Сердце времени: Механика вечности

Сегодня даже самые лучшие механические часы — далеко не самые точные. Куда механике угнаться за миллисекундами и наносекундами, на которые идет счет в современном спорте и науке. Тем не менее, именно механикой хотят обладать президенты и королевы, поп-звезды и светские львицы. Механические часы — это не столько измеритель времени, сколько произведение инженерного искусства. О том, как устроено сердце часов — регулятор хода, нам рассказал опытный часовой мастер, реставратор старинных часов Александр Евгеньевич Миляев.

Согласно многим свидетельствам, первые башенные часы появились в 1288 году в Лондоне. В качестве источника энергии в Вестминстерских часах использовался груз, подвешенный на канате, намотанном на барабан. Несмотря на то, что груз сообщал механизму часов постоянную энергию в течение всего хода, необходимо было специальное устройство, замедляющее его падение и обеспечивающее равномерное движение единственной стрелки. Механизм, способный выпускать энергию груза, заводной пружины, текущей воды и любого другого источника равномерно, равными небольшими порциями, называется регулятором хода часов. Современные механизмы хода состоят из осциллятора (источника равномерных колебаний) и механизма спуска. В первых механических часах место осциллятора занимал билянец. Билянец (колесо или коромысло с подвешенными к нему грузами) использовался в сочетании со шпиндельным спуском. Он выполнял функцию тяжелого маховика, замедляющего вращение барабана. Билянец поворачивался то в одну, то в другую сторону, разгоняясь и замедляясь.

В 1656 году голландский физик Христиан Гюйгенс, основываясь на исследованиях Галилея, изобрел первые маятниковые часы. Свойство маятника сохранять постоянный период колебаний позволило изготовить действительно точные часы. Маятник использовался в сочетании со шпиндельным механизмом спуска или соединялся с анкерной вилкой, которая отпускала храповое колесо ровно один раз в секунду. От спускового механизма теперь требовалось не только обеспечивать равномерный ход, но и деликатно передавать часть энергии пружины или груза на осциллятор, чтобы поддерживать его колебания. Маятник можно было точно настроить для работы в любых климатических условиях, на любой широте (сила тяжести в различных частях планеты несколько отличается) — достаточно было просто отрегулировать его длину. К сожалению, маятниковые часы могли работать лишь в строго вертикальном положении, неподвижно стоя на полу или на столе. Появление карманных и наручных часов стало возможным благодаря изобретению баланса.

Всего парой десятилетий позже Гюйгенс сконструировал портативные часы. Роль осциллятора в них выполнял баланс — металлический обод, совершающий колебания вокруг своей оси под действием спиралевидной пружины. Такая конструкция позволила разместить в компактном корпусе колебательную систему с очень большой амплитудой, что способствовало точности хода. Балансовый регулятор используется и в современных механических часах.

Чтобы система работала правильно, баланс должен иметь идеально симметричную форму и равномерное распределение веса, вращаться строго в одной плоскости. В старых моделях часов можно увидеть баланс с регулировочными винтами, расположенными по кругу. С их помощью мастер мог «сбалансировать баланс». Современные технологии позволяют производить достаточно точные нерегулируемые балансы. При изменении температуры баланс может расширяться или сужаться, что приводит к изменению момента инерции и периода колебаний. Чтобы сохранить точность хода при изменении температур, раньше изготавливали разрезные биметаллические балансы из стали и латуни. Из-за различных коэффициентов теплового расширения сталь и латунь при нагревании деформировали обод так, чтобы скомпенсировать тепловое расширение. Современные балансы делают из бериллиевой бронзы (глюсидура). Глюсидур в минимальной степени подвержен тепловому расширению.

Пружина баланса, которую принято называть «волоском», на самом деле втрое тоньше человеческого волоса. Спираль массой всего 0,002 г способна выдерживать подвешенный груз до 600 г. Волоски делаются из материала «ниварокс» (Nicht Variable, Oxydfest) — сплава железа, никеля и хрома с добавлением магния, кремния, титана и бериллия. Пружины из ниварокса способны автоматически компенсировать изменения температуры.

Баланс в среднем совершает более 200 млн. колебаний в год. Чтобы сохранить точность хода в течение долгих лет, необходимо обеспечить осциллятору надежную опору. Камни, количеством которых производители так любят украшать характеристики часов, фактически представляют собой твердые, гладкие и долговечные подшипники скольжения. Отшлифованный рубин имеет сквозное отверстие, в которое вставляется ось баланса или иного колеса.

С противоположной стороны камня имеется углубление, в котором хранится масло. Часовое масло достаточно густое, чтобы надежно удерживаться в камне и не вытекать. До изобретения синтетических масел оно добывалось из берцовых костей крупных животных. В некоторых дорогих часах в качестве опоры баланса (под рубиновой втулкой) применяется алмаз. «Камнями не стоит злоупотреблять, — говорит Александр Миляев, — некоторые часовые фирмы, желая привлечь клиентов, устанавливали рубины под оси всех колес. При падении часов жесткие камни не могли амортизировать удар и оси колес ломались».

Балансовый регулятор — это сердце часового механизма, и некоторые мастера воспринимают этот принцип буквально. В часах новой женской коллекции Frederique Constant баланс скрывается за прозрачными окошками в циферблате, выполненными в форме сердец. Сердце этих часов непрерывно бьется с частотой восемь ударов в секунду.

Настоящий прорыв в часовых технологиях случился в XVIII веке. В 1714 году английское правительство объявило премию в £10 000 (на сегодняшние деньги примерно $2 млн.) за изобретение часов, достаточно точных для определения географической долготы в морских походах с точностью до 1 градуса. Сверхточные часы назвали хронометром. Размер премии мог удвоиться, если бы погрешность составила менее 30 угловых минут. В то время моряки давно умели узнавать широту с помощью астрономического прибора секстанта. Долготу предполагалось определять по разнице во времени на хронометре, показывающем время порта отправления, и текущего времени, определяемого по звездам. Проблема была в том, что качка и сильные перепады температур и влажности делали точный ход часов на корабле невозможным.

Джон Харрисон, за свою жизнь изготовивший несколько хронометров принципиально разных конструкций, получил признание и заслуженную премию после долгих тяжб, когда ему было уже более 80 лет. Хронометры Харрисона представляли собой сложные приборы с разными системами хода (хронометровый, своеобразный «ход кузнечика») и несколькими балансами (от двух до четырех). Балансы работали в разных направлениях, компенсируя гироскопический момент друг друга, и входили в резонанс, чтобы нейтрализовать индивидуальные погрешности хода. Весь механизм устанавливался на карданном подвесе с грузом, который поддерживал часы в строго горизонтальном положении при любом шторме. Первые хронометры были столь огромны, что не могли пройти в дверь капитанской каюты, зато погрешность их хода составляла считанные секунды за долгие месяцы плавания.

Современным часам не обязательно надо иметь несколько балансов и карданный подвес, чтобы ходить точно и именоваться хронометром. Достаточно получить сертификат швейцарского института хронометрии COSC (Controle Officiel Suisse Chronometers). Чтобы доказать свою точность, механизм проходит тяжелые испытания в течение 15 дней. Тесты проводятся в пяти различных положениях при разных температурах (+80С, +230С, +380С). Показания стрелок считываются сканирующим лазером и документируются. Испытания добавляют к стоимости часов примерно $250, поэтому тестированию подвергают только дорогие часы. Сертификат хронометра — высшая оценка часовых мастеров, признанный знак качества. Как правило, сертификат получают часы, прошедшие ручную доводку. Максимальное отклонение суточного хода сертифицированного хронометра не превышает 5 секунд.

Не стоит путать хронометры и хронографы. Хронограф («хронос» — время, «графо» — писать) — это секундомер, прибор, позволяющий отмерять небольшие отрезки времени. Хронометр — это часы, высокая точность которых подтверждена COSC. Правда, некоторые часы сочетают в себе и то и другое. Например, Carl F. Bucherer T-Graph — сертифицированный хронометр с функцией хронографа, календарем и указателем запаса хода.

Посмотрите демонстрационный ролик компании Maurice Lacroix — 3D-анимацию о том, как делаются и как работают ее механические часы. Вы можете скачать этот ролик в высоком качестве.