Механизмы часов: история и устройство

Введение

Механизм часов

Часовой механизм относится к внутреннему устройству механических устройств, называемых часами и наручными часами (где он также называется движением), или других механизмов, работающих аналогичным образом, с использованием серии шестерен, приводимых в движение пружиной или грузом. Часовой механизм часто приводится в действие часовым мотором, состоящим из основной пружины – спиральной торсионной пружины из металлической ленты. Энергия запасается в основной пружине вручную путем ее завода, вращения ключа, прикрепленного к храповому механизму, который сильнее скручивает пружину. Затем сила основной пружины приводит в движение шестерни часового механизма, пока запасенная энергия не будет исчерпана. Прилагательные "с заводом" и "пружинный" относятся к устройствам с часовым механизмом, таким как часы и наручные часы, кухонные таймеры, музыкальные шкатулки и заводные игрушки.

История

Самый ранний известный пример часового механизма — механизм Антикитеры, аналоговый компьютер I века до н.э., в некоторой степени напоминающий астролябию, предназначенный для вычисления астрономических положений и затмений, поднятый с затонувшего греческого корабля. Существует множество других упоминаний о часовых механизмах в Древней Греции, даже в её мифологии, и сам механизм достаточно сложен, чтобы свидетельствовать о значительной истории предшествующих, менее совершенных устройств. В какой-то момент этот уровень сложности в часовой технике был утрачен или забыт в Европе и возродился лишь после того, как был принесён из исламского мира после крестовых походов, вместе с другими знаниями, способствовавшими Ренессансу. К XIV веку часовой механизм вновь достиг уровня технологий, существовавших до римской эпохи. Как и в греческой мифологии, в легендах других культур встречаются амбициозные заявления об автоматизации. Например, в еврейской легенде Соломон использовал свою мудрость для создания трона с механическими животными, приветствовавшими его как царя при восхождении на него; когда он садился, орёл возлагал корону на его голову, а голубь приносил свиток Торы. Говорят также, что когда царь Соломон восседал на трон, приводился в действие механизм. Едва он ступил на первую ступень, золотой бык и золотой лев вытягивали по одной ноге, чтобы поддержать его и помочь подняться на следующую ступень. С каждой стороны животные помогали царю, пока он удобно не устраивался на троне. В древнем Китае любопытное описание автоматизации можно найти в тексте «Ли Цзы», написанном в III веке до н.э. В нём содержится описание более ранней встречи между царём Му из Чжоу (1023–957 гг. до н.э.) и инженером-механиком по имени Ян Ши, «мастером-ремесленником». Последний с гордостью представил царю фигуру в натуральную величину, человеческой формы, созданную его искусством:

Царь с изумлением смотрел на фигуру. Она шла быстрыми шагами, поднимая и опуская голову, так что любой мог бы принять её за живого человека. Мастер прикоснулся к её подбородку, и она запела, идеально попадая в тон. Он прикоснулся к её руке, и она начала жестикулировать, выдерживая идеальный ритм. Когда представление подходило к концу, робот подмигнул и начал ухаживать за присутствующими дамами, после чего царь пришёл в ярость и приказал бы немедленно казнить Ян Ши, если бы последний, в смертельном страхе, не разобрал робота на части, чтобы показать ему, из чего он сделан. И действительно, оказалось, что это всего лишь конструкция из кожи, дерева, клея и лака, окрашенных в различные цвета: белый, чёрный, красный и синий. Внимательно изучив её, царь обнаружил, что все внутренние органы — печень, желчный пузырь, сердце, лёгкие, селезёнка, почки, желудок и кишечник — были полностью воссозданы, а над ними — мышцы, кости и конечности с суставами, кожа, зубы и волосы, всё искусственное. Царь испытал, что произойдёт, если удалить сердце, и обнаружил, что рот больше не может говорить; он убрал печень, и глаза перестали видеть; он убрал почки, и ноги потеряли способность двигаться. Царь был в восторге. Другие известные примеры включают голубя Архита, упомянутого Авла Геллием. Подобные китайские рассказы о летающих автоматах встречаются в трудах философа Мо-цзы V века до н.э. и его современника Лу Баня, который, согласно «Хань Фэй Цзы» и другим текстам, создал искусственных деревянных птиц (ма юань), способных успешно летать. К XI веку часовые механизмы использовались как для измерения времени, так и для отслеживания астрономических событий в Европе. Часы не отличались высокой точностью по современным стандартам, но астрономические приборы тщательно использовались для предсказания положения планет и других небесных явлений. Та же временная шкала, по-видимому, применима и в Европе, где к тому времени в часах использовались механические спусковые механизмы. До XV века часовые механизмы приводились в движение водой, грузами или другими, относительно примитивными средствами, но в 1430 году Филиппу Доброму, герцогу Бургундскому, были подарены часы, работающие на пружине. Это стало стандартной технологией наряду с механизмами, приводимыми в движение грузами. В середине XVI века Христиан Гюйгенс развил идею Галилео Галилея и создал первый современный маятниковый механизм. Однако, в то время как пружина или груз обеспечивали движущую силу, маятник лишь контролировал скорость высвобождения этой силы посредством спускового механизма с регулируемой частотой. В коллекции Смитсоновского института находится часовой механизм монаха, высотой около , возможно, датируемый 1560 годом. Монах приводится в движение пружиной с ручным заводом и ходит по квадрату, ударяя себя правой рукой в грудь, поднимая и опуская небольшой деревянный крест и чётки в левой руке, поворачивая и кивая головой, вращая глазами и беззвучно произнося молитвы. Время от времени он подносит крест к губам и целует его. Считается, что монах был изготовлен Хуанело Турриано, механиком императора Священной Римской империи Карла V.

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.

Обзор

Часто энергия для устройства накапливается внутри него с помощью заводного механизма, который создает механическое напряжение в накопителе энергии, таком как главная пружина, что требует использования спускового механизма. В других случаях может использоваться ручной привод. Типичным является применение колес, соединенных трением или зубчатыми передачами, для изменения направления движения или увеличения скорости или крутящего момента. Многие часовые механизмы создавались прежде всего как демонстрация механической изобретательности в этой области, явная или скрытая. Иногда часы и механизмы отсчета времени используются для подрыва взрывчатых веществ, таймеров, сигнализаций и множества других устройств.

Примеры

Наиболее распространенными примерами являются механические часы и часы. Другие виды использования, большинство, но не все из которых устарели, включают:
Игрушки с заводным механизмом – часто в качестве простого механического двигателя или для создания автоматов. Они могут быть с заводной ключом, как у многих моделей поездов XX века, или с более простым механизмом отката назад. В большинстве фотоаппаратов с затвором-лепестком используется часовой механизм, похожий на механизм наручных часов, для синхронизации открытия и закрытия лепестков затвора. Механизмы для вращения линз маяков до появления электродвигателей. Механические калькуляторы, использовавшиеся до того, как в 1970-х годах стали доступны небольшие электронные калькуляторы. Относительно небольшие калькуляторы использовались, например, для финансовых расчетов компаний. Механические компьютеры, значительно более сложные и крупные, чем механические калькуляторы, такие как дифференциальная и аналитическая машины Бэббиджа. Астрономические модели, такие как оррери, история которых насчитывает сотни лет. Музыкальные шкатулки, которые были очень популярны в XIX и начале XX веков. Почти все проигрыватели музыкальных пластинок (фонографы, грамофоны), созданные до 1930-х годов. Электрическое оборудование с ручным приводом, такое как часовое радио, где пружина, накапливающая энергию и составляющая большую часть размера и веса устройства, вращает гораздо меньший электрический генератор; такое оборудование особенно популярно в местах, где батареи и электросеть ограничены.