Системный анализ объекта "Часы"

              Маятниковый регулятор Гюйгенса произвел подлинный переворот в  технике . Важное усовершенствование регулятора произошло в  1674 году, когда Гюйгенс присоединил к  колесику-маховику  спиральную  пружину .

Позже  Гюйгенс  немало  потрудился  над  усовершенствованием карманных пружинных часов. Около 1676 года английский часовщик  Клемент  изобрел  якорно-анкерный спуск, который очень удачно подходил к маятниковым часам, имевшим  небольшую амплитуду колебания .

Был создан первый балансовый регулятор или балансир  со  свойствами, подобными свойствам маятника. Выведенное из состояния  равновесия,  колесико балансира  начинало  совершать  колебательные  движения  вокруг  своей  оси. Балансир имел постоянный период колебания, но  в  отличие  от  маятника  мог работать в любом положении, что очень важно для карманных  и ручных часов. Усовершенствование Гюйгенса произвело среди  пружинных часов такой  же переворот, как введение маятника в стационарные настенные часы.

В 1770 году Авраам-Луи Перле (1729-1826) создал в Ле Лёклё "вечные часы", которые заводились в кармане под влиянием движения и стали предтечей современных моделей с автоподзаводом.

Более полувека спустя в Ла Вале де Жу один из основателей знаменитой часовой компании Patek Philipp Адриан Филипп (1815-1894) изобрел подвесные часы с маятниковым подзаводом. Открытия и изобретения привели к выпуску усложненных изделий с дополнительными функциями хронографа, вечного календаря, обратного отсчета времени.

На пороге ХХ века в результате введения новых технологий возникло массовое производство: Пьер-Фредерик Ингольд (1787-1878) изобрел машину для точного и быстрого вырезания плат и шестеренок, а Жорж-Август Лешо (1800-1884) ввел принцип взаимозаменяемости запасных частей как основу стандартизации.

Конец первой мировой войны ознаменовался появлением и быстрым ростом популярности наручных часов, в середине 20 годов в Гренхене были созданы первые наручные модели с автоподзаводом. Для завода наручных часов также используется механизм автоподзавода. Классический механизм состоит из ротора (инерционного сектора), оборачивающегося вокруг центральной оси часов, и реверсивного устройства, обеспечивающего преобразование двухстороннего вращения ротора в одностороннее вращение вала пружинного барабана. При различных движениях запястья руки, под действием силы тяжести, ротор поворачивается вокруг своей оси, предавая через зубчатую передачу вращение на вал заводной пружины, заводя ее. В таких часах пружинный барабан устроен таким образом, что во время завода пружины, при достижении максимального момента, пружина будет проскальзывать, предотвращая поломку часового механизма.

Таким образом, механическая часть  современных часов состоит из

1.      Устройства, которое приводит в движение часовой механизм и состоит обычно из гирь или пружин.

2.      Зубчатой передачи, то есть последовательности зубчатых колес, которая соединяет приводное устройство со спусковым и позволяет измерять время.

3.      Механизма хода, то есть ряда деталей, которые связывают движение минутной стрелки с движением часовой стрелки. В часовых механизмах с циферблатом ходовой механизм расположен обычно между циферблатом и платиной.

4.      Спускового механизма, или спуска, который регулирует снабжение энергией маятника или системы баланс-спираль и обеспечивает управление движением зубчатой передачи. Наиболее распространенными типами спусков являются анкерный или рычажный, штифтово-палетный, цилиндровый и спуск с арретиром.

5.      Регулирующего устройства; оно регулирует движение, создаваемое приводным механизмом. Состоит оно из маятника, системы баланс-спираль, или любой другой системы, способной определять интервалы времени.

6.      Заводного механизма и механизма установки стрелок (управляется нажимной кнопкой, вытяжной головкой или перестановочным рычагом и т.п.). Механические часы всех видов можно заводить вручную, с помощью электричества или автоматически.

Для передачи энергии от пружины через шестереночный механизм к балансу, а также поддержания его колебаний и управления скоростью вращения шестереночного механизма, служит анкерный механизм. Анкерный механизм состоит из анкерного колеса (шестеренки), как правило, с 15 зубчиками, анкерной вилки, с впрессованными в паллеты синтетическими рубинами, и баланса. Анкер периодически освобождает зубчатую передачу и преобразует энергию пружины в импульсы, передаваемые балансу для поддержания его колебаний со строго определенным периодом, и преобразование этих колебаний в равномерное вращение шестереночного механизма. Изогнутые концы анкерной вилки называются паллетами. Их две - входная и выходная. При подъеме входной паллеты одновременно опускается выходная, и анкерное колесо поворачивается на один зубец. Затем поднимается выходная паллета и опускается входная, анкерное колесо поворачивается еще на один зубец и т.д. Во время подъема входной паллеты, под действием анкера, баланс поворачивается на пол-оборота до ограничителя, при этом собственная пружина баланса сворачивается. Во время опускания входной паллеты, под действием собственной разворачивающейся пружины, баланс совершает движение в обратную сторону до второго ограничителя. Таким образом, баланс постоянно совершает строго ограниченные полуколебания, уравновешивая тем самым ход часового механизма .

Поскольку само балансное колесо (баланс) представляет собой двойной маятник, то на точность его хода, как и в случае с простым маятником, оказывают влияние температура, трение и сила притяжения Земли. Так как балансное колесо делают из металла, то оно, как и все металлы, подвержены расширению и сжатию под действием температуры. Для минимизации этого влияния колесо делают биметаллическим: из материалов с разным коэффициентом расширения, например, стали и цинка.

Функциональный аспект

Для уменьшения силы трения концы оси баланса (цапфы) делают очень тонкими, порядка 0.07-0.08 мм. Поэтому при неосторожном обращении с часами может произойти поломка цапфы. С целью предохранения оси баланса от поломки, для крепления баланса в платине и мосте используют противоударный механизм. В обычной конструкции узла баланса сквозные камни, в которых находятся цапфы, жестко запрессовывают в отверстия платины и моста, а накладные камни - в отверстия накладок, привинченных к плоскостям платины и моста. Между камнями оставляют зазоры, заполняемые при сборке узла часовым маслом. В противоударном механизме оси баланса запрессованы в специальные подвижные опоры. Подвижная опора устроена таким образом, что при осевом ударе ось баланса будет смещаться вверх до тех пор, пока широкая часть оси баланса не упрется в узкое отверстие сквозного камня, приняв на себя, таким образом, силу удара. При боковом ударе ось баланса будет смещаться в бок до тех пор, пока не упрется своей утолщенной частью в стенку отверстия опоры. Таким образом, вместо тонких цапф, все нагрузки принимают на себя утолщенные части оси баланса, предохраняя первые от поломки и изгиба.

Балансир, части спускового механизма и части зубчатой передачи являются в конечном счете вращающимися деталями. В дешевых часах всех видов они вращаются непосредственно в подшипниках скольжения платин и мостов, но в лучших приборах в качестве подшипников используются часовые камни для противодействия износу.

Одной из составляющих точности хода часов является снижение трения. Такие части часового механизма, как оси шестеренок, ось баланса, ось вилки и т.д., опираются на синтетические рубиновые камни, представляющие собой плоские миниатюрные цилиндры с воронками для удержания часового масла. Применение в часах рубиновых камней обусловлено тем, что потери на трение у передающих пар должны быть минимальны.

Этому требованию удовлетворяет рубин, имеющий наименьший коэффициент трения в паре со сталью, еще более снижающийся в процессе эксплуатации. Начало использование рубиновых камней уходит к 1700 году, когда начали использоваться природные рубины. Использование синтетических камней началось в 1902 году, и сегодня без них не обходится ни одно часовое производство. В зависимости от качества механизма обычно используются 7, 15, 17 камней или 21 камень .

Часовые механизмы, обладающие наибольшей точностью, называют хронометрами. Это особо точные часы, ход которых практически не зависит от колебаний температуры, механических вибраций и тяги заводной пружины. Первыми на свет появились морские хронометры как основной прибор навигации. Позже хронометры стали применять в геодезии, картографии, астрономии. Устройство хронометра аналогично устройству карманных часов. Движущей силой в них является сила упругости сильной спиральной пружины, а регулятором движения стрелок — баланс (балансир), колеблющийся то в одну, то в другую сторону под действием cлабой спиральной пружины. От карманных часов хронометры отличаются большими размерами и большей точностью механизма. Размер циферблата хронометра около 10 см. На нем имеются часовая, минутная и секундная стрелки. Механизм хронометра устроен так, что секундная стрелка резко перескакивает каждые полсекунды с четким ударом, слышимым на расстоянии нескольких метров

Часы всех видов могут быть снабжены механизмом боя, звонком или музыкальным устройством. Каждое из этих устройств требует специального механизма. Изобретением другого часового устройства – репетира — люди обязаны темноте: до изобретения циферблата с подсветкой было сложно определить время с наступлением сумерек.

Репетир представляет собой устройство часового механизма, которое позволяет часам мелодичным боем разной тональности сообщать о текущем времени. Часы с репетиром отбивают час, четверть часа, пять минут и минуты. Каждый бой имеет собственную мелодию и частоту. Первый патент на устройство репетира для карманных часов был выдан английскому часовому мастеру Даниэлю Квэа в 1687 году королем Англии Яковом Вторым. Владельцами первых часов с репетиром были монархи Франции и Англии, поэтому такие часы стали своеобразным символом аристократичной изысканности и до сих пор являются предметом гордости и почтения для большинства их владельцев.

Вечный календарь — устройство, которое состоит из колеса индикатора месяца, которое совершает один оборот в год и вращает колесо индикатора високосного года, а то в свою очередь делает полный оборот уже за четыре года.

Заключение

В настоящее время в группу часов включаются приборы, предназначенные главным образом для измерения времени или для выполнения некоторой операции, связанной со временем.

Первое упоминание о механических часах относится к концу 6 столетия. Современные механические часы были созданы нидерландским ученым Христианом Гюйгенсом в 1657 году.

Из всех механизмов, сделанных в Средние века, самым сложным и оказались механические часы. Появление и совершенствование этого механизма, были вызваны потребностями общества (церковные службы, коммерция, навигация, технологические процедуры) и инициировали развитие науки механики и социальный прогресс.

С точки зрения системно- структурного анализа  механические часы представляют собой  искусственную открытую механическую колебательную систему. Система, являясь конкретным видом реальности, находится в постоянном движении, в ней происходят многообразные изменения. Однако всегда имеется такое изменение, которое характеризует систему как ограниченное материальное единство, и выражается в определенной форме движения. Внешним системообразующим фактором для механических часов является источник внешней энергии, превращающий часовой механизм из набора деталей в функционирующее устройство.

Часы представляют собой открытую  колебательную механическую систему, в которой превращает механическую энергию от внешней среды  с помощью внутреннего эталона времени из невидимой в в видимую форму . Основные подсистемы (узлы) механических часов:

      Двигатель

      Система колес – передаточный механизм

      Ход или спусковой механизм

      Регулятор – создает равномерное движение

      Стрелочный механизм

      Механизм заводки часов и перевода стрелок

В качестве источника энергии, обеспечивающего работу часового механизма обычно применяется спиральная пружина, расположенная в барабане с зубчатым краем.

              Создание часов требовало и требует сложных расчетов и кропотливого труда, особых инструментов и новых материалов, они давали прекрасную возможность для соединения науки и практики. Многие конструкторские идеи, получившие потом распространение в других отраслях техники, были поначалу опробованы в часах, а для многих механизмов, созданных в последующие времена, часы послужили образцом. Они явились как бы опытной моделью всего механического искусства

ЛИТЕРАТУРА

1.      . Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. -М.: Центр, 2002. -208 с.

2.      Большая Советская энциклопедия (В 30 томах) /Под. ред. А.М.Прохорова. -т.29.- М.: Советская энциклопедия, 1978.- 640 с.

3.      Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. - М.: Высш. шк.. 1998. - 383 с.

4.      Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие. - М: Высш. шк.. 2002.-718 с.

5.      Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания.-Новосибирск: ЮНВА, 1997.-830с.

6.      Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие. – М.: Гардарики, 2000. -476 с.

7.      Рузавин Г.Н.  Концепции современного естествознания.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.-320 с.