Балансовое колесо: устройство для измерения времени.

Введение

Устройство измерения времени

Балансовое колесо, или баланс, – это устройство измерения времени, используемое в механических часах и небольших часах, аналогичное маятнику в маятниковых часах. Это колесо с грузом, которое вращается вперед и назад, возвращаясь к своему центральному положению под действием спиральной пружины кручения, известной как балансовая пружина или спираль. Оно приводится в движение спусковым механизмом, который преобразует вращательное движение часового механизма в импульсы, передаваемые балансовому колесу. Каждое колебание колеса (называемое "тиком" или "ходом") позволяет часовому механизму продвинуться на определенное расстояние, перемещая стрелки вперед. Балансовое колесо и спираль вместе образуют гармонический осциллятор, который благодаря резонансу преимущественно колеблется с определенной частотой – резонансной частотой или "ходом" – и сопротивляется колебаниям с другими частотами. Сочетание массы балансового колеса и упругости спирали обеспечивает постоянство времени между каждым колебанием или "тиком", что объясняет его почти повсеместное использование в качестве регулятора хода в механических часах и по сей день. От момента изобретения в XIV веке и до появления камертонных и кварцевых механизмов в 1960-х годах практически каждое портативное устройство измерения времени использовало ту или иную форму балансового колеса.

Обзор

До 1980-х годов балансовые колеса были технологией измерения времени, используемой в хронометрах, банковских замках, часовых механизмах для боеприпасов, будильниках, кухонных таймерах и секундомерах, но кварцевая технология вытеснила их в этих областях, и основное оставшееся применение – в качественных механических часах. Современные (2007) балансовые колеса обычно изготавливаются из Glucydur, сплава бериллия, меди и железа с низким коэффициентом теплового расширения, с пружинами из сплава с низким коэффициентом упругости, такого как Nivarox. Эти два сплава подбираются таким образом, чтобы их температурные реакции взаимно компенсировались, что обеспечивает еще более низкую температурную погрешность. Колеса шлифуются для уменьшения сопротивления воздуха, а оси опираются на прецизионные подшипники из драгоценных камней. В старых балансовых колесах для регулировки балансировки использовались весовые винты по ободу, но современные колеса балансируются на заводе с помощью компьютера, лазером выжигается точное углубление в ободе для достижения равновесия. Балансовые колеса совершают примерно 1½ оборота при каждом качании, то есть около 270° в каждую сторону от центрального положения равновесия. Частота колебаний балансового колеса регулируется регулятором – рычагом с узкой прорезью на конце, через которую проходит спираль баланса. Это фиксирует часть спирали за прорезью. Перемещая рычаг, прорезь перемещается вверх и вниз по спирали баланса, изменяя ее эффективную длину и, следовательно, частоту собственных колебаний баланса. Поскольку регулятор влияет на действие спирали, хронометры и некоторые прецизионные часы оснащаются балансами со "свободной спиралью", не имеющими регулятора, например, Gyromax. Будильники и кухонные таймеры часто имеют частоту 4 полуколебания в секунду (14 400 полуколебаний в час). Часы, изготовленные до 1970-х годов, обычно имели частоту 5 полуколебаний в секунду (18 000 полуколебаний в час). Современные часы имеют частоты 6 (21 600 полуколебаний в час), 8 (28 800 полуколебаний в час), а некоторые – 10 полуколебаний в секунду (36 000 полуколебаний в час). В настоящее время Audemars Piguet производит часы с очень высокой частотой колебаний баланса – 12 полуколебаний в секунду (43 200 полуколебаний в час). Во время Второй мировой войны компания Elgin выпустила высокоточные секундомеры для экипажей бомбардировщиков ВВС США, работавшие с частотой 40 полуколебаний в секунду (144 000 полуколебаний в час), за что они получили прозвище "Jitterbug". Точность лучших механических часов на запястье составляет около нескольких секунд в день. Самыми точными механическими приборами для измерения времени были морские хронометры, которые использовались на кораблях для небесной навигации в качестве точного источника времени для определения долготы. К началу Второй мировой войны они достигли точности 0,1 секунды в день.

Until the 1980s balance wheels were the timekeeping technology used in chronometers, bank vault time locks, time fuzes for munitions, alarm clocks, kitchen timers and stopwatches, but quartz technology has taken over these applications, and the main remaining use is in quality mechanical watches. Modern (2007) watch balance wheels are usually made of Glucydur, a low thermal expansion alloy of beryllium, copper and iron, with springs of a low thermal coefficient of elasticity alloy such as Nivarox. The two alloys are matched so their residual temperature responses cancel out, resulting in even lower temperature error. The wheels are smooth, to reduce air friction, and the pivots are supported on precision jewel bearings. Older balance wheels used weight screws around the rim to adjust the poise (balance), but modern wheels are computer poised at the factory, using a laser to burn a precise pit in the rim to make them balanced. Balance wheels rotate about 1½ turns with each swing, that is, about 270° to each side of their center equilibrium position. The rate of the balance wheel is adjusted with the regulator, a lever with a narrow slit on the end through which the balance spring passes. This holds the part of the spring behind the slit stationary. Moving the lever slides the slit up and down the balance spring, changing its effective length, and thus the resonant vibration rate of the balance. Since the regulator interferes with the spring's action, chronometers and some precision watches have ‘free sprung’ balances with no regulator, such as the Gyromax. Alarm clocks and kitchen timers often have a rate of 4 beats per second (14,400 BPH). Watches made prior to the 1970s usually had a rate of 5 beats per second (18,000 BPH). Current watches have rates of 6 (21,600 BPH), 8 (28,800 BPH) and a few have 10 beats per second (36,000 BPH). Audemars Piguet currently produces a watch with a very high balance vibration rate of 12 beats/s (43,200 BPH). During World War II, Elgin produced a very precise stopwatch for US Air Force bomber crews that ran at 40 beats per second (144,000 BPH), earning it the nickname 'Jitterbug'. The precision of the best balance wheel watches on the wrist is around a few seconds per day. The most accurate balance wheel timepieces made were marine chronometers, which were used on ships for celestial navigation, as a precise time source to determine longitude. By World War II they had achieved accuracies of 0.1 second per day.

История

Балансовое колесо появилось вместе с первыми механическими часами в Европе в XIV веке, но точное время и место его первого применения остаются неизвестными. Оно является усовершенствованной версией фолиота – раннего инерционного регулятора, состоящего из прямой планки, вращающейся вокруг центральной оси с грузами на концах, которая совершает колебательные движения. Грузы фолиота можно было перемещать вдоль планки, чтобы регулировать ход часов. Первые часы в Северной Европе использовали фолиоты, а в Южной – балансовые колеса. С уменьшением размеров часов, начиная с напольных и фонарных часов, а затем и первых крупных карманных часов после 1500 года, балансовые колеса стали заменять фолиоты. Поскольку большая часть массы балансового колеса сосредоточена на ободе, удаленном от оси, оно могло иметь больший момент инерции, чем фолиот аналогичного размера, и обеспечивать более точный ход. Кроме того, колесо имело меньшее сопротивление воздуха, а его геометрия частично компенсировала погрешность, вызванную тепловым расширением при изменении температуры.

Добавление балансовой пружины

Эти ранние балансовые колеса были несовершенными регуляторами хода, поскольку им не хватало другого важнейшего элемента: балансовой пружины. Ранние балансовые колеса толкались в одном направлении спусковым механизмом, пока флажок, контактировавший с зубцом спускового колеса, не соскальзывал с его вершины ("сходил") и действие спускового механизма не менялось на обратное, толкая колесо в другую сторону. В таком "инерционном" колесе ускорение пропорционально движущей силе. В часах без балансовой пружины движущая сила обеспечивала как ускорение колеса, так и его замедление и разворот. Если увеличить движущую силу, то увеличится и ускорение, и замедление, что приведет к более быстрому колебанию колеса. Это делало точность хода сильно зависимой от силы, прикладываемой спусковым механизмом. В часах движущая сила, передаваемая от основной пружины через часовой механизм к спусковому механизму, уменьшалась по мере раскручивания основной пружины в течение хода часов. Без какого-либо способа выравнивания движущей силы часы замедлялись в период между заводами по мере ослабления пружины, что приводило к потере времени. Именно поэтому всем часам, предшествовавшим балансовой пружине, требовались дифференциалы (или в редких случаях – стекфриды) для выравнивания силы основной пружины, достигающей спускового механизма, чтобы добиться даже минимальной точности. Даже с этими устройствами часы до появления балансовой пружины были очень неточными. Идея балансовой пружины была вдохновлена наблюдениями за тем, что упругие ограничители из щетины кабана, добавленные для ограничения вращения колеса, повышали его точность. Роберт Гук впервые применил металлическую пружину к балансу в 1658 году, а Жан де Готефуй и Христиан Гюйгенс усовершенствовали ее до современной спиральной формы в 1674 году. Добавление пружины превратило балансовое колесо в гармонический осциллятор, основу всех современных часов. Это означает, что колесо колебалось с естественной резонансной частотой или "биением" и сопротивлялось изменениям частоты колебаний, вызванным трением или изменением движущей силы. Это важнейшее нововведение значительно повысило точность часов – с нескольких часов в день до, возможно, 10 минут в день, превратив их из дорогих диковинок в полезные приборы для измерения времени.

These early balance wheels were crude timekeepers because they lacked the other essential element: the balance spring. Early balance wheels were pushed in one direction by the escapement until the verge flag that was in contact with a tooth on the escape wheel slipped past the tip of the tooth ("escaped") and the action of the escapement reversed, pushing the wheel back the other way. In such an "inertial" wheel, the acceleration is proportional to the drive force. In a clock or watch without balance spring, the drive force provides both the force that accelerates the wheel and also the force that slows it down and reverses it. If the drive force is increased, both acceleration and deceleration are increased, this results in the wheel getting pushed back and forth faster. This made the timekeeping strongly dependent on the force applied by the escapement. In a watch the drive force provided by the mainspring, applied to the escapement through the timepiece's gear train, declined during the watch's running period as the mainspring unwound. Without some means of equalizing the drive force, the watch slowed down during the running period between windings as the spring lost force, causing it to lose time. This is why all pre balance spring watches required fusees (or in a few cases stackfreeds) to equalize the force from the mainspring reaching the escapement, to achieve even minimal accuracy. Even with these devices, watches prior to the balance spring were very inaccurate. The idea of the balance spring was inspired by observations that springy hog bristle curbs, added to limit the rotation of the wheel, increased its accuracy. Robert Hooke first applied a metal spring to the balance in 1658 and Jean de Hautefeuille and Christiaan Huygens improved it to its present spiral form in 1674. The addition of the spring made the balance wheel a harmonic oscillator, the basis of every modern clock. This means the wheel vibrated at a natural resonant frequency or ‘beat’ and resisted changes in its vibration rate caused by friction or changing drive force. This crucial innovation greatly increased the accuracy of watches, from several hours per day to perhaps 10 minutes per day, changing them from expensive novelties into useful timekeepers.

Ошибка температуры

После добавления балансовой пружины основным источником неточности оставалось влияние изменений температуры. В ранних часах балансовые пружины делались из обычной стали, а балансы – из латуни или стали, и влияние температуры на эти материалы заметно сказывалось на точности хода. Повышение температуры увеличивает размеры балансовой пружины и баланса из-за теплового расширения. Прочность пружины, то есть восстанавливающая сила, которую она создает при деформации, пропорциональна её ширине и кубу толщины, и обратно пропорциональна длине. Если бы температура влияла только на физические размеры, повышение температуры фактически усилило бы пружину. Однако гораздо более значительный эффект в балансовой пружине из обычной стали заключается в том, что эластичность металла пружины значительно снижается с повышением температуры, в результате чего пружина из обычной стали становится слабее при нагревании. Повышение температуры также увеличивает диаметр стального или латунного балансового колеса, увеличивая его момент инерции и затрудняя ускорение со стороны балансовой пружины. Два эффекта повышения температуры – изменение физических размеров пружины и баланса, а также усиление пружины и увеличение момента инерции баланса – оказывают противоположное воздействие и в некоторой степени компенсируют друг друга. Основным влиянием температуры на точность хода часов является ослабление балансовой пружины при повышении температуры. В часах, не компенсированных на температурное воздействие, ослабленной пружине требуется больше времени, чтобы вернуть балансовое колесо к центральному положению, из-за чего ход замедляется и часы отстают. Фердинанд Бертхуд обнаружил в 1773 году, что обычный латунный баланс и стальная спираль, подвергнутые повышению температуры на 60 °F (33 °C), отстают на 393 секунды (6 ½ минуты) в день, из которых 312 секунд обусловлены снижением эластичности спирали.

Весы с температурной компенсацией

Необходимость в точных часах для небесной навигации во время морских путешествий стимулировала множество усовершенствований в технологии баланса в 18-м веке в Великобритании и Франции. Даже ошибка в 1 секунду в сутки в морском хронометре могла привести к ошибке в определении местоположения корабля в 27 километров после двухмесячного плавания. Джон Харрисон первым применил температурную компенсацию к балансовому колесу в 1753 году, используя биметаллический «компенсационный ограничитель» на спирали в первых успешных морских хронометрах H4 и H5. Они достигали точности в доли секунды в день. Ключевым было заставить балансовое колесо изменять размер с изменением температуры. Если бы можно было добиться уменьшения диаметра баланса при нагревании, то уменьшение момента инерции компенсировало бы ослабление спирали баланса, поддерживая постоянный период колебаний. Для этого внешний обод баланса изготавливался в виде «сэндвича» из двух металлов: внутренний слой из стали, соединенный с внешним слоем из латуни. Полосы этой биметаллической конструкции изгибаются в сторону стали при нагревании, поскольку тепловое расширение латуни больше, чем у стали. Обод был разрезан в двух точках рядом со спицами колеса, поэтому он напоминал форму буквы S (см. рисунок) с двумя круговыми биметаллическими «плечами». Эти колеса иногда называют «Z-образными балансами». Повышение температуры заставляет плечи изгибаться внутрь к центру колеса, а смещение массы внутрь уменьшает момент инерции баланса, подобно тому, как фигуристка, вращаясь, может уменьшить свой момент инерции, прижимая руки к телу. Это уменьшение момента инерции компенсировало снижение крутящего момента, создаваемого ослабленной спиралью баланса. Величина компенсации регулируется подвижными грузами на плечах. Морские хронометры с таким типом баланса имели погрешность всего в 3–4 секунды в сутки в широком диапазоне температур. К 1870-м годам компенсированные балансы начали использоваться в часах.

Ошибка средней температуры

Стандартный баланс компенсации Эрншоу значительно уменьшил погрешность, вызванную колебаниями температуры, но не устранил её полностью. Как впервые описал Дж. Г. Ульрих, компенсированный баланс, отрегулированный для точного хода при заданной низкой и высокой температуре, будет спешить на несколько секунд в день при промежуточных температурах. Это происходит потому, что момент инерции баланса изменяется пропорционально квадрату радиуса компенсационных плеч, а следовательно, и температуры. Однако упругость спирали изменяется линейно с температурой. Для смягчения этой проблемы производители хронометров использовали различные схемы "дополнительной компенсации", которые снижали погрешность до 1 секунды в день. Эти схемы, например, включали небольшие биметаллические пластины, прикрепленные к внутренней стороне балансового колеса. Эти компенсаторы могли изгибаться только в одном направлении – к центру колеса, а изгиб наружу блокировался самим колесом. Заблокированное движение создавало нелинейную температурную зависимость, которая могла несколько лучше компенсировать изменения упругости спирали. Большинство хронометров, занявших первые места в ежегодных испытаниях Гринвичской обсерватории в период с 1850 по 1914 год, использовали схемы дополнительной компенсации. Дополнительная компенсация никогда не применялась в часах из-за своей сложности.