Что такое часы и их древнейшие предшественники
Часы — это измерительный прибор, предназначенный для определения текущего времени с точностью до часов, минут и секунд. Стремление человека измерять время имеет многовековую историю, что и привело к созданию разнообразных устройств. Самый ранний известный прибор — солнечные часы — появился около 3000 лет до н.э. Их конструкция представляла собой циферблат (горизонтальный или вертикальный) со стержнем (гномоном), тень от которого и служила указателем времени. Изначально преобладали горизонтальные конструкции, но в Средние века большее распространение получили вертикальные.
От воды к механике: поиск независимости от природы
Солнечные часы имели существенный недостаток — они работали только днем и в ясную погоду. Это привело к изобретению водяных и песочных часов, которые могли показывать время в любое время суток. Водяные часы (клепсидра) представляли собой сосуд со шкалой, в который вода медленно капала из другой емкости; время определялось по уровню поднимающейся воды. Однако их точность оставляла желать лучшего. Принципиальный прорыв заключался в понимании, что время можно измерять не только линейным движением (песка или воды), но и периодическими колебаниями.
Рождение и совершенствование механических часов
Первые механические часы появились в XIV веке. Они использовали шпиндельный механизм с гиревым приводом, имели лишь часовую стрелку и были довольно неточными. В XVI веке в Германии были созданы первые карманные часы, где гирю заменила пружина, но проблема точности оставалась. Настоящую революцию в 1657 году совершил Христиан Гюйгенс, создав маятниковые часы, которые обеспечили значительный скачок в точности хода.
Дальнейшее развитие шло по пути усовершенствования механизма. В 1675 году Уильям Клемент (Великобритания) заменил шпиндельный механизм на крючковый, а Джордж Грагам — на анкерный. В том же году Гюйгенс изобрел балансовый регулятор — систему из колеса-баланса и спиральной пружины. Колебания этой системы, период которых зависел от инерции баланса и жесткости пружины, стали новым стандартом точности и надежности.
Борьба за точность: температурная компенсация и новые материалы
Однако у балансовых часов со стальной спиралью обнаружилась зависимость от температуры, что давало погрешность до 11 секунд в сутки. В XVIII веке Пьер Леруа применил в балансовой системе компенсационные грузы для нейтрализации этого эффекта. Значительный вклад в развитие часового дела внесли и русские изобретатели: Т.И. Волосков, И.П. Кулибин, И.П. Носов, Д.И. Толстой. Конец XIX века ознаменовался открытием Шарля Эдуара Гильома, который создал специальные сплавы с минимальным коэффициентом теплового расширения — инвар для маятников и элинвар для спиралей, что свело влияние температуры практически к нулю.
Классификация современных часов
Современные часы классифицируются по двум основным признакам: назначению и типу колебательной системы.
По назначению: бытовые (настольные, настенные, наручные, карманные) и специализированные (дорожные, подводные, антимагнитные, сигнальные, программные, процедурные, табельные, астрономические).
По типу колебательной системы: балансовые, камертонные, маятниковые, кварцевые, квантовые (атомные).
Механические и электромеханические часы
Сердцем механических часов является система зубчатых колес, приводимая в движение пружиной. Управляет ее ходом спусковой механизм (анкерный или другой). Помимо указания времени (часы, минуты, секунды), многие модели оснащены календарными функциями (дата, день недели, месяц). Существуют также модели с автоподзаводом, где пружина заводится движением качающегося груза (ротора).
Первые электромеханические часы появились в XIX веке. В них электромагнит использовался для подзавода пружины балансового или маятникового регулятора. Позже, в середине XX века, были созданы модели с электроприводом, непосредственно управляющим балансом, а затем — с механическими контактами. Современные версии используют интегральные микросхемы, что повышает их надежность и точность.
Электронно-механические и электронные часы
Электронно-механические (кварцевые) часы управляются импульсами от высокостабильного генератора на кварцевом кристалле. Эти импульсы приводят в действие шаговый двигатель, который вращает стрелки. Благодаря устойчивости кварца к температурным и механическим воздействиям, такие часы, производившиеся компаниями Seiko (Япония), Hamilton, Omega (США), Patek Philippe (Швейцария), обладают очень высокой точностью.
Электронные часы, появившиеся в конце XX века, также используют кварцевый генератор, но результат выводится на цифровой дисплей (на жидких кристаллах) с помощью счетчиков и дешифратора. Существуют и гибридные модели со стрелочной индикацией.
Точность и специализированные часы
Точность часов варьируется в зависимости от их типа и назначения: атомные (квантовые) — до 10^13 секунд, маятниковые — до 10^6 секунд, кварцевые — до 10^8 секунд, наручные кварцевые — около 2 секунд в сутки, балансовые — около 15 секунд, бытовые механические — от 5 до 60 секунд, будильники — до 1,5 минут.
Отдельную категорию составляют астрономические часы, требующие исключительной точности для научных наблюдений. После изобретения маятниковых часов Гюйгенсом они долгое время были основным инструментом, а проблема температурного расширения маятника решалась использованием специальных сплавов и термостатирующих камер. Вершиной точности среди механических астрономических часов стали часы конструкции Федченко. Однако к концу XX века их превзошли по точности кварцевые астрономические часы.