100 великих изобретений

Рыжов Константин Владиславович

Уже прежде мы упоминали, что период вращения колес в зубчатой передаче зависит от отношения диаметров входящих в нее колес (или, что то же самое, отношения числа зубьев). Подбирая колеса с разным количеством зубьев, несложно добиться, например, чтобы одно из них совершало оборот ровно за 12 часов. Если насадить на вал этого колеса стрелку, то она будет совершать полный оборот за то же время. Понятно, что так же можно подобрать колеса, делающие полный оборот за минуту или за час; с ними можно соединить секундную и минутные стрелки. Но такие часы появились значительно позже — только в XVIII веке, а до этого использовалась единственная часовая стрелка. Назначение передаточного механизма в таких часах состояло в том, чтобы передать и преобразовать соответствующим образом движение от главного зубчатого колеса к часовому колесу.

Однако, чтобы часы могли служить для измерения времени, стрелка должна совершать свои обороты с одной и той же периодичностью.

Между тем груз, как это всем хорошо известно, движется под действием сил притяжения с ускорением. Если бы гиря опускалась свободно, то вал вращался бы ускоренно, соответственно стрелка делала бы каждый следующий оборот за более короткое время, чем предыдущий. Столкнувшись с этой проблемой, средневековые механики (хотя они и не имели понятия об ускорении) сообразили, что ход часов не может зависеть только от движения груза. Механизм необходимо было дополнить еще одним устройством. Это устройство должно было обладать собственным, независимым «чувством времени» и в соответствии с этим управлять движением всего механизма. Так родилась идея регулятора.

Если современного человека спросить, какое простейшее приспособление целесообразнее всего использовать в качестве регулятора, он, скорее всего, назовет маятник. Действительно, маятник лучше всего удовлетворяет поставленным условиям. В этом можно убедиться, сделав простой опыт. Если шарик, привязанный к достаточно длинной нити, отклонить на небольшой угол и отпустить, он начнет колебаться. Вооружившись секундомером, можно посчитать, сколько колебаний совершит маятник, к примеру, за каждые пятнадцать секунд. Продолжая наблюдения в течение полутора-двух минут, легко заметить, что все измерения совпадают. Из-за трения о воздух размах колебаний шарика будет постепенно уменьшаться, но (и это очень важно!) длительность колебания будет при этом оставаться неизменной. Другими словами, маятник обладает прекрасным «чувством времени». Однако очень долго эти замечательные свойства маятника были неизвестны механикам, и маятниковые часы появились только во второй половине XVII века. В первых механических часах регулятором служило коромысло (билянец). Коромысло с древних времен применялось в таком широко распространенном устройстве, как весы. Если на каждое плечо таких коромысловых весов поместить равные грузы, а потом вывести весы из состояния равновесия, коромысло будет совершать достаточно равные колебания наподобие маятника. Хотя эта колебательная система уступает во многих отношениях маятнику, она вполне может использоваться в часах. Но любой регулятор, если постоянно не поддерживать его колебания, рано или поздно остановится. Для того чтобы часы работали, необходимо, чтобы часть двигательной энергии от главного колеса постоянно поступала к маятнику или билянцу. Эту задачу в часах выполняет устройство, которое называется распределителем, или спуском.

Спуск всегда был и остается самым сложным узлом в механических часах. Через него осуществляется связь между регулятором и передаточным механизмом. С одной стороны, спуск передает толчки от двигателя к регулятору, необходимые для поддержания колебаний последнего, а с другой стороны, подчиняет движение передаточного механизма (а следовательно, и действие двигателя) закономерности движения регулятора. Правильный ход часов зависит главным образом от спуска. Именно над его конструкцией больше всего ломали голову изобретатели. Самый первый спуск представлял собой шпиндель с налетами, поэтому его называют шпиндельным. О принципах его действия будет подробно рассказано ниже.

В первых часах не было специального механизма заводки. Вследствие этого подготовка часов к работе требовала очень больших усилий. Мало того, что по несколько раз в день приходилось поднимать на значительную высоту очень тяжелую гирю, надо было еще и преодолевать огромное сопротивление всех зубчатых колес передаточного механизма. (Понятно, что главное колесо, если оно жестко сидит на валу двигателя, при подъеме гири будет вращаться вместе с валом, а с ним будут вращаться и остальные колеса.) Поэтому уже во второй половине XIV века главное колесо стали крепить таким образом, что при обратном вращении вала (против часовой стрелки) оно оставалось неподвижным.

Из шести описанных нами главных узлов часового механизма большая часть по отдельности уже использовалась в античности. Новыми были только два изобретения: идея подвешивать груз в качестве двигателя для часов и идея использовать шпиндель в качестве спуска. Любопытно, что обе эти технические находки средневековая легенда приписывает одному человеку — ученому монаху Герберту Аврилакскому, который позже сделался римским папой под именем Сильвестра II. Известно, что Герберт всю жизнь очень интересовался часами и в 996 году собрал первые в истории башенные часы для города Магдебурга. Так как эти часы не сохранились, по сей день остается открытым вопрос — какой принцип действия они имели. Большинство современных исследователей уверены, что они были водяными. В пользу

этого говорит также то обстоятельство, что следующие башенные часы, которые с большим или меньшим основанием можно считать механическими, появились в Европе только через триста лет. Однако, с другой стороны, если Герберт действительно был такой хороший механик, как о нем пишут, если он действительно изобрел шпиндельный спуск и если он действительно много думал над схемой механических часов, совершенно непонятно, что могло помешать ему собрать такие часы, поскольку он имел для этого все необходимое.

Но, как бы то ни было, эра механических часов началась в Европе только в конце XIII века. В 1288 году башенные часы были установлены в Вестминстерском аббатстве в Англии. В 1292 году часами обзавелся храм в Кентербери. В 1300 году встречается сообщение о том, что башенные часы сооружены во Флоренции (упоминание об этих часах сохранилось в «Божественной комедии» Данте). В 1314 году часы были уже во французских Каннах. Ни один из этих ранних механизмов не сохранился до наших дней, имена их создателей тоже неизвестны. Однако мы можем достаточно точно представить себе их устройство. Самый простой часовой механизм (если не брать во внимание механизм боя) может включать в себя всего три зубчатых колеса. Очевидно, что все упомянутые выше часы представляли собой пример простого трехколесного механизма с однострелочным циферблатом.

От главного колеса, посаженного на вал двигателя, движение передавалось на маленькую шестерню, находившуюся на одной оси с коронным (или ходовым) колесом, которое было снабжено зубцами, имеющими форму зубьев пилы и расположенных перпендикулярно оси колеса. Это колесо было неотъемлемой частью спускового устройства, или шпиндельного спуска, имевшего своей задачей регулирование скорости движения зубчатой передачи. Коронное колесо, получая энергию от зубчатой передачи, затрачивало ее на вращение шпинделя, с которым оно находилось в постоянной связи. Шпиндель был снабжен двумя палетами, размещенными на нем против нижнего и верхнего зуба коронного колеса. Палеты по отношению друг к другу располагались под углом 90 градусов и поочередно зацепляли зубцы коронного колеса, вызывая вращение шпинделя с палетами то в одну, то в другую сторону. Когда, например, выступающий зуб колеса сталкивался с нижней палетой и ударялся о нее, это приводило к вращению шпинделя на его оси и, следовательно, к тому, что верхняя палета через некоторое время входила в промежуток между зубьями, находящимися в верхней части колеса. Давление, оказываемое верхним зубом, изменяло вращение шпинделя на обратное. Зуб ходового колеса при каждом таком повороте шпинделя освобождался. Но колесо сразу попадало в контакт с другой палетой, и так весь процесс повторялся снова. При каждом повороте шпинделя колесо успевало повернуться только на один зубец. Скорость поворота шпинделя определялась регулятором, который представлял собой, как уже говорилось, коромысло с передвигающимися по нему грузами. Если грузы перемещали ближе к оси, шпиндель начинал поворачиваться быстрее, и часы ускоряли свой ход. Если грузы перемещали ближе к краю — ход часов замедлялся.

Такой была концепция ранних механических часов. Но уже очень скоро устройство их заметно усложнилось. Прежде всего, увеличилось число колес передаточного механизма. Вызвано это было тем, что при значительной разнице в числе зубьев между ведущим и ведомым колесами получались очень большие передаточные отношения, механизм испытывал сильную нагрузку и быстро изнашивался. Груз в таких часах опускался очень быстро и его приходилось подымать по пять-шесть раз в сутки. К тому же для создания больших передаточных отношений требовались колеса слишком большого диаметра, что увеличивало габариты часов. Поэтому стали вводить промежуточные дополнительные колеса, в задачу которых входило плавно увеличивать передаточные отношения.

Посмотрим, например, на устройство часов де Вика, установленных в 1370 году в королевском дворце в Париже. Вокруг деревянного вала A, диаметром около 30 см, был намотан канат с гирей B на конце. Гиря весом около 500 фунтов (200 кг) падала с высоты 10 м в течение 24 часов. Гири большого веса требовались в связи со значительным трением в колесном зацеплении и наличием тяжеловесного регулятора-билянца. Все детали часов изготавливались кузнецами на наковальне. На валу A располагалось главное колесо E, которое передавало вращение остальным колесам механизма. Для облегчения заводки оно соединялось с валом не жестко, а посредством собачки F и храпового колеса G. Таким образом, вращаясь по часовой стрелке, вал приводил в движение колесо E, а вращаясь против часовой стрелки, оставлял его свободным. Для заводки часов служило зубчатое колесо C, сцепленное с шестерней D. Оно облегчало поворот рукоятки. Большое колесо приводило в движение шестерню, сидящую на оси, где находилось второе колесо — H, а это последнее приводило в движение шестерню, находящуюся на оси, где сидело третье, или ходовое, колесо I. Шпиндельный спуск J с коромыслом N и палетами K действовал здесь так же, как описанный выше.