Якорьковый спуск в часах с маятником

Введение

Тип механизма, используемого в маятниковых часах

В часовой технике, якорный спуск является типом механизма спуска, используемого в маятниковых часах. Спуск – это механизм в механических часах, который поддерживает колебания маятника, придавая ему небольшой импульс при каждом качании, и позволяет колесам часов продвигаться на фиксированное расстояние с каждым качанием, перемещая часовые стрелки вперед. Спуск получил свое название из-за того, что одна из его основных частей имеет форму, отдаленно напоминающую корабельный якорь. Якорный спуск был изобретен часовщиком Уильямом Клементом, который популяризировал его в своем изобретении – напольных или «дедушкиных» часах – около 1680 года. Изобретение Клемента стало значительным улучшением по сравнению с эскапементом постоянной силы Роберта Гука 1671 года. Самыми старыми известными часами с якорным спуском являются часы колледжа Уэдхем, башенные часы, построенные в колледже Уэдхем, Оксфорд, в 1670 году, предположительно часовщиком Джозефом Ниббом. Якорный спуск стал стандартным механизмом спуска, используемым почти во всех маятниковых часах. Более точная модификация без отдачи, называемая спуском с мертвой точкой, была изобретена Ричардом Таунли примерно в 1675 году и представлена британским часовщиком Джорджем Грэмом около 1715 года. Этот тип спуска постепенно вытеснил обычный якорный спуск и используется в большинстве современных маятниковых часов.

Как это работает

Якорный спуск состоит из двух частей: спускового колеса, представляющего собой вертикальное колесо с заостренными зубьями, напоминающими зубья пилы, и якоря, имеющего приблизительно форму корабельного якоря, который качается вперед и назад на оси прямо над спусковым колесом. На двух плечах якоря расположены изогнутые поверхности, на которые нажимают зубья спускового колеса, называемые паллетами. Центральный вал якоря прикреплен к вилке, толкаемой маятником, поэтому якорь качается вперед и назад, попеременно захватывая и отпуская зуб спускового колеса с каждой стороны. Каждый раз, когда одна паллета отходит от спускового колеса, освобождая зуб, колесо поворачивается, и зуб с другой стороны зацепляется за другую паллету, которая движется к колесу. Инерция маятника продолжает двигать вторую паллету к колесу, отталкивая спусковое колесо назад на некоторое расстояние, пока маятник не меняет направление и паллета не начинает отходить от колеса, при этом зуб скользит по его поверхности, толкая ее. Затем зуб соскальзывает с конца паллеты, и цикл начинается снова. Ни якорный спуск, ни форма с глухим спуска, описанная ниже, не являются самозапускающимися. Маятнику необходимо придать толчок, чтобы запустить их в движение.

Откат

Одно из недостатков анкерного механизма – это обратное движение колеса эвакуации в течение части цикла, называемое откатом. Это приводит к временной реверсии всей зубчатой передачи обратно к ведущему весу с каждым тиком часов, вызывая повышенный износ зубчатой передачи, чрезмерный износ зубьев шестерен и неточность хода. Откат также может приводить к тому, что точки зубьев колеса эвакуации врезаются в поверхность палетов. Чтобы предотвратить это, зубы наклонены назад, против направления вращения, а поверхность палетов слегка выпуклая. Еще одна причина наклона зубьев колеса эвакуации – это мера безопасности. Если часы переместить, не зафиксировав маятник, неконтролируемое колебание маятника может привести к сильному столкновению якорных палетов с колесом эвакуации. Наклонные зубы обеспечивают, чтобы плоские поверхности якорных палетов сначала соприкасались с боковыми сторонами зубьев, защищая хрупкие точки от поломки. Помимо повышения точности благодаря изохронизму, это позволило использовать более длинные маятники с более медленным «боем». Меньшее сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление возрастает пропорционально квадрату скорости, поэтому более быстрый маятник испытывает значительно большее сопротивление) означало, что для поддержания колебаний требуется меньше энергии, что снижало износ механизма часов. Анкер также позволял использовать более тяжелый маятниковый груз при заданной силе привода, делая маятник более независимым от эскапемента (более высокий коэффициент добротности Q) и, следовательно, более точным. Эти длинные маятники требовали высоких и узких корпусов часов. Около 1680 года британский часовщик Уильям Клемент начал продавать первые коммерческие часы с анкерным эскапементом – высокие отдельно стоящие часы с секундными маятниками длиной 1 метр (39 дюймов), помещенные в длинный узкий корпус, который стали называть напольными или «дедушкиными» часами. Анкер настолько повысил точность часов, что примерно в 1680–1690 годах использование минутной стрелки, ранее редкость, стало нормой. Анкерный эскапемент заменил волосковый эскапемент в маятниковых часах примерно за пятьдесят лет, хотя французские часовщики продолжали использовать волосковые эскапементы примерно до 1800 года. Многие часы с волосковым эскапементом были переделаны с использованием анкерного. В XVIII веке более точная форма эскапемента – глухой спуск – заменила анкер в прецизионных регуляторах, но анкер оставался основным эскапементом в домашних маятниковых часах. В XIX веке глухой спуск постепенно стал использоваться в большинстве качественных часов, но анкерный эскапемент до сих пор применяется в некоторых маятниковых часах. Однако он был фактически изобретен около 1675 года астрономом Ричардом Таунли и впервые использован наставником Грэхема, Томасом Томпионом, в часах, изготовленных для сэра Джонаса Мура, а также в двух прецизионных регуляторах, которые он изготовил для новой Гринвичской обсерватории в 1676 году, что упоминается в переписке между королевским астрономом Джоном Флемстидом и Таунли. Глухой спуск анкерного эскапемента менее терпим к неточностям при изготовлении или износу в процессе эксплуатации и изначально использовался только в прецизионных часах, но его применение распространилось в XIX веке на большинство качественных маятниковых часов. Почти все современные маятниковые часы используют именно его.

The backward motion of the escape wheel during part of the cycle, called recoil, is one of the disadvantages of the anchor escapement. It results in a temporary reversal of the entire wheel train back to the driving weight with each tick of the clock, causing extra wear in the wheel train, excessive wear to the gear teeth, and inaccuracy. It can also cause the points of the escape wheel teeth to dig into the pallet surface. The teeth are slanted backward, opposite the direction of rotation, and the surface of the pallets is slightly convex, to prevent this. Another reason the escape wheel teeth are slanted backward is as a safety measure. If the clock is moved without immobilising the pendulum, the uncontrolled swinging of the pendulum can cause the anchor pallets to collide violently with the escape wheel. The slanted teeth ensure that the flat faces of the anchor pallets hit the sides of the teeth first, protecting the delicate points from being broken. In addition to the improved accuracy due to isochronism, this allowed clocks to use longer pendulums, which had a slower 'beat'. Lower air drag (aerodynamic drag rises with the square of speed, so a faster pendulum experiences greatly increased drag) meant they needed less power to keep swinging, and caused less wear on the clock's movement. The anchor also allowed the use of a heavier pendulum bob for a given drive force, making the pendulum more independent of the escapement (higher Q), and thus more accurate. These long pendulums required long narrow clock cases. Around 1680 British clockmaker William Clement began selling the first commercial clocks to use the anchor escapement, tall freestanding clocks with 1 meter (39 inch) seconds pendulums contained inside a long narrow clock case that came to be called longcase or 'grandfather' clocks. The anchor increased the accuracy of clocks so much that around 1680–1690 the use of the minute hand, formerly the exception in clocks, became the rule. The anchor escapement replaced the verge in pendulum clocks within about fifty years, although French clockmakers continued to use verges until about 1800. Many verge clocks were rebuilt with anchors. In the 18th century the more accurate deadbeat form of the escapement replaced the anchor in precision regulators, but the anchor remained the workhorse in home pendulum clocks. During the 19th century the deadbeat form gradually took over in most quality clocks, but the anchor form is still used in a few pendulum clocks today. However it was actually invented around 1675 by astronomer Richard Towneley, and first used by Graham's mentor Thomas Tompion in a clock built for Sir Jonas Moore, and in the two precision regulators he made for the new Greenwich Observatory in 1676, mentioned in correspondence between Astronomer Royal John Flamsteed and Towneley. The deadbeat form of the anchor escapement is less tolerant to inaccuracy in its manufacture or wear during operation and was initially used only in precision clocks, but its use spread during the 19th century to most quality pendulum clocks. Almost all pendulum clocks made today use it.

Как это работает

У механизма свободного хода два типа поверхностей поддонов: "замыкающая", или "мертвая" поверхность с изогнутой поверхностью, концентричной с осью вращения якоря, и наклонная "импульсная" поверхность. Конструкция была бы оптимальной, если бы зубья колеса спуска были бы расположены точно на углу между этими двумя поверхностями поддонов, однако для надежной работы механизма зубья должны заходить за этот угол, опираясь на "мертвую" поверхность.

Сравнение движения в якоре и мертвом ритме

Основная причина ошибок в часах — это изменения в силе, передаваемой на спусковой механизм, вызванные небольшими изменениями трения в шестернях или палетах, либо уменьшением силы основной пружины по мере ее размотки. Спусковой механизм, в котором изменения силы не влияют на ход, называется изохронным. Превосходные характеристики дедбита по сравнению с якорным механизмом обусловлены улучшенным изохронизмом. Это связано с тем, как изменения силы влияют на колебания маятника в этих двух механизмах: в якорном спусковом механизме увеличение силы приводит к более быстрому колебанию маятника вперед и назад, но незначительно увеличивает амплитуду колебаний, то есть длину хода маятника. Увеличение силы зуба колеса на палете во время фазы отката цикла имеет тенденцию уменьшать ход маятника, в то время как сила зуба во время фазы импульса вперед имеет тенденцию увеличивать ход маятника. Эти эффекты, как правило, компенсируют друг друга, оставляя ход неизменным. Однако оба этих эффекта уменьшают время колебания. Иными словами, увеличенная сила толкает маятник вперед и назад по фиксированной дуге быстрее. В дедбите отката нет, и увеличение силы приводит к колебанию маятника не только быстрее, но и по более широкой дуге. Время, необходимое для преодоления этого дополнительного расстояния, точно компенсирует увеличение скорости маятника, оставляя период колебания неизменным. Однако более широкий ход вызывает небольшое увеличение периода из-за круговой погрешности. Для бытовых часов этот эффект незначителен, но он является ограничением точности, которой можно достичь с помощью прецизионных регуляторных часов с дедбитным спусковым механизмом. Когда дедбит был изобретен, часовщики первоначально считали, что его изохронизм хуже, чем у якорного механизма, из-за большего влияния изменений силы на амплитуду маятника. Это подтверждается, по крайней мере, одним современным экспериментом.