғының көлемі мен салмағының көп бөлігін құрайтын энергияны сақтайтын серіппе, кішкентай электр генераторын айналдырады.