ЧАСЫ

ЧАСЫ прибор для измерения текущего
времени (в секундах, минутах, часах). Ч. относятся к категории "приборов
времени", куда входят также хронометр, секундомер, таймер, реле времени
и
комбинированные приборы, напр. Ч. с секундомером. Для измерения времени
можно использовать равномерное поступат. или вращат. движение и периодич.
колебания; мерилом времени в этих случаях будет соответственно пройденный
путь (или перемещение), угол поворота или число колебаний.Первым устройством,
с помощью к-рого человек измерял время, были солнечные Ч. Уже в сер. 3-го
тысячелетия до н. э. в качестве простейших Ч. использовался гномон.

Рис. 1. Солнечные часы: а - горизонтальные;
6
- вертикальные; / - стержень (пластина), тень от к-рого служит указателем
времени на циферблате 2.

Рис. 2. Клепсидра (водяные часы): а
-
внешний вид; 6 - разрез; / - трубка подачи воды из постороннего
источника; 2 фигура, из глаз к-рой вода капля за каплей равномерно
поступает по трубке 3 в резервуар 4;
5 - пробка с укреплённой
на ней фигурой 6, показывающей па·· дочкой время на цилиндрическом
циферблате 7; 8 - трубка сифона, по к-рой в конце суток вода вытекает
из наполненного резервуара 4, поворачивая цилиндр 7 вокруг вертикальной
оси на 1/365 часть окружности.

В Др. Египте и Греции время отсчитывали
по солнечным Ч. с горизонтальными или вертикальными циферблатами (рис.
1). В Самарканде в 1-й пол. 15 в.
Улугбек
построил солнечные Ч.
высотой ок. 50 м. В ср. века в Европе значительное распространение
получили Ч. с вертикальным циферблатом. Такие Ч., напр., сохранились в
Москве на здании Историко-архивного ин-та и старом здании МГУ. Наряду с
солнечными Ч. уже во 2-м и 1-м тыс. до н. э. в Индии, Египте, Китае и Греции
строились водяные Ч., к-рые показывали время и днём, и ночью. Простейшие
водяные Ч. представляли собой сосуд со шкалой, проградуированной в единицах
времени. В сосуд капля за каплей поступала вода из наполненного до краёв
(из внеш. источника) резервуара. Постоянство давления воды в резервуаре
обеспечивало равномерное наполнение сосуда и равномерное повышение уровня
воды в нём, отмечаемое по шкале. Ок. 150 до н. э. Ктесибий создал
водяные Ч. (рис. 2), ставшие прототипом Ч., к-рые применялись во MH. странах
вплоть до 18 в. Равномерное движение положено в основу функционирования
и нек-рых др. типов Ч., в т. ч. песочных.

Первое упоминание о механических Ч.
содержится в византийской антологии (кон. 6 в.). Одни историки приписывают
изобретение механич. Ч. Пацификусу из Вероны (нач. 9 в.), другие - монаху
Герберту (впоследствии папа Сильвестр II), якобы в 996 сделавшему гиревые
башенные Ч. для г. Магдебурга, к-рые не были механическими Ч. в совр. понимании.
Скорее всего это были водяные Ч. с использованием механизмов для приведения
в действие дополнит, устройств, напр, механизма боя Ч., но не отсчёта времени.
Достоверно известно, что простые по конструкции механич. башенные Ч. были
построены в Милане в 1335; в 1348-64 Донди в Италии создал Ч., к-рые наряду
с отсчётом времени воспроизводили движение Солнца, Луны и пяти планет;
в 1354 были установлены Ч. Страсбургского собора с курантами, календарём
и движущимися фигурами. В России первые башенные Ч. были сделаны в 1404
в Моск. Кремле монахом Лазарем Сербиным; они имели гиревые двигатели, механизм
боя, планетарный механизм. В 15-17 вв. башенные Ч. начали устанавливать
во MH. городах России.

В 14 в. появились первые механич. Ч.
со шпиндельным спуском (рис. 3). По сравнению с водяными Ч. шпиндельные
Ч. были более совершенными, но всё же точность их хода не превышала 0,5
ч
в
сутки; до 16 в. они имели одну лишь часовую стрелку.

Рис. 3. Шпиндельный спуск: / - шпиндель;
2 - грузы шпинделя; 3, 4 - палеты; 5 - спусковое колесо;
6-
триб.

Ок. 1510 нюрнбергский механик П. Хенлейн
впервые применил вместо гирь стальную пружину и создал карманные Ч. со
шпиндельным механизмом. Из-за несовершенства пружин и самого шпиндельного
механизма, не имеющего собственного периода колебаний, показания этих Ч.
сильно зависели от степени заводки пружины. В 1525 Я. Цех из Праги предложил
фузею, или улитку,- приспособление для выравнивания усилия пружины во времени,
что позволило повысить точность пружинных Ч. Шпиндельные Ч., хотя и имели
невысокую точность, отличались высокой надёжностью и просуществовали до
конца 19 в.

Огромное значение для повышения точности
Ч. имело открытие Г. Галилеем изохронности малых колебаний
маятника,
т.
е. независимости периода его колебаний от амплитуды. Галилей ок. 1640 предложил
новый спусковой механизм, напоминающий совр. хронометровый, но его идея
не получила практич. воплощения. Изобретателем совр. механических Ч. по
праву считается X. Гюйгенс, к-рый в 1657 применил маятник в качестве
регулятора Ч. Маятниковые Ч. даже с несовершенным шпиндельным механизмом
позволили снизить погрешность за сутки до 5-10 сек.
В 1675 англ,
часовщик У. Клемент предложил заменить шпиндельный механизм на к р ю ч
к о в ы й, представляющий собой простейшую разновидность анкерного спускового
механизма (см. Анкер). Такой механизм сохранился до наших дней в
простейших маятниковых Ч. типа ходиков (рис. 4). Новый шаг в совершенствовании
Ч. связан с именем англичанина Дж. Грагама, к-рый изобрёл несвободный анкерный
механизм, имеющий значительно меньшие потери энергии, чем крючковый механизм
Клемента. В 1675 Гюйгенс предложил в качестве регулятора колебаний использовать
систему "баланс - спираль". Баланс - это колесо с массивным металлическим
(обычно латунным) ободом, укреплённое на стальной оси; спираль - тонкая
пружина, один конец к-рой крепится к оси баланса, а другой - к неподвижной
опоре. Выведенная из состояния покоя система "баланс - спираль" совершает
колебания вокруг своей оси; момент инерции баланса и жёсткость спирали
определяют период колебаний системы. Такая колебат. система обладает собств.
периодом колебаний; она достаточно надёжна при переноске и транспортировке
Ч. В связи с применением балансового регулятора в Ч. с пружинным двигателем
потребовалось дальнейшее совершенствование спусковых механизмов. До кон.
19 в. в карманных Ч. широко применялся изобретённый Грагамом в нач. 18
в. цилиндровый механизм. Со 2-й пол. 19 в. получил распространение свободный
анкерный механизм, до сего времени применяющийся во всех переносных, в
т. ч. наручных и карманных, Ч. В связи с повышением точности часовых механизмов
в кон. 17 в. в карманных Ч. устанавливают минутные стрелки, а примерно
с 1760 в Ч. стали применять секундные стрелки.

Значит, влияние на точность хода маятниковых,
особенно балансовых, Ч. оказывает изменение темп-ры окружающей среды. Погрешность
хода маятниковых Ч. за сутки при изменении темп-ры на 1°С за счёт изменения
длины маятника при стальном стержне составляет 0,5, а при деревянном -
0,2 сек;
для балансовых Ч. со стальной спиралью ок. 11 сек, в
основном за счёт изменения её жёсткости. В сер. 18 в. было создано неск.
типов маятников, температурная погрешность к-рых устранялась методом компенсации.
Температурная компенсация балансового регулятора, основанная на применении
биметалла, была предложена в 1761 франц. часовым мастером П. Леруа. Такие
балансы с компенсационными грузами по ободу применяются в современных мор.
хронометрах. Рус. механик И, П.
Кулибин
в кон. 18 в. предложил оригинальную
конструкцию биметаллич. баланса. В кон. 19 - нач. 20 вв. швейц. физик TTT.
Э. Гильом создал материалы с близким к нулю коэфф. линейного расширения
(для маятников) - инвар,
и с миним. значением термоэластич. коэфф.
(для часовых спиралей) -
элинвар.
Использование этих материалов
в Ч. в сочетании с компенсационными устройствами практически устранило
температурные воздействия на ход механич. Ч. Так, напр., Ч. с маятником
из инвара даже без компенсац. устройства имеют температурную погрешность
хо.г.а за сутки менее 0,05 сек на 1 ⁰C, а наручные Ч.
со спиралью из элинвара - менее 0,5 сек, что вполне удовлетворяет
требованиям, предъявляемым к Ч. широкого потребления.

Рис. 4. Схема механизма маятниковых
часов с крючковым спуском: 1 - поводок; 2 - ось скобы; 3
- скоба; 4 - спусковое колесо; 5 - основная колёсная передача;
6
-
колёсная передача стрелок; 7 - стрелки; 8 - гиревой привод;
9
- маятник.

В России в 18 в. над совершенствованием
Ч., в частности спускового механизма и способов температурной компенсации,
работали выдающиеся механики Кулибин, T. И. Волосков, инженер Л. Сабакин.
Кулнбин создал ряд уникальных Ч., BT. ч. хранящиеся в Эрмитаже Ч. в форме
яйца, с фигурами, автоматически выполняющими во время боя сложные движения;
карманные планетарные Ч. с семью стрелками, показывающими часы, минуты,
секунды, дни недели, месяцы, фазы Луны, восход и заход Солнца. В 19 в.
в России успешно работали над совершенствованием Ч. механики Д. И. Толстой,
И. П. Носов; часовщики братья И. H. и H. H. Бутеноп в 1851-52 полностью
реконструировали куранты Спасской башни Моск. Кремля (см. Кремлёвские
куранты).

По назначению Ч. можно разделить (условно)
на бытовые и специальные.

В зависимости от условий использования
различают бытовые Ч. наручные, карманные, настольные, пастенные, уличные,
башенные. В зависимости от назначения выделяют специализированные Ч. для
подводного плавания, дорожные, антимагнитные и др. Имеется большая группа
Ч. специального, служебного назначения: сигнальные, табельные, процедурные,
программные и др. По типу колебат. систем, используемых в совр. Ч., различают
маятниковые, балансовые, камертонные, кварцевые и квантовые часы. Поскольку
в Ч. поддержание колебаний и индикация могут выполняться от разных энергетич.
источников и разными способами, то различают механич., электромеханич.
(или контактные), электронно-механич. (или бесконтактные) и электронные
Ч. (напр., кварцевые с цифровой индикацией на жидких кристаллах). Особо
выделяют синхронные или, как их иногда наз., электпич. Ч., работающие от
сети переменного тока. Такие Ч. по существу являются вторичными, а роль
первичных Ч. выполняет генератор электростанции. Первичными Ч. могут быть
также обычные Ч., как правило, повышенной точности, от к-рых с минутнъгми
или полуминутными интервалами по проводам передаются элект-рич. импульсы
вторичным Ч.

Наиболее распространены (70-е гг. 20
в.) механич. Ч. смеханич. (пружинным, гиревым) приводом. Осн. узлы совр.
механич. Ч. (рис. 5) - двигатель, система колёс, ход или спусковой механизм,
регулятор, стрелочный механизм и механизм заводки Ч. Пружина (двигатель)
вращает барабан / (внутри к-рого она находится) и через него систему колёс
2-5,
частота
вращения к-рых определяется периодом колебаний системы "баланс - спираль"
6-7.
Числа
зубьев колёс и период колебаний баланса подбирают так, чтобы колесо 2
делало
один оборот в час, а колесо
4 - один оборот в минуту; на их осях
могут устанавливаться соответственно минутная и се-

Рис. 5. Схема механизма наручных механических
часов: / - заводной барабан; 2, 3, 4 - основная зубчатая передача;
5
-
спусковое кювдсо; 6 - баланс; 7- спираль; 8 - анкераая вилка;
9
- триб минутной стрелки; 10 -. часовое колесо; // - триб вексельного
колеса; 12 - вексельное колесо; 13 - переводные колёса; 14
- заводной вал; 15 - заводная головка; 16 -
переводной
и заводной рычаги; /7 - заводной триб;
18
- кулачковая муфта; 19
- заводное колесо; 20 - барабанное колесо.

кундная стрелки. Практически же минутная
стрелка закрепляется не на самой оси колеса 2, а на трибе 9,
позволяющем
переводить стрелку независимо от колёс 2-5.
Колесо
2
через
передачу 9-11 - 12 приводит в движение колесо
10,
на
к-ром крепится часовая стрелка. При заводке вращение головки
15
(через
вал 14, муфту 18 и колёса
17, 19 и
20)
сообщается
валу, на к-рый наматывается пружина. При переводе стрелок вытягивают головку
15,
муфта
18
с
помощью рычагов
16 отводится от триба
17
и вступает в зацепление
с переводными колёсами 13,
вращение к-рых сообщается стрелкам. Совр.
Ч. оснащают часто дополнит. механизмом, показывающим числа и дни недели,
а в крупных часах и месяцы. В наручных Ч. часто применяют противоударные
устройства, предохраняющие их механизм от поломок. Всё большее распространение
получают наручные механич. Ч. с автоматич. подзаводом, в к-рых на механизме
Ч. со стороны крышки расположен свободно качающийся груз в виде неуравновешенного
сектора. При ношении Ч. на руке груз качается и через колёсную передачу
с реверсивным устройством подзаводит пружину; за 10-12 часов пружина получает
завод, обеспечивающий ход Ч. в течение 20 и более часов. Потребитель освобождается
от необходимости заводить Ч. и, что особенно важно, они работают при более
постоянном значении усилия заводной пружины, в результате чего Ч. имеют
более высокую точность хода.

Первые попытки применения электрич.
устройств в Ч. относятся к 30-40-м гг. 19 в. Первоначально получили распространение
электромеханич. маятниковые и балансовые Ч., в к-рых завод осуществлялся
с помощью электромагнита, электродвигателя и т. д. Большое значение для
дальнейшего развития электромеханич. Ч. имели работы швейц. часовщиков
M. Гиппа и Л. Бреге, создавших Ч. с электроприводом. В электромеханич.
Ч. с электроприводом источник питания через контакты, управляемые маятником
или балансом, периодически подключается к приводу, в результате чего в
спусковом регуляторе устанавливаются автоколебания. Роль двигателя таких
Ч. выполняет сама колебательная система, движение к-рой с помощью спец.
механизма преобразуется в прерывистое вращат. движение стрелок.

До сер. 20 в. электромеханические Ч.
были в основном крупногабаритными, маятникового, реже балансового типа.
На усовершенствование конструкции малогабаритных, и прежде всего наручных,
электромеханич. балансовых Ч. значит. влияние оказало появление малогабаритных
и энергоёмких источников тока, миниатюрных контактов. В начале 50-х гг.
20 в. появились балансовые наручные электромеханич. Ч., выпущенные фирмами
во Франции-"Лип" (Lip), в США- "Гамильтон" (Hamilton), электрич. цепь к-рых
при подаче импульса балансу замыкалась механич. контактами.

Замена механич. контактов электронными
ключами на транзисторах, туннельных диодах, интегральных микросхемах решила
проблему повышения надёжности электронно-механич. Ч. Совр. наручные электронно-механич.
балансовые Ч. имеют точность хода ±15 сек в сутки, потребляют ок.
10 мка от источника тока напряжением 1,3-1,5 в. Такие Ч. с традиционными
колебательными системами (осцилляторами) - маятником или "баланс - спиралью"
- в отличие от контактных Ч. иногда называют бесконтактными. Быстродействие
электронных устройств и возможность управлять ими при малых амплитудах
осцилляторов обусловили развитие камертонных и кварцевых Ч., обладающих
высокой точностью.

В 70-х гг. 20 в. получили широкое распространение
наручные и настольные камертонные Ч. с автономной работой без смены батареи
от 1 до 2 лет при точности хода ± 2 сек в сутки. Первый камертонный
регулятор с контактным прерывателем был создан А. Гийе в 1915. В 1919 У.
Эклс и Ф. Джордан (Великобритания) и А. Абрахам и Э. Блох (Франция) предложили
схему лампового камертонного регулятора с электромагнитной системой привода.
Камертонные регуляторы на транзисторах для наручных Ч. впервые были изготовлены
фирмой "Булева уотч компани" (Bulova Watch Co) в США в 1950; в СССР камертонные
Ч. были выпущены в 1962 на 2-м Московском часовом заводе. В этих Ч. применён
храповой механизм для преобразования колебаний камертона во вращение стрелок.
Одна из схем электромеханич. камертонных Ч. представлена на рис. 6. При
колебаниях камертона в обмотке освобождения наводится эдс, к-рая открывает
транзистор, в результате чего в импульсную обмотку поступает ток от источника
питания. Частота колебаний камертона - 360 гц.

Рис. 6. Схема механизма камертонных
часов: Т - транзистор; R - резистор; С - конденсатор; L- обмотка освобождения; Lимпульсная обмотка; Е
- источник питания (гальванический элемент); / - камертон; 2 - храповый
механизм; 3 - колёсная передача; 4 - стрелки (часовая, минутная,
секундная).

В электронно-механич. Ч. с относительно
высокочастотными (порядка 32 кгц) кварцевыми осцилляторами электрич.
импульсы спускового регулятора управляют работой шагового или синхронного
электродвигателя или синхронизируют работу двигателей постоянного тока.
В этих случаях схема управления состоит из электронного делителя частоты,
схемы формирования импульсов и усилителей. Большинство кварцевых Ч. имеет
шаговый электродвигатель. Регулировка хода Ч. осуществляется с помощью
триммера в цепи кварцевого генератора. Впервые схема кварцевых Ч. была
предложена В. А. Маррисоном (Великобритания) в 1929; в кон. 70-х гг. такие
Ч. выпускают MH. фирмы, напр. в Швейцарии "Патек Филипп Эбош" (Patek Philippe
Ebauches), "Омега" (Omega); в США - "Гамильтон"; в Японии - "Сэйко" (Seiko).
Высокотемпературная стабильность, повышенная добротность и устойчивость
кварцевых генераторов к внеш. динамич. воздействиям обеспечивают точность
бытовых малогабаритных электронно-механич. Ч. ок. 2 сек, а в крупногабаритных
прецизионных - 0,001 сек в сутки.

Кварцевые наручные Ч. получили распространение
благодаря возможностям совр. технологии изготовления полупроводников и
созданию интегральных микросхем. Ч. с электронной схемой и цифровой индикацией
на жидких кристаллах или светодиодах наз. электронными. Электронная
часть этих Ч. содержит, кроме кварцевого генератора, делители частоты (счётчик),
дешифраторы (рис. 7,а). В СССР выпускаются (1977) кварцевые часы как со
стрелочной, так и с цифровой индикацией (рис. 7,6).

Для согласования показаний группы Ч.
применяются системы единого времени. Они состоят из первичных высокоточных
Ч. и группы вторичных Ч., соединённых с первичными каналами связи. Первичные
Ч. управляют работой вторичных Ч., к-рые могут быть обычными электромеханич.
Ч. или счётчиками электрических импульсов. Для повышения точности и надёжности
системы единого времени вторичные Ч. часто делают автономными (самостоятельно
идущими), ход к-рых периодически корректируется или синхронизируется сигналами
точного времени от первичных Ч.

Совр. Ч. обеспечивают широкий диапазон
по точности в зависимости от практич. потребностей измерения времени. Так,
напр., атомные эталоны, используемые, в частности, при космич. исследованиях,
имеют относительную погрешность ок. 10^-13 высокоточные маятниковые
Ч. порядка 10^-11 кварцевые мор. хронометры 10 ^-8
(т. е. точность их хода составляет неск. тысячных долей сек за сутки);
наручные кварцевые часы имеют точность хода в пределах 2 сек в сутки,
камертонные и балансовые электронно-механические Ч. до 15 сек в
сутки; механич. бытовые Ч. высокого качества до 5 сек, а ср. качества
30-60 сек в сутки; механич. будильники 1-1,5 мин в сутки.

Лит.: Аксельрод 3. M., Теория
и проектирование приборов времени, Л., 1969; Дроздов ф. В., Приборы времени,
M., 1940; Б а у т и н H. H., Динамические модели свободных часовых ходов,
в кн.: Памяти А. А. Андронова, M., 1955; Шполянский В. А., Ч е р н я г
и н Б. M., Электрические приборы времени, M., 1964; Константинов А. И.,
Ф л е е р А. Г., Время, M., 1971; Andrade J. F. С., Horlogerie et
chrpnometrie, Р., 1924; Defossez L., Theorie generate d'horlogerie, t.
1, Le Chauxde-Fonds, 1950; Haag J., Les mouvements vibratoires, t. 1, P.,
1952.

В. И. Денисов, Б. M. Чернягин.