История развития

Часы стали первым автоматом, созданным для практических целей и получившим повсеместное распространение. Целых три столетия они оставались самым сложным техническим устройством и, наподобие магнита, притягивали к себе творческую мысль механиков. Не было другой такой области техники, где было бы приложено столько гениальной изобретательности, знания и остроумия, как при создании и усовершенствовании часового механизма.

Изобретение часов и их улучшение требовало более совершенного, точного и высокопроизводительного технологического оборудования, новых методов расчета и конструирования. Это стало началом новой эпохи.

Создание механических часов стало возможным с изобретением шпиндельного спуска. Это устройство преобразовывало поступательное движение висящей на веревке гири в колебательное движение взад-вперед часового колеса.

Механические часы, применяющие штыревой спусковой механизм, были созданы в XIV веке и стали стандартным инструментом для измерения времени вплоть до появления пружинных часовых механизмов и карманных часов в XVI веке. Следом появились маятниковые часы и на протяжении трёх веков они были наиболее точным устройством измерения времени. В XX веке были созданы кварцевые часы и следом атомные. Последние дают погрешность порядка 10^–14 (1 мс за 3000 лет) и используются для синхронизации всех остальных часовых механизмов, ложась в основу Всемирного координированного времени.

Механические часы совершили революцию в определении времени. Их усовершенствовали в течение пяти веков.

Прототипом первых механических часов можно считать Антикитерский механизм, обнаруженный археологами в начале XX века среди обломков античного торгового судна и датируемый II веком до новой эры. Первые механические часы с анкерным механизмом были изготовлены в Танском Китае в 725 году новой эры мастерами И Сином и Лян Линцзанем. Из Китая секрет устройства, по-видимому, попал к арабам. Анкер или анкерный механизм — это часть часового механизма, которая преобразует энергию заводной пружины в импульсы — они передаются балансу для поддержания нужного периода колебаний. Это нужно для равномерного и четкого вращения шестереночного механизма. Анкерный механизм — это конструкция из вилки, двойного маятника, баланса и анкерного колеса.

Первые маятниковые часы изобретены в Германии около 1000 года аббатом Гербертом — будущим папой Сильвестром II, но широкого распространения не получили. О колесных часах с боем рассказывает Данте Алигьери в своей «Божественной комедии». Первые в Западной Европе механические часы, устанавливаемые на башнях для того, чтобы можно было разместить гиревой движитель их механизма, имели всего одну стрелку — часовую. Минуты тогда не измерялись вообще; зато такие часы нередко отмечали церковные праздники. Маятника в таких часах также не было. Башенные часы, установленные в 1354 году в Страсбурге, не имели маятника, зато отмечали: часы, части суток, праздники церковного календаря, Пасху и зависящие от нее дни. В полдень перед фигуркой Девы Марии склонялись фигурки трех волхвов, а позолоченный петух кукарекал и бил крыльями; специальный механизм приводил в движение маленькие цимбалы, отбивавшие время. К настоящему времени от Страсбургских часов уцелел только петух. Наиболее ранний из сохранившихся до наших дней башенный часовой механизм находится в соборе английского города Солсбери и относится к 1386 году. Позже появились карманные часы, запатентованные в 1675 году X. Гюйгенсом, а затем — много позже — и часы наручные. Вначале наручные часы были только женские, богато украшенные драгоценными камнями ювелирные изделия отличались низкой точностью хода. Ни один уважающий себя мужчина того времени не надел бы часы себе на руку. Но войны изменили порядок вещей, и в 1880 году массовое производство наручных часов для армии начала фирма Girard-Perregaux.

Первое упоминание о так называемых механических часах ученые нашли в древних византийских текстах — оно относится к 578 году.

Конструкция первых механических часов была простой. Гири на веревке, намотанной на горизонтальный вал, опускались и двигали стрелки с помощью зубчатых колес.

Сам часовой механизм был очень большим, поэтому первые часы помещали на башнях. В XI веке в Западной Европе появились башенные железные механические часы с одной стрелкой и с колокольным боем, приводившиеся в движение массивной гирей. С восходом Солнца их ставили на 0 ч. Зимой на цепь вешали тяжёлую гирю, а летом лёгкую. Чем тяжелее гиря, тем быстрее, преодолевая трение колёс, шли эти заводные часы без маятника. Сторож несколько раз в день поправлял их по солнечным часам.

В первых механических часах не было циферблата, они лишь через определённые временные отрезки подавали звуковые сигналы. По сути это был колокол, по которому через определённые промежутки времени наносились удары. Особенно удобной эта конструкция оказалась для канонических часов в соборах. В XIV веке ударное устройство приобретает форму человеческих или животных фигурок, которые в нужный момент ударяли в колокол. В крупнейших европейских городах стали появляться достаточно точные и красиво оформленные механические часы.

Первые в Западной Европе механические часы, устанавливаемые на башнях для того, чтобы можно было разместить гиревой движитель их механизма, имели всего одну стрелку — часовую. Минуты тогда не измерялись вообще; зато такие часы нередко отмечали церковные праздники. Маятника в таких часах также не было.

Первые часовые механизмы приводились в движение энергией опускающегося груза. Приводной механизм состоял из гладкого деревянного вала и намотанного на него пенькового каната с каменной, а позднее металлической гирей на конце. Благодаря силе тяжести гири, канат начинал разматываться и вращал вал. На вал было насажено большое или главное зубчатое колесо, находившееся в сцеплении с зубчатыми колесами передаточного механизма. Таким образом, вращение от вала передавалось механизму часов.

Период вращения колес в зубчатой передаче зависит от отношения диаметров входящих в нее колес (или отношения числа зубьев). Подбирая колеса с разным количеством зубьев, несложно добиться, например, чтобы одно из них совершало оборот 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 минутную 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 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 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.

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 палетами, поэтому его называют шпиндельным.

Из всех 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, который позже стал римским папой под именем Сильвестра II.

В XII веке в монастырях и кафедральных соборах появляются несложные устройства без циферблата, которые боем колокола оповещают братию о времени молитвы. Это были водяные часы, механизм которых находился внутри башни.

Но как бы то ни было, эра механических часов в Европе началась только в конце XIII века. В 1292 году часами обзавелся храм в Кентербери. В 1300 году встречается сообщение о том, что башенные часы сооружены во Флоренции. В 1314 году часы были уже во французских Каннах.

В XIV веке в Италии появляются чисто механические башенные часы. Самые старые из тех, о которых есть достоверная информация, датируются 1335 годом. Они были установлены в Милане на башне стоявшего там дворца виконта. И если уж говорить о тех часах, какими мы их знаем теперь, то следует признать, что история часов Европы началась именно с этого времени. Помимо них имеются сведения еще о нескольких башенных часах этого периода: в Падуе, в Монзе и в Модене. После Италии городские башенные часы появляются в Страсбурге, Аугсбурге, Нюрнберге, Франкфурте и Лионе. Первые башенные часы в Англии строятся в 1370 году.

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.