Механизмы башенных часов

       Механические часы – сложное техническое устройство, вобравшее в себя конструкторские идеи из разных механизмов прошлого, потребовав от механиков решения новых технических задач. Идея механических часов пришла с Востока в Европу через Испанию и Италию – уже в VIII в. арабы делали сложнейшие шестерёнчатые (с зубчатой передачей) механизмы для водяных часов с двигающимися фигурками и боем.

     Около X в. появились первые часы, движущей силой которых была тяжёлая гиря. Объёмный механизм с гирей на длинном канате требовал вместительного корпуса – поэтому часы помещались в башнях. Старейший из сохранившихся часовых механизмов (1386 г.) собора Солсбери не имел циферблата, каждый час отмечая только ударами колокола.

      Средневековые механики на практике увидели, что нужен регулятор, равномерно разделяющий усилие от гири. Был изобретён шпиндельный спуск, состоящий из коромысла (билянец, фолио) с равными грузами на концах, надетого на ось с двумя лопатками, которые то блокировали, то освобождали зуб за зубом коронного колеса, которое получало энергию от гири.

    Для поддержания колебаний регулятора-билянца и связи его с передаточным шестерённым механизмом служил спусковой механизм – шпиндель с двумя лопатками, которые располагались под углом 90° друг к другу и вклинивались между зубцами коронного (храпового или ходового) колеса. Коронное колесо, вращаемое колёсной передачей от вала, вращало и шпиндель, воздействуя на его лопатки, и одновременно на него воздействовали колебания билянца, к центру которого он также был прикреплён. Фолио получал от коронного колеса энергию движения, не позволяющую его коромыслу вернуться в состояние равновесия и остановиться, и регулировал движение связанного с колесом вала и всех шестерёнок, включая ту, что вращала стрелку. Единственная часовая стрелка за сутки обходила циферблат с 24 делениями, указывая текущий час — минутами время тогда не меряли. Как только гиря опускалась, приходилось с помощью системы блоков снова поднимать её на высоту башни. Отклонения точности составляли до 60 минут в сутки.

       В начале XVII в. итальянский физик, астроном и механик Галилео Галилей предложил в качестве часового регулятора использовать маятник, период колебания которого, в отличие от билянца, строго постоянен. В 1657 г. маятниковые часы сконструировал голландский астроном Христиан Гюйгенс.

         В 1676 г. революцию в часовом деле произвело изобретение английского часовщика В. Клемента — анкерный (якорный) спуск. Насаженный на ось маятника якорь, раскачиваясь вместе с маятником, двумя своими палетами (концами) поочередно сцеплялся с зубьями анкерного колеса, подчиняя его вращение периоду колебаний маятника. Одновременно якорь через палеты получал энергию от анкерного колеса и, передавая их маятнику, поддерживал его колебание. Это изобретение решило проблему точности стационарных часов. Маятниковые анкерные часы ошибались всего на 10 секунд в сутки.

        До открытия антикитерского механизма часы считались самым сложным техническим устройством, созданным человечеством до начала Нового времени. Часы вобрали в себя конструкторские идеи, воплощённые в разных механизмах прошлого, и потребовали от механиков решения новых технических задач. Это был трёхколёсный механизм с однострелочным циферблатом (а в первые десятилетия без циферблата, лишь с приводом боя), приводимый в движение силой тяжести гири. В таких колёсных башенных часах выделяют 6 главных узлов:

двигатель (гиря);

передаточный механизм из зубчатых колёс (шестерёнок);

регулятор (билянец);

спуск;

стрелочный механизм;

механизм завода.

Гиря (1), опускаясь, разматывает канат (2) и вращает вал (3) и сцепленное с ним коронное колесо (4). Колебания билянца (5) вращают туда-сюда шпиндель (6) с лопатками. Когда одно плечо (7) билянца опускается, первая лопатка (8) зубцом коронного колеса и тормозит его вращение. Когда опустится другое плечо (9), первая лопатка отпустит зубец, и колесо провернётся на один зубец, пока вторая лопатка (10) не войдёт в сцепление со след. зубцом по своей стороне. Так создается прерывистое вращение коронного колеса, передающееся главному колесу (11), валу, а через него и колесу (12), вращающему стрелку (13).

Шпиндельный спуск с вертикальным коронным колесом. Лопатки (А, Б) шпинделя (9) поочерёдно входят в сцепление с зубцами коронного колеса (10), прерывая его вращение. Для сопротивления проворачиванию коронного колеса на плечи (а, б) сцепленного со шпинделем билянца навешивались грузы. Билянец вращался в горизонтальной плоскости, а коронное колесо – в вертикальной.

          Зубчатая передача, используемая в мельницах, была слишком громоздка и примитивна, чтобы лечь в основу сложного часового механизма. Считается, что идея механических часов пришла в Европу с Востока — уже в VIII в. арабы делали сложнейшие шестерёнчатые (т. е. с зубчатой передачей) механизмы для клепсидр с двигающимися фигурками и боем. Тонкости устройства зубчатой передачи мог донести до европейцев механик-монах Герберт (будущий римский папа Сильвестр II), изучавший в Испании арабские астрономические приборы и клепсидры.

            Герберту приписывают создание в 1000 г. первых часов, движущей силой которых была не струя воды, как в клепсидре, а тяжёлая гиря. Об использовании гири как двигателя Герберт мог узнать из описания механизма открывания дверей Герона. Если Герберт и был создателем первых механических часов (что не подтверждено), в X в. его идея не прижилась. Но в конце XIII в. механизм с двигателем-гирей появился в Вестминстерских часах, и по их образцу были устроены десятки колёсных башенных часов XIII-XV вв. Объёмный механизм с большой и тяжёлой гирей на длинном канате требовал вместительного корпуса — поэтому-то часы и помещались в башнях. Канат гири наматывался на гладкий деревянный вал. Гиря тянула канат вниз, разматывая его и вращая вал. На вал насаживали главное зубчатое колесо, сцепленное с шестерёнками передаточного механизма, передающими вращение вала стрелке.

           Но под воздействием силы тяжести груз опускается не равномерно, а с ускорением: чем ближе к земле, тем быстрее падает гиря и скорее вращается вал. Следовательно, все шестерёнки вращаются с ускорением, двигая стрелку часов всё быстрее и быстрее, и каждый следующий час получается короче предыдущего. Так время не измерить.

       Средневековые механики ничего не знали об ускорении, но на практике увидели, что нельзя доверять ход часов только силе падения груза. Нужно снабдить механизм регулятором – устройством, равномерно разделяющим это усилие. Идею подсказали рычажные весы. Издавна заметили, что, если в чашки весов положить равный груз и вывести весы из равновесия, коромысло весов будет довольно равномерно раскачиваться. С каждым разом плечи коромысла будут подниматься и опускаться с меньшим размахом (амплитудой), но период (длительность) колебаний коромысла останется неизменной. За первую минуту плечи весов качнутся столько же раз, сколько и за каждую последующую до полной остановки. Механики придумали использовать равные периоды колебаний коромысла для преобразования плавного вращения вала во вращение прерывистое, когда колесо делает равные подвижки за равные промежутки времени. В часах коромысло называется билянцем (фолио) – стержень-рычаг с равными грузиками на концах.

     Для поддержания колебаний регулятора-билянца и связи его с передаточным шестерённым механизмом служил спусковой механизм – шпиндель с двумя лопатками, которые располагались под углом 90° друг к другу и вклинивались между зубцами коронного (храпового или ходового) колеса. Коронное колесо, вращаемое колёсной передачей от вала, вращало и шпиндель, воздействуя на его лопатки. Одновременно на шпиндель воздействовали колебания билянца, к центру которого он также был прикреплён.

        Как только одно плечо билянца опускалось, шпиндель поворачивался, и одна из его лопаток входила в зацепление с зубцом коронного колеса, тормозя его вращение. Однако, когда плечо билянца поднималось, поворачивая шпиндель в обратном направлении, лопатка под давлением колеса отпускала зубец и давала колесу провернуться. Но тут же другая лопатка вклинивалась между следующими зубцами, снова останавливая колесо. Так в соответствии с постоянностью периодов колебания билянца лопатки шпинделя в равные промежутки времени поочередно останавливали и отпускали колесо. Регулируя вращение коронного колеса, билянец в то же время получал от него энергию движения, не позволяющую его коромыслу вернуться в состояние равновесия и остановиться.

       Прерывистое движение храпового колеса делало прерывистым и движение вала, и всех шестерёнок, включая ту, что вращала стрелку. Эта единственная часовая стрелка за сутки обходила циферблат с 24 делениями, указывая текущий час. В Средневековье этого было достаточно — минутами время тогда не мерили.

     В первых часах не было механизма завода. Как только тяжёлая гиря опускалась, обслуге часов приходилось с помощью системы блоков снова поднимать её на высоту башни, преодолевая сопротивление всех зубчатых колёс, проворачиваемых в обратном направлении.

      В начале XVII в. итальянский физик, астроном и механик Галилео Галилей предложил в качестве часового регулятора использовать маятник, период колебания которого, в отличие от билянца, строго постоянен. В 1657 г. маятниковые часы сконструировал голландский астроном Х. Гюйгенс. Часы Гюйгенса с новым спуском-поводком вместо шпиндельного спуска ошибались всего на 10 секунд в сутки. С такой точностью минутная стрелка, появившаяся в часах ещё в XVI в., стала оправдывать своё назначение.

        В 1676 г. революцию в часовом деле произвело изобретение английского часовщика В. Клемента — анкерный (якорный) спуск. Насаженный на ось маятника якорь, раскачиваясь вместе с маятником, двумя своими палетами (концами) поочередно сцеплялся с зубьями коронного колеса, подчиняя его вращение периоду колебаний маятника. Одновременно якорь через палеты получал толчки от коронного колеса и, передавая их маятнику, поддерживал его колебание. Появление маятниковых часов с анкерным спуском решило проблему точности стационарных (не переносных) часов.