Первые механические часы с подвижными деталями были выполнены около 700 лет назад, но первые инструменты для измерения дневного времени существовали гораздо раньше – свыше 3000 лет назад. Египетский гномон датируется серединой 15 в. до н. э. Как и любые солнечные часы, он измерял дневное время по движению тени по особому циферблату.
Ранние конструкции часов
Вскоре вслед за солнечными часами появились водяные и песочные часы; время измерялось по изменению уровня воды или песка. Они оставались единственными счетчиками времени до тех пор, пока англосаксы не придумали размечать свечи на равные части. Единицей измерения времени в средние века были часы, и циферблаты любых часов – и солнечных, и звездных «ноктюрналов» – размечались в часах.
Все колесные часы работают, регулярно повторяя какие-то механические движения. Механические часы XIII-XIV вв. приводились в движение гирями, поворачивавшими шестерни механизма. Чтобы часы шли дольше нескольких секунд (свободного падения гирь), их усилие должно передаваться порциями. Для этого одна из шестерен (ходовое колесо) периодически «задерживается» и освобождается. Механизм, регулирующий движение ходового колеса, называют ходовым.
Одни из первых часов имели шпиндельный спуск. Две собачки, укрепленные на оси балансира, останавливали или освобождали зубья храпового ходового колеса, заставляя шпиндель балансира колебаться. Движение ходового колеса передавалось единственной стрелке циферблата.
Но громоздкие гири не могли служить приводом переносных часов. К середине XIV в. появились небольшие карманные часы, приводимые в движение пружиной.
Точность пружинных часов оставалась незначительной. На циферблатах некоторых таких часов появилась минутная стрелка, секундная же оставалась почти неизвестной вплоть до появления маятника. В 1657 г. голландский ученый Христиан Гюйгенс (1629-1695) под влиянием идей Галилея нашел условия, определяющие стабильность периода колебания маятника, и применил их в конструкции часов. С этого времени маятниковые часы оказались наиболее точными.
Маятник и ходовые устройства
Однако точность не была идеальной. С изменением температуры маятники то удлинялись, то сокращались. Около 1715 г. Джордж Гратам (Грэм) нашел первый из многих компенсаторов теплового расширения маятника. Наибольшим тормозом часового производства триста лет назад оставался шпиндельный спуск, который плохо сочетался с маятником. Новый тип спуска – анкерный – был изобретен в 1673 г. Он позволил тяжелому маятнику, качаясь с малым углом качания, обеспечить столь высокую точность часов, что до сих пор используется в некоторых моделях.
Другим решением явился баланс со спиралью, его «волоском». Один конец спирального волоска пружины неподвижен, а другой прикреплен к оси баланса. Пока баланс колеблется, волосок либо закручивается, либо раскручивается.
Балансная пружина также изобретена Гюйгенсом (1675). Позднее он поставил ее в морской хронометр для определения долготы. Но волосок, подобно маятнику, оказался чувствительным к температурным колебаниям. Удачная компенсация воздействия температурных колебаний на волосок была предложена в 1753 г. Джоном Гаррисоном (1693-1776), чей хронометр, изготовленный в 1759 г. для участия в правительственном конкурсе, отстал всего на пять секунд после шестинедельного плавания. Точность часов возросла еще больше и в результате использования ювелирных твердых камней в качестве подшипников. Трение в таких подшипниках очень мало, а износоустойчивость очень велика. Сапфиры и рубины были и остаются самыми популярными часовыми камнями.
Разработка конструкции карманных часов и ходовых механизмов продолжалась вплоть до середины XIX в., пока почти повсеместно не был принят анкерно-вилочный ход. В этом механизме, изобретенном Томасом Мёджем около 1755 г., но остававшемся непризнанным более полувека, собачки анкера укреплены на вилке, которая почти не качается. Это обстоятельство, а также массивность вилки обусловили повышение точности хода часов.
Современные и электрические часы
Сейчас с механическими часами конкурирует ряд часов новых конструкций. Часть их имеет электропривод только для завода пружины или ее подъема, другие – истинно электрические часы имеют либо электромагнитный регулятор хода маятника, либо работают от синхронного двигателя. Скорость вращения последнего постоянна и зависит только от частоты приложенного переменного тока.
Балансом – осциллятором могут служить и пьезоэлектрические кристаллы. Такие кристаллы приходят в состояние колебания и продолжают колебаться, когда на них накладывается подходящая переменная разность потенциалов. В микроэлектронных схемах высокочастотные колебания можно понизить до нескольких колебаний в секунду и использовать в ходовом механизме для управления спусками. Точность таких часов достигает десятой доли секунды в год. Еще более высокую точность имеют атомные часы, где источником колебаний служат процессы, происходящие внутри атома. Подобные часы представляют международный эталон времени.