Механизм регулирования хода часов: принцип работы и история развития

Введение

Механизм регулирования хода часов

Эскапемент – это механическая связь в механических часах и часах, которая передаёт импульсы элементу измерения времени и периодически освобождает ход зубчатой передачи, позволяя ей двигаться вперёд и продвигая стрелки часов. Импульсное действие передаёт энергию элементу измерения времени (обычно маятнику или балансовому колесу), чтобы компенсировать потери энергии на трение в течение цикла и поддерживать колебания регулятора хода. Эскапемент приводится в действие энергией, запасённой в накрученной пружине или подвешенном грузе, передаваемой через зубчатую передачу часового механизма. Каждое колебание маятника или балансового колеса освобождает зуб колеса эскапемента, позволяя зубчатой передаче часов продвинуться вперёд или "вырваться" на фиксированное расстояние. Этот регулярный периодический ход перемещает стрелки часов вперёд с постоянной скоростью. Одновременно зуб передаёт импульс элементу измерения времени, прежде чем другой зуб зацепится за палет эскапемента, возвращая его в "заблокированное" состояние. Резкая остановка зуба эскапемента и является источником характерного звука "тиканья", слышимого в работающих механических часах. Первый механический эскапемент, эскапемент с рамкой, был изобретён в средневековой Европе в XIII веке и стал ключевым нововведением, приведшим к созданию механических часов. Конструкция эскапемента оказывает значительное влияние на точность часов, а усовершенствования в его конструкции способствовали повышению точности измерения времени в эпоху механического хронометража с XIII по XIX век. Эскапементы также используются в других механизмах, помимо часов. В ручных пишущих машинках эскапементы использовались для перемещения каретки при наборе каждой буквы (или пробела). В историческом плане жидкостные эскапементы применялись в конструкции умывальников в Древней Греции и эллинистическом мире, особенно в Птолемеевском Египте, а также использовались в часовых механизмах, начиная с династии Тан в Китае и достигнув расцвета во времена династии Сун.

История

Важность эскапемента в истории техники заключается в том, что он стал ключевым изобретением, позволившим создать полностью механические часы. Изобретение первого полностью механического эскапемента, эскапета с рамкой (verge escapement), в Европе XIII века положило начало переходу от методов измерения времени, основанных на непрерывных процессах, таких как течение воды в водяных часах, к повторяющимся колебательным процессам, например, качанию маятника, которые потенциально могли быть более точными. В Китае буддийский монах династии Тан И Син вместе с государственным чиновником Лян Лингзаном в 723 (или 725) году применили эскапемент в механизме водяной армиллярной сферы и часового привода, что стало первым в мире часовым эскапементом. Часовые мастера династии Сун (960–1279) Чжан Сисюнь (активен в конце X века) и Су Сун (1020–1101) использовали эскапементные устройства в своих астрономических часовых башнях, прежде чем развитие технологии застопорилось и пошло на спад. По мнению историка Дерека де Солла Прайса, китайский эскапемент распространился на запад и послужил источником для западной эскапементной технологии. Согласно Ахмаду И. Хассану, ртутный эскапемент, использованный в испанской работе для Альфонсо X в 1277 году, можно проследить до более ранних арабских источников. Ненадежный источник: дата=сентябрь 2010 Знания об этих ртутных эскапементах могли распространиться по Европе вместе с переводами арабских и испанских текстов. Однако ни один из них не был истинным механическим эскапементом, поскольку они все еще зависели от потока жидкости через отверстие для измерения времени. Например, в часах Су Суна вода поступала в контейнер, установленный на оси. Роль эскапемента заключалась в опрокидывании контейнера каждый раз, когда он наполнялся, тем самым приводя в движение колеса часов при измерении одинакового количества воды. Интервал между выпусками зависел от скорости потока, как и во всех водяных часах. Скорость потока жидкости через отверстие меняется в зависимости от температуры и вязкости и уменьшается с падением давления по мере снижения уровня жидкости в исходном контейнере. Развитие механических часов зависело от изобретения эскапемента, который позволил бы контролировать движение часов с помощью колеблющегося груза.

The importance of the escapement in the history of technology is that it was the key invention that made the all mechanical clock possible. The invention of the first all mechanical escapement, the verge escapement, in 13th century Europe initiated a change in timekeeping methods from continuous processes, such as the flow of water in water clocks, to repetitive oscillatory processes, such as the swing of pendulums, which had the potential to be more accurate. In China, the Tang dynasty Buddhist monk Yi Xing along with government official Liang Lingzan made the escapement in 723 (or 725) to the workings of a water powered armillary sphere and clock drive, which was the world's first clockwork escapement. Song dynasty (960–1279) horologists Zhang Sixun (fl. late 10th century) and Su Song (1020–1101) duly applied escapement devices for their astronomical clock towers, before the technology stagnated and retrogressed. According to historian Derek J. de Solla Price, the Chinese escapement spread west and was the source for Western escapement technology. According to Ahmad Y. Hassan, a mercury escapement in a Spanish work for Alfonso X in 1277 can be traced back to earlier Arabic sources. Unreliable source: date=September 2010 Knowledge of these mercury escapements may have spread through Europe with translations of Arabic and Spanish texts. However, none of these were true mechanical escapements, since they still depended on the flow of liquid through an orifice to measure time. For example, in Su Song's clock, water flowed into a container on a pivot. The escapement's role was to tip the container over each time it filled up, thus advancing the clock's wheels each time an equal quantity of water was measured out. The time between releases depended on the rate of flow, as do all liquid clocks. The rate of flow of a liquid through an orifice varies with temperature and viscosity changes and decreases with pressure as the level of liquid in the source container drops. The development of mechanical clocks depended on the invention of an escapement which would allow a clock's movement to be controlled by an oscillating weight.

Механические выходы

Первый механический спусковой механизм, спусковой механизм на рамке, использовался в аппарате для звона, называемом сигнальным устройством, на протяжении нескольких столетий, прежде чем был адаптирован для часов. В Европе XIV века он появился в качестве регулятора хода в первых механических часах, которые представляли собой большие башенные часы (хотя некоторые источники утверждают, что французский архитектор Вильяр де Оннекур изобрел первый эскапемент около 1237 года, основываясь на рисунке в его записных книжках, изображающем систему веревочных передач для поворота статуи ангела, следующего за солнцем, однако общепринятое мнение состоит в том, что это не был эскапемент). Его происхождение и первое применение неизвестны, поскольку трудно определить, какие из этих ранних башенных часов были механическими, а какие – водяными. Однако косвенные свидетельства, такие как резкое увеличение стоимости и количества строящихся часов, указывают на конец XIII века как на наиболее вероятное время разработки современного часового эскапемента. С другой стороны, большинство источников сходятся во мнении, что механические часы с эскапементом существовали уже к 1300 году. Они описаны подробнее ниже. Изобретение кварцевого генератора и кварцевых часов в 1920-х годах, которые к 1930-м годам стали самыми точными часами, перенаправило технологические исследования в области измерения времени на электронные методы, и разработка эскапементов перестала играть роль в повышении точности хода часов.

Надежность

Надежность спускового механизма зависит от качества изготовления и уровня обслуживания. Некачественно изготовленный или плохо обслуживаемый спусковой механизм может вызвать проблемы. Спусковой механизм должен точно преобразовывать колебания маятника или балансового колеса во вращение часового механизма, а также обеспечивать достаточную энергию для поддержания колебаний маятника или балансового колеса. Во многих спусковых механизмах разблокировка происходит за счет скольжения; например, в представленной выше анимации палеты анкерного хода скользят по зубьям спускового колеса при колебаниях маятника. Палеты часто изготавливаются из очень твердых материалов, таких как полированный камень (например, искусственный рубин), но даже в этом случае они обычно требуют смазки. Поскольку смазочное масло со временем деградирует из-за испарения, пыли, окисления и т.д., необходима периодическая повторная смазка. В противном случае, часы могут работать ненадежно или остановиться совсем, а компоненты спускового механизма могут подвергаться быстрому износу. Повышенная надежность современных часов обусловлена, прежде всего, использованием более качественных масел для смазки. Срок службы смазки в высококачественных часах может превышать пять лет. Некоторые спусковые механизмы избегают скользящего трения; примером является спусковой механизм "саранча" Джона Харрисона, разработанный в 18 веке. Это может устранить необходимость смазки спускового механизма (хотя это не отменяет необходимости смазки других частей часового механизма).

Точность

Точность механических часов зависит от точности устройства, определяющего время. Если это маятник, то точность определяется периодом его колебаний. Если стержень маятника изготовлен из металла, он будет расширяться и сжиматься при изменении температуры, удлиняя или укорачивая маятник, что влияет на время одного колебания. В дорогих маятниковых часах используются специальные сплавы для минимизации этого искажения. Угол отклонения маятника может варьироваться; в высокоточных маятниковых часах используются очень малые углы для минимизации круговой погрешности. Маятниковые часы могут достигать выдающейся точности. Даже в XX веке маятниковые часы использовались в лабораториях в качестве эталонных. На точность также существенно влияют спусковые механизмы. Точная точка в траектории маятника, в которой передается импульс, влияет на то, насколько точно маятник будет поддерживать ход. В идеале импульс должен быть равномерно распределен по обе стороны от нижней точки колебания маятника. Это называется "быть в фазе". Это связано с тем, что толчок маятника, направленный к середине хода, заставляет его спешить, а толчок, направленный от середины хода, – отставать. Равномерное распределение импульса передает энергию маятнику, не изменяя период его колебаний. Период маятника незначительно зависит от амплитуды колебаний. Если амплитуда изменится с 4° до 3°, период маятника уменьшится примерно на 0,013%, что приведет к увеличению скорости хода примерно на 12 секунд в день. Это связано с тем, что восстанавливающая сила, действующая на маятник, не является линейной, а круговой; следовательно, период маятника лишь приблизительно линеен при малых углах. Для независимости от времени траектория должна быть циклоидальной. Чтобы минимизировать влияние амплитуды, колебания маятника поддерживаются как можно меньшими. Важно отметить, что независимо от способа передачи импульса, действие спускового механизма должно оказывать минимальное воздействие на колебательную систему – будь то маятник или балансир в часах. Этот эффект, присущий всем спусковым механизмам в большей или меньшей степени, известен как погрешность спуска. Любой спусковой механизм со скользящим трением требует смазки, но по мере ее износа трение увеличивается, и, возможно, недостаточно энергии передается устройству, определяющему время. Если это маятник, то увеличение силы трения уменьшит добротность, расширит полосу резонанса и снизит точность. В часах с пружинным заводом импульсная сила пружины изменяется по мере ее размотки, следуя закону Гука. В часах с гравитационным заводом импульсная сила также увеличивается по мере опускания груза и увеличения длины цепи, подвешивающей груз к передаточному механизму; однако на практике этот эффект наблюдается только в больших общественных часах, и его можно избежать, используя замкнутую цепь. Часы и небольшие часы не используют маятники в качестве устройства, определяющего время. Вместо этого они используют спираль баланса: тонкую пружину, соединенную с металлическим балансиром, который колеблется (вращается вперед и назад). Большинство современных механических часов имеют рабочую частоту 3–4 Гц (колебания в секунду) или 6–8 полуколебаний в секунду (21 600–28 800 полуколебаний в час). В некоторых часах используются более высокие или более низкие частоты (33 600 или 19 800 полуколебаний в час). Рабочая частота зависит от жесткости спирали баланса; для поддержания точного хода жесткость не должна изменяться с температурой. Поэтому в спиралях баланса используются сложные сплавы, и в этой области часовое искусство продолжает развиваться. Как и в случае с маятником, спусковой механизм должен передавать небольшой импульс при каждом цикле, чтобы поддерживать колебания балансира. Также со временем возникает проблема со смазкой; часы будут терять точность (обычно ускоряться), когда смазка спускового механизма начнет высыхать. Карманные часы были предшественниками современных наручных часов. Карманные часы, находясь в кармане, обычно располагались вертикально. Гравитация вызывает некоторую потерю точности, поскольку со временем усиливает любую несимметричность веса баланса. Турбийон был изобретен для минимизации этого эффекта: баланс и спираль помещаются в клетку, которая вращается (обычно, но не обязательно, раз в минуту), сглаживая гравитационные искажения. Этот сложный и изысканный механизм ценится в наручных часах, хотя естественные движения владельца также способствуют сглаживанию гравитационных воздействий. Самыми точными серийно выпускаемыми механическими часами были электромеханические часы Shortt Synchronome с маятником свободного хода, изобретенные У.Х. Шорттом в 1921 году, с погрешностью около 1 секунды в год. Вероятно, самыми точными механическими часами на сегодняшний день являются электромеханические часы Littlemore, построенные известным археологом Э.Т. Холлом в 1990-х годах. В своей статье Холл сообщает о погрешности в 3 части на 10^9, измеренной в течение 100 дней (погрешность около 0,02 секунды за этот период). Оба этих механизма являются электромеханическими: они используют маятник в качестве элемента, определяющего время, но электрическую энергию, а не механический передаточный механизм для передачи энергии маятнику.

The accuracy of a mechanical clock is dependent on the accuracy of the timing device. If this is a pendulum, then the period of swing of the pendulum determines the accuracy. If the pendulum rod is made of metal it will expand and contract with heat, lengthening or shortening the pendulum; this changes the time taken for a swing. Special alloys are used in expensive pendulum based clocks to minimize this distortion. The degrees of arc in which a pendulum may swing varies; highly accurate pendulum based clocks have very small arcs in order to minimize the circular error. Pendulum based clocks can achieve outstanding accuracy. Even into the 20th century, pendulum based clocks were reference timepieces in laboratories. Escapements play a big part in accuracy as well. The precise point in the pendulum's travel at which impulse is supplied will affect how closely to time the pendulum will swing. Ideally, the impulse should be evenly distributed on either side of the lowest point of the pendulum's swing. This is called "being in beat." This is because pushing a pendulum when it is moving towards mid swing makes it gain, whereas pushing it while it is moving away from mid swing makes it lose. If the impulse is evenly distributed then it gives energy to the pendulum without changing the time of its swing. The pendulum's period depends slightly on the size of the swing. If the amplitude changes from 4° to 3°, the period of the pendulum will decrease by about 0.013 percent, which translates into a gain of about 12 seconds per day. This is caused by the restoring force on the pendulum being circular not linear; thus, the period of the pendulum is only approximately linear in the regime of the small angle approximation. To be time independent, the path must be cycloidal. To minimize the effect with amplitude, pendulum swings are kept as small as possible. It is important to note that as a rule, whatever the method of impulse the action of the escapement should have the smallest effect on the oscillator which can be achieved, whether a pendulum or the balance in a watch. This effect, which all escapements have to a larger or smaller degree is known as the escapement error. Any escapement with sliding friction will need lubrication, but as this deteriorates the friction will increase, and, perhaps, insufficient power will be transferred to the timing device. If the timing device is a pendulum, the increased frictional forces will decrease the Q factor, increasing the resonance band, and decreasing its precision. For spring driven clocks, the impulse force applied by the spring changes as the spring is unwound, following Hooke's law. For gravity driven clocks, the impulse force also increases as the driving weight falls and more chain suspends the weight from the gear train; in practice, however, this effect is only seen in large public clocks, and it can be avoided by a closed loop chain. Watches and smaller clocks do not use pendulums as the timing device. Instead, they use a balance spring: a fine spring connected to a metal balance wheel that oscillates (rotates back and forth). Most modern mechanical watches have a working frequency of 3–4 Hz (oscillations per second) or 6–8 beats per second (21,600–28,800 beats per hour; bph). Faster or slower speeds are used in some watches (33,600bph, or 19,800bph). The working frequency depends on the balance spring's stiffness (spring constant); to keep time, the stiffness should not vary with temperature. Consequently, balance springs use sophisticated alloys; in this area, watchmaking is still advancing. As with the pendulum, the escapement must provide a small kick each cycle to keep the balance wheel oscillating. Also, the same lubrication problem occurs over time; the watch will lose accuracy (typically it will speed up) when the escapement lubrication starts failing. Pocket watches were the predecessor of modern wristwatches. Pocket watches, being in the pocket, were usually in a vertical orientation. Gravity causes some loss of accuracy as it magnifies over time any lack of symmetry in the weight of the balance. The tourbillon was invented to minimize this: the balance and spring are put in a cage that rotates (typically but not necessarily, once a minute), smoothing gravitational distortions. This very clever and sophisticated clockwork is a prized complication in wristwatches, even though the natural movement of the wearer tends to smooth gravitational influences anyway. The most accurate commercially produced mechanical clock was the electromechanical Shortt Synchronome free pendulum clock invented by W. H. Shortt in 1921, which had an uncertainty of about 1 second per year. The most accurate mechanical clock to date is probably the electromechanical Littlemore Clock, built by noted archaeologist E. T. Hall in the 1990s. In Hall's paper, he reports an uncertainty of 3 parts in 109 measured over 100 days (an uncertainty of about 0.02 seconds over that period). Both of these clocks are electromechanical clocks: they use a pendulum as the timekeeping element, but electrical power rather than a mechanical gear train to supply energy to the pendulum.

Механические выходы

С 1658 года, когда изобретение маятника и спирали баланса позволило создавать точные часы, по оценкам, было разработано более трехсот различных механических спусковых механизмов, но лишь около десяти из них получили широкое применение. Они описаны ниже. В XX веке электрические методы измерения времени вытеснили механические часы и наручные часы, и конструкция спусковых механизмов стала малоизвестной редкостью.

Утечка от краев

Самым ранним механическим эскапементом, появившимся примерно в 1275 году, был эскапемент на краю, также известный как эскапемент коронового колеса. Он использовался в первых механических часах и изначально приводился в действие фолиотом – горизонтальной балкой с грузами на обоих концах. Эскапемент состоит из выходного колеса, имеющего форму короны, с заострёнными зубьями, выступающими осевым образом сбоку и ориентированными горизонтально. Перед короновым колесом расположен вертикальный вал, прикреплённый к фолиоту сверху, который несёт две металлические пластины (паллеты), выступающие подобно флажкам из флагштока, ориентированные примерно под углом в девяносто градусов друг к другу, так что только одна взаимодействует с зубьями коронового колеса в каждый момент времени. Когда колесо вращается, один зуб толкает верхнюю паллету, вращая вал и прикреплённый к нему фолиот. Когда зуб проходит мимо верхней паллеты, нижняя паллета входит в траекторию зубьев на другой стороне колеса. Зуб зацепляется за нижнюю паллету, поворачивая вал в обратную сторону, и цикл повторяется. Недостатком этого эскапемента было то, что каждый раз, когда зуб опирался на паллету, импульс фолиота отталкивал короновое колесо назад на небольшое расстояние, прежде чем сила колеса меняла направление движения. Это явление называется "откатом" и являлось источником износа и неточности. В течение 350 лет эскапемент на краю был единственным, используемым в часах и карманных часах. В часах с пружинным заводом требовался фузеё для выравнивания силы пружины. Он применялся в первых маятниковых часах около 50 лет после изобретения маятниковых часов в 1656 году. В маятниковых часах короновое колесо и вал ориентировались горизонтально, а маятник подвешивался к валу. Однако эскапемент на краю является самым неточным из распространённых эскапементов, и после внедрения маятника в 1650-х годах его начали заменять другими эскапементами, полностью отказавшись от него лишь к концу 1800-х годов. К этому времени мода на тонкие часы потребовала уменьшения размера выходного колеса, что усилило последствия износа, и при заводе часов этого периода часто обнаруживается, что они идут слишком быстро, выигрывая несколько часов в день.

The earliest mechanical escapement from about 1275 was the verge escapement, also known as the crown wheel escapement. It was used in the first mechanical clocks and was originally controlled by a foliot, a horizontal bar with weights at either end. The escapement consists of an escape wheel shaped somewhat like a crown, with pointed teeth sticking axially out of the side, oriented horizontally. In front of the crown wheel is a vertical shaft, attached to the foliot at the top, which carries two metal plates (pallets) sticking out like flags from a flag pole, oriented about ninety degrees apart, so only one engages the crown wheel teeth at a time. As the wheel turns, one tooth pushes against the upper pallet, rotating the shaft and the attached foliot. As the tooth pushes past the upper pallet, the lower pallet swings into the path of the teeth on the other side of the wheel. A tooth catches on the lower pallet, rotating the shaft back the other way, and the cycle repeats. A disadvantage of the escapement was that each time a tooth landed on a pallet, the momentum of the foliot pushed the crown wheel backward a short distance before the force of the wheel reversed the motion. This is called "recoil" and was a source of wear and inaccuracy. The verge was the only escapement used in clocks and watches for 350 years. In spring driven clocks and watches, it required a fusee to even out the force of the mainspring. It was used in the first pendulum clocks for about 50 years after the pendulum clock was invented in 1656. In a pendulum clock, the crown wheel and staff were oriented so they were horizontal, and the pendulum was hung from the staff. However, the verge is the most inaccurate of the common escapements, and after the pendulum was introduced in the 1650s, the verge began to be replaced by other escapements, being abandoned only by the late 1800s. By this time, the fashion for thin watches had required that the escape wheel be made very small, amplifying the effects of wear, and when a watch of this period is wound up today, it will often be found to run very fast, gaining many hours per day.

Удаление поперечного отража

Йост Бюрги изобрел кросс-бит эскапмент в 1584 году – разновидность краевого эскапмента, в котором использовались два листа, вращающихся в противоположных направлениях. Согласно современным свидетельствам, его часы достигали замечательной точности – в пределах минуты в день, демонстрируя: (a) колесо эскапмента (b) палеты (c) вилка маятника. Эскапмент Грэма, или эскапмент с нулевым отскоком, был усовершенствованием анкерного эскапмента, впервые созданным Томасом Томпйоном по проекту Ричарда Таунли в 1675 году, хотя его часто приписывают преемнику Томпйона, Джорджу Грэму, который популяризировал его в 1715 году. В анкерном эскапменте качание маятника толкает колесо эскапмента назад в течение части цикла. Этот «отскок» нарушает движение маятника, вызывая неточность, и меняет направление хода зубчатой передачи, создавая люфт и приводя к высоким нагрузкам на систему, что вызывает трение и износ. Главное преимущество эскапмента с нулевым отскоком заключалось в устранении отскока. Он считался самым точным из эскапментов балансового колеса до начала XX века, когда хронометры с рычажным эскапментом начали превосходить их в соревновании. Ранняя форма была изобретена Пьером Ле Роем в 1748 году, который создал эскапмент с поворотным детонатором, хотя он был теоретически несовершенен. Первый эффективный детонаторный эскапмент был изобретен Джоном Арнольдом около 1775 года, но с поворотным детонатором. Этот эскапмент был модифицирован Томасом Эрншоу в 1780 году и запатентован Райтом (на которого он работал) в 1783 году; однако, как показано в патенте, он был неработоспособен. Арнольд также разработал эскапмент с пружинным детонатором, но усовершенствованная версия Эрншоу в конечном итоге преобладала, поскольку основная идея претерпела несколько незначительных изменений в течение последнего десятилетия XVIII века. Окончательная форма появилась около 1800 года, и эта конструкция использовалась до тех пор, пока механические хронометры не устарели в 1970-х годах. Детонатор – это разъединяющий эскапмент; он позволяет балансирующему колесу качаться свободно в течение большей части цикла, за исключением кратковременного импульсного периода, который дается только один раз за цикл (каждый второй оборот). Джон Арнольд первым использовал детонаторный эскапмент с пружиной Генриха (запатентован в 1782 году), и благодаря этому усовершенствованию его часы стали первыми действительно точными карманными хронометрами, показывающими время с точностью до 1 или 2 секунд в день. Они производились с 1783 года. Однако эскапмент с детонатором имел недостатки, которые ограничивали его использование в часах: он был хрупким и требовал квалифицированного обслуживания; он не был самозаводящимся, поэтому, если часы трясли во время использования и балансирующее колесо останавливалось, они не запускались снова; и его было сложнее производить в больших количествах. Поэтому самозаводящийся рычажный эскапмент стал доминирующим в часах.

Jost Bürgi invented the cross beat escapement in 1584, a variation of the verge escapement which had two foliots that rotated in opposite directions. According to contemporary accounts, his clocks achieved remarkable accuracy of within a minute per day, showing: (a) escape wheel (b) pallets (c) pendulum crutch.]] The Graham or deadbeat escapement was an improvement of the anchor escapement first made by Thomas Tompion to a design by Richard Towneley in 1675 although it is often credited to Tompion's successor George Graham who popularized it in 1715. In the anchor escapement the swing of the pendulum pushes the escape wheel backward during part of its cycle. This 'recoil' disturbs the motion of the pendulum, causing inaccuracy, and reverses the direction of the gear train, causing backlash and introducing high loads into the system, leading to friction and wear. The main advantage of the deadbeat is that it eliminated recoil. It was considered the most accurate of the balance wheel escapements before the beginning of the 20th century, when lever escapement chronometers began to outperform them in competition. The early form was invented by Pierre Le Roy in 1748, who created a pivoted detent type of escapement, though this was theoretically deficient. The first effective design of detent escapement was invented by John Arnold around 1775, but with the detent pivoted. This escapement was modified by Thomas Earnshaw in 1780 and patented by Wright (for whom he worked) in 1783; however, as depicted in the patent it was unworkable. Arnold also designed a spring detent escapement but, with improved design, Earnshaw's version eventually prevailed as the basic idea underwent several minor modifications during the last decade of the 18th century. The final form appeared around 1800, and this design was used until mechanical chronometers became obsolete in the 1970s. The detent is a detached escapement; it allows the balance wheel to swing undisturbed during most of its cycle, except the brief impulse period, which is only given once per cycle (every other swing). John Arnold was the first to use the detent escapement with an overcoil balance spring (patented 1782), and with this improvement his watches were the first truly accurate pocket timekeepers, keeping time to within 1 or 2 seconds per day. These were produced from 1783 onwards. However, the escapement had disadvantages that limited its use in watches: it was fragile and required skilled maintenance; it was not self starting, so if the watch was jarred in use so the balance wheel stopped, it would not start up again; and it was harder to manufacture in volume. Therefore, the self starting lever escapement became dominant in watches.

Отпуск рычага

Рычажный спуск, изобретенный Томасом Ма́джжем в 1750 году, используется в подавляющем большинстве часов с XIX века. Его преимущества: (1) это "разъединенный" спуск; в отличие от цилиндровых или дуплексных спусков, балансирующее колесо соприкасается с рычагом только в короткий момент импульса, когда оно проходит через центральное положение и свободно колеблется в остальной части цикла, повышая точность, и (2) это самозаводящийся спуск, поэтому, если часы потрясти так, что балансирующее колесо остановится, оно автоматически запустится снова. Изначальной формой был реечный рычажный спуск, в котором рычаг и балансирующее колесо постоянно находились в контакте через зубчатую рейку на рычаге. Позже было обнаружено, что можно удалить все зубья с шестерен, оставив только один, и это создало разъединенный рычажный спуск. Британские часовщики использовали английский разъединенный рычаг, в котором рычаг располагался под прямым углом к балансирующему колесу. Позже швейцарские и американские производители стали использовать линейный рычаг, в котором рычаг расположен на одной линии между балансирующим колесом и колесом эскапмента; эта форма используется в современных часах. В 1798 году Луи Перрон изобрел недорогой и менее точный вариант, называемый спуском с штыревой палетой, который использовался в дешевых "долларовых часах" в начале XX века и до сих пор применяется в недорогих будильниках и кухонных таймерах.

Утечка саранчи

Редкий, но интересный механический спусковой механизм – это спусковой механизм «саранча», изобретенный Джоном Харрисоном в 1722 году. В этом механизме маятник приводится в движение двумя шарнирно соединенными рычагами (палетами). Когда маятник качается, конец одного рычага зацепляется за зубчатое колесо и слегка отводит его назад; это освобождает другой рычаг, который уходит в сторону, позволяя зубчатому колесу пройти. Когда маятник качается обратно, другой рычаг зацепляется за колесо, отводит его назад и освобождает первый рычаг, и так далее. Спусковой механизм «саранча» использовался в очень небольшом количестве часов с момента его изобретения Харрисоном. Спусковые механизмы «саранча», изготовленные Харрисоном в XVIII веке, до сих пор работают. Большинство спусковых механизмов изнашиваются гораздо быстрее и потребляют гораздо больше энергии. Однако, как и другие ранние спусковые механизмы, «саранча» передает импульс маятнику на протяжении всего цикла; ему никогда не дают качаться свободно, что приводит к ошибкам из-за колебаний силы привода, и часовые мастера XIX века сочли его неконкурентоспособным по сравнению с более отсоединенными механизмами, такими как «дедбит». После двух лет работы, после барометрической коррекции, погрешность составляла всего ±0,5 секунды.

Гравитационный выпуск

Гравитационный спусковой механизм использует небольшой вес или слабую пружину для передачи импульса непосредственно маятнику. Самая ранняя конструкция состояла из двух рычагов, расположенных очень близко к подвесу маятника, по одному с каждой стороны. Каждый рычаг нес небольшой палет с угловой плоскостью, ведущей к нему. Когда маятник поднимал один рычаг достаточно высоко, его палет освобождал спусковое колесо. Почти сразу же другой зуб спускового колеса начинал скользить вверх по наклонной поверхности другого рычага, поднимая его. Он достигал палета и останавливался. В это время другой рычаг оставался в контакте с маятником и опускался ниже начальной точки. Это опускание рычага и обеспечивает импульс маятнику. Конструкция последовательно совершенствовалась с середины XVIII века до середины XIX века. В конечном итоге она стала предпочтительным механизмом для курантов, поскольку их зубчатые передачи подвержены значительным колебаниям приводной силы, вызванным большими внешними стрелками с переменной нагрузкой от ветра, снега и льда. В гравитационном спусковом механизме приводная сила от зубчатой передачи не толкает сам маятник, а лишь возвращает в исходное положение весы, обеспечивающие импульс, поэтому колебания приводной силы на механизм не влияют. "Двойной трехногий гравитационный спусковой механизм", представленный здесь, был впервые разработан юристом по имени Блоксам и позднее усовершенствован лордом Гримторпом. Он является стандартом для всех точных "башенных" часов. На анимации, представленной здесь, два "гравитационных рычага" окрашены в синий и красный цвета. Два трехногих спусковых колеса также окрашены в синий и красный цвета. Они работают в двух параллельных плоскостях, так что синее колесо воздействует только на блокирующий шток синего рычага, а красное колесо – только на красный рычаг. В реальном спусковом механизме эти удары создают громкие слышимые "тики", которые обозначаются звездочкой (*) рядом с блокирующими штокми. Три черных подъемных штифта являются ключевыми для работы механизма. Они поднимают взвешенные гравитационные рычаги на величину, указанную парой параллельных линий по обе стороны механизма. Этот прирост потенциальной энергии и является энергией, передаваемой маятнику при каждом колебании. Для часов Тринити-колледжа Кембриджа масса около 50 грамм поднимается на 3 мм каждые 1,5 секунды, что соответствует мощности 1 мВт. Мощность, создаваемая падающим весом, составляет около 12 мВт, поэтому имеется значительный избыток мощности, используемой для привода механизма. Большая часть этой энергии рассеивается при ускорении и замедлении трения "маховика", прикрепленного к спусковым колесам. Большие часы в башне Элизабет в Вестминстере, которые возвещают о времени Биг-Бена, используют двойной трехногий гравитационный спусковой механизм.

A gravity escapement uses a small weight or a weak spring to give an impulse directly to the pendulum. The earliest form consisted of two arms which were pivoted very close to the suspension spring of the pendulum with one arm on each side of the pendulum. Each arm carried a small deadbeat pallet with an angled plane leading to it. When the pendulum lifted one arm far enough, its pallet would release the escape wheel. Almost immediately, another tooth on the escape wheel would start to slide up the angle face on the other arm thereby lifting the arm. It would reach the pallet and stop. The other arm meanwhile was still in contact with the pendulum and coming down again to a point lower than it had started from. This lowering of the arm provides the impulse to the pendulum. The design was developed steadily from the middle of the 18th century to the middle of the 19th century. It eventually became the escapement of choice for turret clocks, because their wheel trains are subjected to large variations in drive force caused by the large exterior hands, with their varying wind, snow, and ice loads. Since in a gravity escapement, the drive force from the wheel train does not itself impel the pendulum but merely resets the weights that provide the impulse, the escapement is not affected by variations in drive force. The 'Double Three legged Gravity Escapement' shown here is a form of escapement first devised by a barrister named Bloxam and later improved by Lord Grimthorpe. It is the standard for all accurate 'Tower' clocks. In the animation shown here, the two "gravity arms" are coloured blue and red. The two three legged escape wheels are also coloured blue and red. They work in two parallel planes so that the blue wheel only impacts the locking block on the blue arm and the red wheel only impacts the red arm. In a real escapement, these impacts give rise to loud audible "ticks" and these are indicated by the appearance of a * beside the locking blocks. The three black lifting pins are key to the operation of the escapement. They cause the weighted gravity arms to be raised by an amount indicated by the pair of parallel lines on each side of the escapement. This gain in potential energy is the energy given to the pendulum on each cycle. For the Trinity College Cambridge Clock, a mass of around 50 grams is lifted through 3 mm each 1.5 seconds which works out to 1 mW of power. The driving power from the falling weight is about 12 mW, so there is a substantial excess of power used to drive the escapement. Much of this energy is dissipated in the acceleration and deceleration of the frictional "fly" attached to the escape wheels. The great clock in Elizabeth Tower at Westminster that rings London's Big Ben uses a double three legged gravity escapement.

Коаксиальный выпуск

Коаксиальный эскапмент, изобретенный около 1974 года и запатентованный в 1980 году британским часовым мастером Джорджем Дэниелсом, является одним из немногих новых часовых эскапментов, получивших коммерческое применение в современности. Его отдаленные корни можно проследить до эскапмента, изобретенного Робертом Робином около 1792 года, который обеспечивал единичный импульс в одном направлении. Благодаря блокировке, осуществляемой пассивными рычажными поддонами, конструкция коаксиального эскапмента больше напоминает другой вариант эскапмента Робина – эскапмент Фазольда, изобретенный и запатентованный американцем Чарльзом Фазольдом в 1859 году. Эскапменты как Робина, так и Фазольда дают импульс только в одном направлении. Последний эскапмент имеет рычаг с неравномерными выступами, который взаимодействует с двумя колесами разного диаметра. Меньшее импульсное колесо воздействует на единственный поддон на конце рычага, в то время как заостренные рычажные поддоны блокируют большее колесо. Баланс взаимодействует с рычагом и получает импульс через ролик и вилку рычага. Рычажный "якорный" поддон блокирует большее колесо, и после его разблокировки поддон на конце рычага получает импульс от меньшего колеса через вилку рычага. Обратный ход является "мертвым", при этом "якорные" поддоны служат только для блокировки и разблокировки, а импульс передается в одном направлении через единственный рычажный поддон. Как и в случае с дуплексным эскапментом, блокирующее колесо больше, чтобы снизить давление и, следовательно, трение. Однако эскапмент Дэниелса обеспечивает двойной импульс, при этом пассивные рычажные поддоны служат только для блокировки и разблокировки большего колеса. С одной стороны импульс передается посредством меньшего колеса, воздействующего на рычажный поддон через ролик и импульсный штифт. При обратном ходе рычаг снова разблокирует большее колесо, которое передает импульс непосредственно на импульсный ролик балансирного вала. Основное преимущество заключается в том, что это позволяет обоим импульсам происходить на или около центральной линии, с минимальным трением при разъединении в обоих направлениях. Этот способ передачи импульса теоретически превосходит рычажный эскапмент, который имеет трение при входе поддона. Долгое время это признавалось фактором, негативно влияющим на изохронизм баланса. Покупатели больше не приобретают механические часы в первую очередь ради их точности, поэтому производители не проявляли особого интереса к инвестициям в необходимое оборудование, хотя в конечном итоге компания Omega внедрила его в 1990 году. Постоянный эскапмент был разработан Girard-Perregaux в виде рабочих прототипов в 2008 году (тогда главой отдела исследований и разработок Girard-Perregaux был Николас Дехон) и в часах к 2013 году. Ключевым компонентом этого эскапмента является кремниевая изогнутая пластина, которая накапливает упругую энергию. Эта пластина изгибается до точки, близкой к ее неустойчивому состоянию, и освобождается с щелчком при каждом колебании балансирного колеса, чтобы передать колесу импульс, после чего она снова взводится зубчатой передачей. Заявленное преимущество заключается в том, что, поскольку пластина передает колесу одинаковое количество энергии при каждом освобождении, балансирное колесо изолируется от колебаний импульсной силы, вызванных зубчатой передачей и основной пружиной, которые приводят к неточностям в традиционных эскапментах. Parmigiani Fleurier с его эскапментом Genequand и Ulysse Nardin с его эскапментом Ulysse Anchor использовали свойства кремниевых плоских пружин. Независимый часовой мастер De Bethune разработал концепцию, в которой магнит заставляет резонатор вибрировать на высокой частоте, заменяя традиционную спираль баланса.

Invented around 1974 and patented 1980 by British watchmaker George Daniels, the coaxial escapement is one of the few new watch escapements adopted commercially in modern times. It could be regarded as having its distant origins in the escapement invented by Robert Robin, C.1792, which gives a single impulse in one direction; with the locking achieved by passive lever pallets, the design of the coaxial escapement is more akin to that of another Robin variant, the Fasoldt escapement, which was invented and patented by the American Charles Fasoldt in 1859. Both Robin and Fasoldt escapements give impulse in one direction only. The latter escapement has a lever with unequal drops; this engages with two escape wheels of differing diameters. The smaller impulse wheel acts on the single pallet at the end of the lever, whilst the pointed lever pallets lock on the larger wheel. The balance engages with and is impelled by the lever through a roller pin and lever fork. The lever 'anchor' pallet locks the larger wheel and, on this being unlocked, a pallet on the end of the lever is given an impulse by the smaller wheel through the lever fork. The return stroke is 'dead', with the 'anchor' pallets serving only to lock and unlock, impulse being given in one direction through the single lever pallet. As with the duplex, the locking wheel is larger in order to reduce pressure and thus friction. The Daniels escapement, however, achieves a double impulse with passive lever pallets serving only to lock and unlock the larger wheel. On one side, impulse is given by means of the smaller wheel acting on the lever pallet through the roller and impulse pin. On the return, the lever again unlocks the larger wheel, which gives an impulse directly onto an impulse roller on the balance staff. The main advantage is that this enables both impulses to occur on or around the centre line, with disengaging friction in both directions. This mode of impulse is in theory superior to the lever escapement, which has engaging friction on the entry pallet. For long, this was recognized as a disturbing influence on the isochronism of the balance. Purchasers no longer buy mechanical watches primarily for their accuracy, so manufacturers had little interest in investing in the tooling required, although finally, Omega adopted it in 1990. the constant escapement was developed by Girard Perregaux as working prototypes in 2008 (Nicolas Déhon was then head of Girard Perregaux R&D department) and in watches by 2013. The key component of this escapement is a silicon buckled blade which stores elastic energy. This blade is flexed to a point close to its unstable state, and is released with a snap each swing of the balance wheel to give the wheel an impulse, after which it is cocked again by the wheel train. The advantage claimed is that since the blade imparts the same amount of energy to the wheel each release, the balance wheel is isolated from variations in impulse force due to the wheel train and mainspring which cause inaccuracies in conventional escapements. Parmigiani Fleurier with its Genequand escapement and Ulysse Nardin with its Ulysse Anchor escapement have taken advantage of the properties of silicon flat springs. The independent watchmaker, De Bethune, has developed a concept where a magnet makes a resonator vibrate at high frequency, replacing the traditional balance spring.

Электромеханические выходы

В конце XIX века для маятниковых часов были разработаны электромеханические регуляторы хода. В них выключатель или фотоэлемент включал электромагнит на небольшом участке хода маятника. В некоторых часах электрический импульс, поддерживающий колебания маятника, также приводил в движение плунжер для перемещения зубчатой передачи.

Часы Хиппа

В 1843 году Маттеус Хипп впервые упомянул чисто механические часы, приводимые в движение переключателем, называемым "echappement à palette". Различные версии этого механизма использовались с 1860-х годов в электрических маятниковых часах, так называемый "коленный переключатель Хиппа". С 1870-х годов, в усовершенствованной версии, маятник приводил в движение храповое колесо через собачку на маятниковом стержне, а храповое колесо приводило в движение остальной часовой механизм для отображения времени. Маятник не получал импульс при каждом колебании и даже не через определенные промежутки времени. Импульс подавался только тогда, когда амплитуда его колебаний снижалась ниже определенного уровня. Помимо счётной собачки, маятник нес небольшую пластину, известную как переключатель Хиппа, установленную на поворотной оси сверху, которая могла свободно колебаться. Она была расположена таким образом, чтобы скользить по треугольному полированному блоку с V-образным пазом в верхней части. Когда амплитуда колебаний маятника была достаточно большой, пластина пересекала паз и свободно колебалась на другой стороне. Если амплитуда была слишком мала, пластина не покидала дальнюю сторону паза, и при обратном колебании маятника сильно давила на блок вниз. Блок нес контакт, замыкающий цепь электромагнита, который давал импульс маятнику. Маятник получал импульс только по мере необходимости. Этот тип часов широко использовался в качестве эталонных часов в больших зданиях для управления множеством ведомых часов. Большинство телефонных станций использовали такие часы для управления временными событиями, необходимыми для управления установкой и тарификацией телефонных звонков, выдавая импульсы различной длительности, например, каждую секунду, шесть секунд и так далее.

Синхронный переключатель

Разработанные в 1895 году Фрэнком Хоупом Джонсом, переключатель "Синхроном" и гравитационный механизм спуска стали основой для большинства их часов в 20-м веке, а также для рабочего маятника в часах "Синхроном" с коротким свободным маятником. Собирающая планка, прикрепленная к маятнику, перемещает зубчатое колесо с 15 зубьями в одном положении, а храповик предотвращает движение в обратном направлении. На колесе закреплен флажок, который раз в 30 секунд освобождает гравитационный рычаг. Когда гравитационный рычаг падает, он толкает палет, непосредственно прикрепленный к маятнику, придавая ему импульс. После падения рычаг замыкает электрический контакт, который активирует электромагнит для возврата гравитационного рычага в исходное положение и служит полуминутным импульсом для рабочих часов.