Годинник (прилад)
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Годинник (прилад)

Годинник , прилад для виміру поточного часу (у секундах, хвилинах, годиннику). Ч. відносяться до категорії «приладів часу», куди входять також хронометр, секундомір, таймер, реле часу і комбіновані прилади, наприклад Ч. з секундоміром. Для виміру часу можна використовувати рівномірну поступальну або обертальну ходу і періодичні коливання; мірилом часу в цих випадках буде відповідно пройденний дорога (або переміщення), кут повороту або число коливань.

загрузка...

  Першим пристроєм, за допомогою якого людина вимірювала час, були сонячні Ч. Уже в середині 3-го тисячоліття до н.е.(наша ера) як простих Ч. використовувався гномон . В Давньому Єгипті і Греції час відлічували по сонячних Ч. з горизонтальними або вертикальними циферблатами ( мал. 1 ). У Самарканді в 1-ій половині 15 ст Улугбек побудував сонячні Ч. заввишки близько 50 м. В середні віки в Європі значного поширення набули Ч. з вертикальним циферблатом. Такі Ч., наприклад, збереглися в Москві на будівлі Історико-архівного інституту і старій будівлі МГУ(Московський державний університет імені М. Ст Ломоносова). Поряд з сонячними Ч. вже в 2-м-коді і 1-м-коді тис. до н.е.(наша ера) в Індії, Єгипті, Китаї і Греції будувалися водяні Ч., які показували час і вдень, і вночі. Прості водяні Ч. були судиною з шкалою, проградуйованою в одиницях часу. У судину крапля за краплею поступала вода з наповненого по самі вінця (з зовнішнього джерела) резервуару. Постійність тиску води в резервуарі забезпечувала рівномірне наповнення судини і рівномірне підвищення рівня води в нім, що відзначається за шкалою. Близько 150 до н.е.(наша ера) Ктесибій створив водяні Ч. ( мал. 2 ), що стали прототипом Ч., які застосовувалися в багатьох країнах аж до 18 ст Рівномірний рух покладений в основу функціонування і деяких інших типів Ч., у тому числі пісочних.

  Перша згадка про механічні Ч. міститься у візантійській антології (кінець 6 ст). Одні історики приписують винахід механічних Ч. Пацифікусу з Верони (почало 9 ст), інші — ченцеві Герберту (згодом папа Сильвестр II), нібито в 996 що зробив гирьові баштові Ч. для р. Магдебурга, які не були механічними Ч. у сучасному розумінні. Швидше за все це були водяні Ч. з використанням механізмів для приведення в дію додаткових пристроїв, наприклад механізму бою Ч., але не відліку часу. Достовірно відомо, що прості по конструкції механічні баштові Ч. були побудовані в Мілані в 1335; у 1348—64 Донді в Італії створив Ч., які поряд з відліком часу відтворювали рух Сонця, Місяця і п'яти планет; у 1354 були встановлені Ч. Страсбургського собору з курантами, календарем і рухомими фігурами. У Росії перші баштові Ч. були зроблені в 1404 в Московському Кремлі ченцем Лазарем Сербіним; вони мали гирьові двигуни, механізм бою, планетарний механізм. У 15—17 вв.(століття) баштові Ч. почали встановлювати в багатьох містах Росії.

  В 14 ст з'явилися перші механічні Ч. з шпиндельним спуском ( мал. 3 ). В порівнянні з водяними Ч. шпиндельні Ч. були досконалішими, але все таки точність їх ходу не перевищувала 0,5 ч в добу; до 16 ст вони мали одну лише годинну стрілку. Близько 1510 нюрнберзький механік П. Хенлейн вперше застосував замість гирь сталеву пружину і створив кишенькові Ч. з шпиндельним механізмом. Із-за недосконалості пружин і самого шпиндельного механізму, що не має власного періоду коливань, свідчення цих Ч. сильно залежали від міри закладу пружини. У 1525 Я. Цех з Праги запропонував фузею, або равлика, — пристосування для вирівнювання зусилля пружини в часі, що дозволило підвищити точність пружинних Ч. Шпиндельні Ч., хоча і мали невисоку точність, відрізнялися високою надійністю і проіснували до кінця 19 ст

  Величезне значення для підвищення точності Ч. мало відкриття Р. Галілеєм ізохронності малих коливань маятника, тобто незалежності періоду його коливань від амплітуди. Галілей близько 1640 запропонував новий спусковий механізм, що нагадує сучасний хронометровий, але його ідея не отримала практичного втілення. Винахідником сучасних механічних Ч. по праву вважається Х. Гюйгенс, який в 1657 застосував маятник як регулювальника Ч. Маятниковиє Ч. навіть з недосконалим шпиндельним механізмом дозволили понизити погрішність за добу до 5—10 сек. В 1675 англійський годинникар У. Клемент запропонував замінити шпиндельний механізм на крючковий, є простим різновидом анкерного спускового механізму (див. Анкер ). Такий механізм зберігся до наших днів в простих маятникових Ч. типа ходіков ( мал. 4 ). Новий крок у вдосконаленні Ч. пов'язаний з ім'ям англійця Дж. Грагама, який винайшов скований анкерний механізм, що має значно менші втрати енергії, чим крючковий механізм Клемента. До 1675 Гюйгенса запропонував як регулювальник коливань використовувати систему «баланс—спіраль». Баланс — це колесо з масивним металевим (зазвичай латунним) ободом, укріплене на сталевій осі; спіраль — тонка пружина, один кінець якої кріпиться до осі балансу, а інший — до нерухомої опори. Виведена із стану спокою система «баланс — спіраль» здійснює коливання довкола своєї осі; момент інерції балансу і жорсткість спіралі визначають період коливань системи. Така коливальна система володіє власним періодом коливань; вона досить надійна при перенесенні і транспортуванні Ч. У зв'язку з вживанням балансового регулювальника в Ч. з пружинним двигуном було потрібно подальше вдосконалення спускових механізмів. До кінця 19 ст в кишенькових Ч. широко застосовувався винайдений Грагамом на початку 18 ст циліндровий механізм. З 2-ої половини 19 ст отримав поширення вільний анкерний механізм, до сього часу що застосовується у всіх переносних, у тому числі наручних і кишенькових, Ч. У зв'язку з підвищенням точності годинникових механізмів в кінці 17 ст в кишенькових Ч. встановлюють хвилинні стрілки, а приблизно з 1760 в Ч. стали застосовувати секундні стрілки.

  Значний вплив на точність ходу маятникових, особливо балансових, Ч. надає зміну температури довкілля. Погрішність ходу маятникових Ч. за добу при зміні температури на 1°С за рахунок зміни довжини маятника при сталевому стрижні складає 0,5, а при дерев'яному — 0,2 сік; для балансових Ч. із сталевою спіраллю близько 11 сік , в основному за рахунок зміни її жорсткості. В середині 18 ст було створено декілька типів маятників, температурна погрішність яких усувалася методом компенсації. Температурна компенсація балансового регулювальника, заснована на вживанні біметала, була запропонована в 1761 французьким годинним майстром П. Леруа. Такі баланси з компенсаційними вантажами по ободу застосовуються в сучасних морських хронометрах. Російський механік І. П. Кулібін в кінці 18 ст запропонував оригінальну конструкцію біметалічного балансу. В кінці 19 — початку 20 вв.(століття) швейцарський фізик Ш. Е. Гильом створив матеріали з близьким до нуля коефіцієнтом лінійного розширення (для маятників) — інвар, і з мінімальним значенням термоеластічеського коефіцієнта (для годинних спіралей) — елінвар . Використання цих матеріалів в Ч. у поєднанні з компенсаційними пристроями практично усунуло температурні дії на хід механічних Ч. Так, наприклад, Ч. з маятником з інвару навіть без компенсаційного пристрою мають температурну погрішність ходу за добу менше 0,05 сік на 1°С, а наручні Ч. із спіраллю з елінвара — менше 0,5 сік , що сповна задовольняє вимогам, що пред'являються до Ч. широкого вжитку.

  В Росії в 18 ст над вдосконаленням Ч., зокрема спускового механізму і способів температурної компенсації, працювали видатні механіки Кулібін, Т. І. Волосків, інженер Л. Сабакин. Кулібін створив ряд унікальних Ч., у тому числі Ч, що зберігаються в Ермітажі. у формі яйця, з фігурами, що автоматично виконують в час бою складні рухи; кишенькові планетарні Ч. з сім'ю стрілками, що показують години, хвилини, секунди, дні тижня, місяці, фази Луни, схід і захід Сонця. У 19 ст в Росії успішно працювали над вдосконаленням Ч. механіки Д. І. Толстой, І. П. Носів; годинникарі брати І. Н. і Н. Н. Бутеноп в 1851—52 повністю реконструювали куранти Спаської башти Московського Кремля (см. Кремлівські куранти ).

  За призначенням Ч. можна розділити (умовно) на побутових і спеціальних. Залежно від умов використання розрізняють побутові Ч. наручні, кишенькові, настольниє, настенниє, вуличні, баштові. Залежно від призначення виділяють спеціалізовані Ч. для підводного плавання, дорожні, антимагнітні і ін. Є велика група Ч. спеціального, службового призначення: сигнальні, табельні процедурні, програмні і ін. За типом коливальних систем, використовуваних в сучасних Ч., розрізняють маятникові, балансові, камертонні, кварцеві і квантовий годинник . Оскільки в Ч. підтримка коливань і індикація можуть виконуватися від різних енергетичних джерел і різними способами, то розрізняють механічні, електромеханічні (або контактні), електронно-механічні (або безконтактні) і електронні Ч. (наприклад, кварцеві з цифровою індикацією на рідких кристалах). Особливо виділяють синхронні або, як їх інколи називають, електричні Ч., що працюють від мережі змінного струму. Такі Ч. по суті є вторинними, а роль первинних Ч. виконує генератор електростанції. Первинними Ч. можуть бути також звичайні Ч., як правило, підвищеній точності, від яких з хвилинними або півхвилинними інтервалами по дротах передаються електричні імпульси вторинним Ч.

  Найбільш поширені (70-і рр. 20 ст) механічні Ч. з механічним (пружинним, гирьовим) приводом. Основні вузли сучасних механічних Ч. ( мал. 5 ) — двигун, система коліс, хід або спусковий механізм, регулювальник, стрілочний механізм і механізм закладу Ч. Пружіна (двигун) обертає барабан 1 (усередині якого вона знаходиться) і через нього систему коліс 2—5 , частота обертання яких визначається періодом коливань системи «баланс — спіраль» 6—7. Числа зубів коліс і період коливань балансу підбирають так, щоб колесо 2 робило один зворот в годину, а колесо 4 — один зворот в хвилину; на їх осях можуть встановлюватися відповідно хвилинна і секундна стрілки. Практично ж хвилинна стрілка закріплюється не на самій осі колеса 2 , а на трібе 9 , що дозволяє переводити стрілку незалежно від коліс 2—5. Колесо 2 через передачу 9—11— 12 приводить в рух колесо 10 , на якому кріпиться годинникова стрілка. При закладі обертання голівки 15 (через вал 14 , муфту 18 і колеса 17 , 19 і 20 ) повідомляється валу, на який намотується пружина. При переведенні стрілок витягують голівку 15 , муфта 18 за допомогою важелів 16 відводиться від тріба 17 і вступає в зачеплення з перевідними колесами 13 , обертання яких повідомляється стрілкам. Сучасні Ч. оснащують часто додатковим механізмом, що показує числа і дні тижня, а в крупному годиннику і місяці. У наручних Ч. часто застосовують протиударні пристрої, що оберігають їх механізм від поломок. Всього більшого поширення набувають наручні механічні Ч. з автоматичним підзаводом, в яких на механізмі Ч. з боку кришки розташований вантаж, що вільно коливається, у вигляді неврівноваженого сектора. При носінні Ч. на руці вантаж гойдається і через колісну передачу з реверсивним пристроєм подзаводіт пружину; за 10—12 годин пружина отримує завод, що забезпечує хід Ч. протягом 20 і більше годин. Споживач звільняється від необхідності заводити Ч. і, що особливо важливе, вони працюють при більш постійному значенні зусилля заводної пружини, внаслідок чого Ч. мають вищу точність ходу.

  Перші спроби вживання електричних пристроїв в Ч. відносяться до 30—40-м-коду рр. 19 ст Спочатку набули поширення електромеханічні маятникові і балансові Ч., у яких завод здійснювався за допомогою електромагніту, електродвигуна і т.д. Велике значення для подальшого розвитку електромеханічних Ч. мали роботи швейцарських годинникарів М. Гиппа і Л. Бреге, Ч, що створили. з електроприводом. У електромеханічних Ч. з електроприводом джерело живлення через контакти керовані маятником або балансом, періодично підключається до приводу, внаслідок чого в спусковому регулювальнику встановлюються автоколивання. Роль двигуна таких Ч. виконує сама коливальна система, рух якої з допомогою спец.(спеціальний) механізму перетвориться в переривистий обертальний рух стрілок.

  До середини 20 ст електромеханічні Ч. були в основному великогабаритними, маятникового, рідше балансового типа. На удосконалення конструкції малогабаритних, і перш за все наручних, електромеханічних балансових Ч. значний вплив зробила поява малогабаритних і енергоємних джерел струму, мініатюрних контактів. На початку 50-х рр. 20 ст з'явилися балансові наручні електромеханічні Ч., випущені фірмами у Франції — «Липнув» (Lip), в США — «Гамільтон» (Hamilton), електричний ланцюг яких при подачі імпульсу балансу замикався механічними контактами.

  Заміна механічних контактів електронними ключами на транзисторах, тунельних діодах, інтегральних мікросхемах вирішила проблему підвищення надійності електронно-механічних Ч. Современниє наручні електронно-механічні балансові Ч. мають точність ходу ±15 сік в добу, споживають близько 10 мка від джерела струму напругою 1,3—1,5 ст Такі Ч. з традиційними коливальними системами (осциляторами) — маятником або «баланс — спіраллю» — на відміну від контактних Ч. інколи називають безконтактними. Швидкодія електронних пристроїв і можливість управляти ними при малих амплітудах осциляторів зумовили розвиток камертонних і кварцевих Ч., що володіють високою точністю.

  В 70-х рр. 20 ст набули широкого поширення наручні і настольниє камертонні Ч. з автономною роботою без зміни батареї від 1 до 2 років при точності ходу ±2 сік в добу. Перший камертонний регулювальник з контактним переривником був створений А. Гийе в 1915. У 1919 У. Еклс і Ф. Джордан (Великобританія) і А. Абрахам і Е . Бліх (Франція) запропонували схему лампового камертонного регулювальника з електромагнітною системою приводу. Камертонні регулювальники на транзисторах для наручних Ч. вперше були виготовлені фірмою «Булова уотч компані» (Bulova Watch З) в США в 1950; у СРСР камертонні Ч. були випущені в 1962 на 2-м-коді Московському годинниковому заводі. У цих Ч. застосований механізм хропіння для перетворення коливань камертона в обертання стрілок. Одна з схем електромеханічних камертонних Ч. представлена на мал. 6 . При коливаннях камертона в обмотці звільнення наводиться едс(електрорушійна сила), яка відкриває транзистор, внаслідок чого в імпульсну обмотку поступає струм від джерела живлення. Частота коливань камертона — 360 гц.

  В електронно-механічних Ч. з відносно високочастотними (порядка 32 кгц ) кварцевими осциляторами електричні імпульси спускового регулювальника управляють роботою крокового або синхронного електродвигуна або синхронізують роботу двигунів постійного струму. У цих випадках схема управління складається з електронного дільника частоти, схеми формування імпульсів і підсилювачів. Більшість кварцевих Ч. має кроковий електродвигун. Регулювання ходу Ч. здійснюється за допомогою тріммера в ланцюзі кварцевого генератора. Вперше схема кварцевих Ч. була запропонована В. А. Маррісоном (Великобританія) в 1929; в кінці 70-х рр. такі Ч. випускають багато фірм, наприклад в Швейцарії «Патек Філіпп Ебош» (Patek Philippe Ebauches), «Омега» (Omega); у США — «Гамільтон»; у Японії — «Сейко» (Seiko). Високотемпературна стабільність, підвищена добротність і стійкість кварцевих генераторів до зовнішніх динамічних дій забезпечують точність побутових малогабаритних електронно-механічних Ч. близько 2 сік , а у великогабаритних прецизійних — 0,001 сік в добу.

  Кварцеві наручні Ч. набули поширення завдяки можливостям сучасної технології виготовлення напівпровідників і створенню інтегральних мікросхем. Ч. з електронною схемою і цифровою індикацією на рідких кристалах або світлодіодах називаються електронними. Електронна частина цих Ч. містить, окрім кварцевого генератора, дільники частоти (лічильник), дешифратори ( мал. 7а ). У СРСР випускається (1977) кварцевий годинник як із стрілочною, так і з цифровою індикацією ( мал. 7б ).

  Для узгодження свідчень групи Ч. застосовуються системи єдиного часу. Вони складаються з первинних високоточних Ч. і групи вторинних Ч., сполучених з первинними каналами зв'язку. Первинні Ч. управляють роботою вторинних Ч., які можуть бути звичайними електромеханічними Ч. або лічильниками електричних імпульсів. Для підвищення точності і надійності системи єдиного часу вторинні Ч. часто роблять автономними (що самостійно йдуть), хід яких періодично коректується або синхронізується сигналами точного часу від первинних Ч.

  Сучасні Ч. забезпечують широкий діапазон по точності залежно від практичних потреб виміру часу. Так, наприклад, атомні еталони, використовувані, зокрема, при космічних дослідженнях, мають відносну погрішність біля 10 ¾13 ; високоточні маятникові Ч. порядку 10 ¾11 ; кварцеві морські хронометри 10 ¾8 (тобто точність їх ходу складає декілька тисячних доль сік за добу); наручний кварцевий годинник має точність ходу в межах 2 сік в добу камертонні і балансові електронно-механічні Ч. до 15 сік в добу; механічні побутові Ч. високої якості до 5 сік , а середньої якості 30—60 сік в добу; механічні будильники 1—1,5 мін в добу.

  Літ.: Аксельрод З. М., Теорія і проектування приладів часу, Л., 1969; Дроздів Ф. Ст, Прилади часу, М., 1940; Баутін Н. Н., Динамічні моделі вільних годинних ходів, в кн.: Пам'яті А. А. Андронова, М., 1955; Шполянський Ст А., Чернягин Би. М., Електричні прилади часу, М., 1964; Константінов А. І., Флєєр А. Р., Час, М., 1971; Andrade J. F. С., Horlogerie et chronométrie, P., 1924; Defossez L., Théorie générale d’horlogerie, t. 1, Le Chaux-de-fonds, 1950; Haag J., Les mouvements vibratoires, t. 1. P., 1952.

  Ст І. Денісов, Би. М. Чернягин.

Мал. 7. Кварцевий наручний годинник з цифровою індикацією на рідких кристалах: а — блок-схема; б — зовнішній вигляд; До — кристал кварцу; Г — генератор електричних коливань; З — тріммер; f — частота коливань; Дш — дешифратор.

Мал. 4. Схема механізму маятникового годинника з гачкуватим спуском: 1 — повідець; 2 — вісь скоби; 3 — скоба; 4 — спускове колесо; 5 — основна колісна передача; 6 — колісна передача стрілок; 7 — стрілки; 8 — гирьовий привід; 9 — маятник.

Мал. 5. Схема механізму наручного механічного годинника: 1 — заводний барабан; 2, 3, 4 — основна зубчаста передача; 5 — спускове колесо; 6 — баланс; 7 — спіраль; 8 — анкерна вилка; 9 — тріб хвилинної стрілки; 10 — годинне колесо; 11 — тріб вексельного колеса; 12 — вексельне колесо; 13 — перевідні колеса; 14 — заводний вал; 15 — заводна голівка; 16 — перевідний і заводний важелі; 17 — заводний тріб; 18 — кулачкова муфта; 19 — заводне колесо; 20 — барабанне колесо.

Мал. 3. Шпиндельний спуск: 1 — шпиндель; 2 — вантажі шпинделя; 3, 4 — палети; 5 — спускове колесо; 6 — тріб.

Мал. 6. Схема камертонного годинника: Т — транзистор; R — резистор; C — конденсатор; L 1 — обмотка звільнення; L 2 — імпульсна обмотка; E — джерело живлення (гальванічний елемент); 1 — камертон; 2 — храповий механізм; 3 — колісна передача; 4 — стрілки (годинна, хвилинна, секундна).

Мал. 2. Клепсидра (водяний годинник): а — зовнішній вигляд; би — розріз; 1 — трубка подачі води із стороннього джерела; 2 — фігура, з очей якої вода крапля за краплею рівномірно поступає по трубці 3 в резервуар 4; 5 — пробка з укріпленою на ній фігурою 6, показуючою паличкою час на циліндровому циферблаті 7; 8 — трубка сифона, по якій в кінці доби вода витікає з наповненого резервуару 4, повертаючи циліндр 7 довкола вертикальної осі на 1 / 365 частина кола.

Мал. 1. Сонячний годинник: а — горизонтальні; б — вертикальні; 1 — стрижень (пластина), тінь від якої служить покажчиком часу на циферблаті 2.