Как работают механические часы?

Механические часы не только элемент эстетического удовольствия, но и очень сложное техническое устройство. Поэтому предлагаю обратиться к основам. У меня уже были статьи про дополнительные механизмы, которые встраивают в часы — так называемые усложнения. К примеру, наручные часы могут зазвучать целой симфонией с помощью репетира. С помощью турбийона на первых порах повышалась точность  наручных часов, а сегодня повышается престижность той или иной модели. Конечно это не весь список. Про фазы луны, календарь, тахиметр и другие усложнения еще представится возможность прочитать, но на что все это опирается? Давайте изучим сложный механизм механических наручных часов. Постараюсь последовательно изложить базу. То есть действительно базовые принципы движения каждой шестерни, без конкретных примеров.

Механические часы — что внутри?

Первоначально стоит понять следующее — помещенный внутри корпуса наручных часов механизм принято называть калибр. Очень распростронен дизайнерский элемент, когда задняя крышка корпуса часов исполнена в прозрачном варианте и появляется возможность наблюдать за работой калибра: вращением секундной шестерни, главной передачи, а если в калибре предусмотрен автоподзавод, то и вращение рабочего колеса на роторе.

Рассмотрели? Теперь поробуем предмет нашего изучения узнать поближе. Основа основ любого механического калибра это пружина. Говоря другим языком — пружинный привод. Энергия для вращения стрелок набирается за счет постепенного раскручивания пружинного элемента. Открытие этого механизма еще в 15-16 веках позволило многогранно использовать механические часы. До сих пор этот вид преобладает у массовых часов. Конечно же без учета источника энергии в электрических часах.

Пружины для часов, разработанные в 16 веке ни в коем случае нельзя сравнивать с современными. Сегодня применяются специальные сплавы с добавками кобальта, никеля, хрома и другими металлами, во избежание влияния высоких нагрузок. Любая деформация пружины, будь то температурная, после падения часов, сильная или недостаточная влажность — все это влияет на точность хода часов. Более того, приводная сила пружины изменяется даже с изменением числа ее витков. В самом начале, сразу после завода, происходит резкое начальное падение и через несколько часов хода падает более равномерно. Подобные вещи нивелировались с помощью стабилизаторов и компенсаторов силы привода в виде кулачкового механизма или механизма улитки. А в современных калибрах используется особая форма S пружины, которая названа так по своей форме в развернутом состоянии.

Как и чем заводить пружину в наручных часах?

Но одно дело смотреть как пружина разматывается. Надо же, так сказать, ее чем-нибудь замотать? Для этого служит заводной механизм часов. Первоначально, все те же механические часы с первым пружинным механизмом заводились с помощью ключика спереди через отверстие в циферблате, а чуть позже заводить вал пружинного барабана можно было с задней стороны часов. В начале 19 века даже были попытки создания бесключевого завода. Выразилась попытка в механизм, где пружина заводилась с помощью нажатия и вытягивания специального кольца. Но сегодня все привыкли к так называемому механизму завода с корончатой передачей. Патент от 1820 года на это изобретение принадлежит англичанину с фамилией Прест, а уже в 1842 году его идеи улучшил Адриен Филипп.

Чуть позже производством подобных этому механизмов стала заниматься известная всем швейцарская фирма Patek Philippe. Подобная система была очень простой: перемещение стрелок и завод пружины производился с помощью одного инструмента — заводной коронки, которая перемещалась в двух позициях. А вращение стрелок, причем независимо от всего механизма, осуществлялось с помощью особой муфты.

С развитием часовой промышленности совершенствовались и технологии, поэтому в современных наручных часах преобладает механизм автоподзавода часов.

Главная деталь всего механизма — ротор. Особый элемент, вращающийся в обе стороны, отлитый из тяжелого металла. Энергию от вращения преобразует в однонаправленное движение особый преобразователь и за саму передачу энергии отвечает передаточный механизм.

Сам по себе механизм автоподзавода не является новинкой. Еще в 18 веке швейцарец Переллет изобрел подобную вещь, а Бреге, немного усовершенствовав механизм, в период с 1780 по 1800 года изготовил церый ряд карманных часов с автоподзаводом. Правда заводной элемент у них не был вращающимся сегментом, а обладал особыми сбалансированными рычагами. В 1924 году англичанину Джону Гарвуду удается получить патент на автоматический заводной механизм. Ему и принадлежит разработка первых так называемых автоматических часов. Стоит отметить, что от механизма с автоподзаводом лучше сохраняется приводная сила пружины. Поэтому если регулярно носить подобные часы, то и точность хода будет лучше.

Как и чем передается энергия от завода?

Ну, не от завода по производству химических удобрений конечно же, а от заведения часов с помощью заводной коронки как передается энергия? Для этого служат специальные зубчатые передачи. В наручных механических часах зубчатые передачи обладали не одной задачей. Во-первых, нужно передавать энергию осциллятору в случае механизма с маятником или балансом. Во-вторых, считать количество колебаний. Вот пример наглядно с расположением механизма в одной плоскости:

На рисунке можно увидеть два вида часовых зубчатых передач: с минутным колесом и без минутного колеса. Для приведения в действие механизма без минутного колеса используется специальное колесо на пружинном барабане. Сложнее использование в механизме минутного колеса — приходится выводить от него движение часовой стрелки. Еще сложнее механизм с секундной стрелкой. При беглом осмотре, по наличию минутных или секундных колес, можно визуально определить на какой срок хода рассчитаны часы. Если требовалось увеличить запас хода при одинаковой длине пружины, то в механизм добавлялись между ведущим колесом вала барабана пружины и трибом (малые колесики с несколькими зубьями) на валу минутного колеса еще одно или два дополнительных колеса с зубьями — так увеличилось передаточное отношение.

Как механические часы получают энергию?

Хорошо, пружина заведена, энергия передается. Но без спускового механизма механические часы не будут узнаваемо тикать. Спусковой механизм как раз и отмеряет нужное количество поступаемой от пружины энергии. Это соединительный элемент между механизмом часов и осциллятором. Спуск получает энергию привода от передаточного механизма, с которым постоянно соединен. А с осциллятором, который в современных часах имеет форму маятника или баланса, спуск взаимодействует лишь в определенные моменты. Спусковой механизм разделяет постоянную энергию привода, полученную от заведенной с помощью заводной коронки пружины, на силовые импульсы определенной регулярности. Этот механизм постоянно соединен с передаточным механизмом часов, от которого он получает энергию привода. Именно тут применяются термины «колебания» и «полуколебания». Давайте рассмотрим работу спускового механизма на самом известном примере анкерного спуска с маятниковым осциллятором:

Главный элемент подобного спуска это анкер и зубчатое колесо. Анкер изогнутыми штифтами (палетами) захватывает некоторое количество зубьев спускового колеса и с некоторой переодичностью заходит в эти зубья. Левая палета опирается на боковую поверхность (поверхность покоя). Маятник соединен вилкой с анкером, находясь в амплитудном положении всегда старается опуститься в положение равновесия. Если при движении в положение равновесия он повернется на определенный угол, то зуб спускового колеса упрется в наклонную (импульсную) плоскость палеты, в дальнейшем поднимая левое плечо анкера и придавая ему и маятнику силовой импульс. После окончания импульса левая палета освобождает зуб спускового колеса, оно скачкообразно поворачивается до того момента, пока зуб колеса не наткнется на правую палету. Затем маятник легко переходит в левую точку поворота и снова возвратится, пока зуб колеса вернется с поверхности покоя на наклонную плоскость импульса правой палеты, а анкер получит обратный импульс. Этот процесс циклически повторяется.
Сложно. Лучше в анимации:

Конечно в наручных часах от калибра к калибру может отличаться, но главный посыл в том, что спусковой механизм служит для равномерной передачи энергии и это применимо к любым механическим часам.

1. Абсолютно каждый калибр имеет в своем арсенале пружинный элемент — главная вещь в механических часах. От размера пружины будет зависеть запас хода.
2. Заводной механизм сжимает пружину, таким образом часы заводятся. Тут же используются механизмы с автоподзаводом.
3. Энергия от пружинного барабана передается на зубчатые передачи, которые отвечают за функционирование механизма.
4. Спусковой механизм отмеряет энергию, нужную для движения секунды со скоростью секунды, проще говоря обеспечивает нужный шаг времени.