Как работают часы

Основные принципы работы механических часов

Любой обладатель хронографа задумывался, как работают механические часы. Принцип работы довольно прост. Пружина представлена в виде двигателя, который вращает шестеренки и стрелки. Контролирует работу регулятор скорости. Энергия для работы создается скрученной пружиной. Разберем отдельные механизмы подробно.

Двигатель

Как и любому другому устройству, хронографу требуется источник питания, обеспечивающий энергию для работы. В часах источником может служить гиря, характерная для маятниковых изделий, или пружина, используемая в хронографах с балансом. Пружина представляет собой свернутую полоску из стали. Она находится в барабане, который одет на вал с возможностью независимого вращения. Вращение этого вала заводит часовой механизм. Происходит это из-за сжатия и растяжки пружины. Для того чтобы это процесс выполнялся постоянно, в механизм встроен баланс.

Регулятор

Задаваясь вопросом о том, как называется в часах механизм для поддержания энергии, представьте стержень с ободом вокруг него. В центр этого стержня вставляется вращающаяся ось. Внутри обода находится двигатель (пружинка). При вращении она растягивается и сжимается за счет постоянного движения обода. Он же в свою очередь движется за счет деформаций пружинки. Это взаимодействие и создает энергию для работы. Движение происходит с определенной амплитудой, однако из-за сил трения со временем двигатель остановится и его придется заводить.

Передача энергии

На всякий случай посмотрите материал о том, как отличить часы Rado от подделки.

Как называется механизм в часах, распределяющий, полученную от двигателя, энергию? Этот элемент называется анкерный спуск. Он не только служит транспортировщиком энергии между пружиной и регулятором, но и обеспечивает равномерное движение шестеренок. Этот элемент состоит из анкерной вилки с двумя паллетами и зубчатого кольца.

Благодаря одному движению двигателя, анкерное кольцо перемещается на одно деление, поворачивая вилку. Она в свою очередь действует на регулятор и дает ему энергию. Кроме того, анкерная вилка стопорит колесо и не дает ему вернуться в обратное положение.

Двигаясь в обратное положение, баланс задевает вилку, отцепляя кольцо. Это дает возможность повернуть анкерное кольцо еще на деление и повторить действие. Этот рабочий процесс создает частоту, с которой осуществляется распределение энергии между всеми деталями.

Вот как работают часы, механические элементы которых являются источником питания. Эти основы действуют на все виды стандартных хронографов. Конечно, в работе существует множество нюансов, характерных для той или иной марки. Если вы хотите узнать, как называется на часах крутилка, барабан, шестеренка или другой элемент, стоит обратиться к инструкции интересующих вас часов. Поскольку изделия имеют свои характерные особенности, обобщить их не представляется возможным.

Как работают часы

May 22, 2015

Устройства для измерения и отслеживания времени используются уже много тысяч лет. Часы – прибор для изменения времени (дней, лет, фаз Луны и т.д.) в условных единицах (час, минута, секунда). В основном используется для определения текущего времени, но может выполнять и другие функции: измерение длительности события, активация сигнала в определенный момент времени.

По типу известного на сегодняшний день измерительного механизма различают несколько видов часов: солнечные, песочные, водяные, механические, камертонные, кварцевые, электронные, атомные.

История

Часы используются с древних времен. Так шестидесятеричная система измерения времени датируются примерно 2000 годом до н.э. С развитием технологий появлялись новые модели, более точные, производительные, презентабельные. В дополнение к своей практичной функции, часы стали объектом ювелирных изделий, статусным символом.

В древности были известны несколько видов часов: водяные часы или клепсидры, солнечные, песочные и другие виды, включая неизвестные истории. Водяные и солнечные часы были изобретены в Египте во времена Птолемея. Древние Египтяне разделили день на два 12-часовых периода и использовали большие обелиски для отслеживания движения солнца. Песочные часы появились значительно позже во времена римской империи, с их помощью римские ораторы измеряли длительность своих выступлений.

Первые механические часы были изобретены в Европе примерно в начале 14-го века. В таких часах использовался механизм Фолио или зубчатое колесо с приводом на стрелки и перемещалось с контролируемой скоростью через определенные размером зуба промежутки времени. Изобретение этого механизма сыграло важную роль в развитии техники, он стал основой для последующего развития всех механических часов. Это позволило перейти от измерения времени при помощи непрерывных процессов, таких как поток жидкости в водяных часах. Последующее усовершенствование механизма позволило создать в начале 15 века портативные часы, получившие название «карманные». Эти часы были не очень точны пока в середине 17 века в механизм не было добавлено балансовое колесо.

Часы с маятниковым механизмом были изобретены в начале 17 века и оставались наиболее точными до 1930 года когда были изобретены кварцевые часы, а после Второй мировой войны были представлены атомные (квантовые или молекулярные) часы. Хотя практическое применение всех этих технологий изначально ограничивалось лабораториями, развитие микроэлектроники в 1960 годах позволило сделать кварцевые часы компактными и дешевыми в производстве, а в 1980-х они стали доминирующими в мировом производстве хронометров, в том числе и наручных.

Атомные часы являются самыми точными известными на сегодняшний день и используются для калибровки других часов. В них используются собственные колебания на уровне атомов или молекул.

Принцип работы и основные компоненты

Хотя сам механизм часов неоднократно усовершенствовались со временем, основные принципы их работы остались неизменными. Главными компонентами любых часов, будь то механические, кварцевые, атомные и др. являются объект (осциллятор), который повторяет одни и те же движения снова и снова и источник энергии. Энергия источника заставляет объект производить колебания, которые преобразуются в серию импульсов. Импульсы подсчитываются с помощью некоторого счетчика и их число преобразуется в удобных единицах: секунда, минута, час. Наконец некий индикатор отображает результат в читаемой форме. Связь между компонентами, в зависимости от типа часов, может быть механическая, электронная и др.

Источник энергии

В механических часах источником энергии, как правило, является либо гиря, подвешенная на шнуре или цепочке обернутой вокруг шкива зубчатого колеса или барабана, либо пружина. Пружина представляет собой скрученную спираль. Периодическое восстановление энергии скрученной спирали в механизме производится путем поворота ручки или ключа. В случае с гирей необходимо потянуть за конец цепи или шнура с противовесом гири.

В электрических и кварцевых часах источник питания батарея или линия электропередач переменного тока. В часах которые используют электросеть применяют резервный аккумулятор, который позволяет часам не сбиваться при отключении от сети. Современные аналоговые часы могут работать до 15 лет на заряде одной батареи.

Осциллятор

В современных часах элементом хронометража является гармонический осциллятор или резонатор. Это вибрирующие или колеблющиеся с постоянной частотой системы за счет накопленной энергии.

В механических часах, это маятник или балансир.
В некоторых ранних электронных часах – камертон.
В кварцевых часах – кристалл кварца.
В атомных часах это вибрация электронов в атомах излучающих микроволны.
В первых механических часах до 1657 в механизме не применялся гармонический осциллятор, что делало такие часы очень неточными. Погрешность составляла примерно один час в сутки.

Баланс колеса и маятника достигается средствами регулировки скорости колебаний. В кварцевых часах для этой цели используется регулирующий конденсатор. Атомные часы являются эталонными, скорость их колебаний не может быть скорректирована.

Синхронизированные или вторичные часы

Некоторые часы полагаются на точность внешних источников, т.е. они автоматически синхронизируются с более точными часами. Такая практика широко применялась с 1860 по 1970 года для маятниковых механических часов установленных в зданиях различных учреждений. Периодически, обычно раз в час, часы получали сигнал синхронизации от задающего генератора. Позже, для электронных часов, такая синхронизация проводилась при сбое питания.

Счетчик

Счетчик подсчитывает импульсы суммируя их, чтобы получить традиционную единицу времени: секунда, минута, час. Отчет, как правило, начинается с введенного вручную в счетчик правильного времени. В механических часах это делается при помощи зубчатой передачи, в цифровых используется двоичная логика.

Индикатор

Индикатор – устройство выводящее результат подсчета импульсов в читаемом виде: секунда, минута, час. Самые ранние часы 13-го века не имели визуального индикатора. О текущем времени оповещал ежечасный звуковой сигнал (колокол или др.). Многие часы и по сей день имеют традиционное ежечасное звуковое оповещение.

Самый распространенный индикатор – аналоговый циферблат, который состоит из круглого диска с цифрами от 1 до 12, часовой стрелки, которая делает два оборота в сутки, минутной стрелки, делающей один оборот в час. В цифровых часах индикатор – цифровой дисплей, также для людей с ограниченными физическими возможностями существуют говорящие часы.

Как работают электронные часы

Иллюстрация: Максим Чатский

Сердце электронных часов — кварцевый генератор. Он вырабатывает электрические импульсы с высокой точностью. Как маятник у механических часов, только работает гораздо быстрее.

Пьезоэлектрический эффект так же используется:

— в пьезозажигалках для получения искры,
— в микрофонах для преобразования звуковых волн в электромагнитные,
— для сверхточного управления положения головки жесткого диска,
— для подачи чернил в некоторых типах струйных принтеров.

Работу кварцевого генератора обеспечивает пьезоэлектрический эффект. Кварц — это такой кристалл, который изменяет свою форму, когда по нему проходит электричество, и наоборот: при изменении своей формы он вырабатывает электричество обратно.

Главная деталь генератора — пластинка из кварца нужного размера. От размера зависит частота собственных механических колебаний пластинки. Эту пластину закрепляют между двумя электродами, на которые подается переменный ток. Пластинка сгибается от тока и при разгибании сама вырабатывает электрический импульс. Частота этих импульсов равна частоте разгибаний – собственных механических колебаний пластинки.

Для электронных часов обычно используются генераторы с частотой 32768 герц, это 32768 импульсов в секунду. Такая частота удобна с технологической точки зрения, ведь это 2 в 15 степени. Чтобы понизить эту частоту до 1 герца надо уменьшить частоту в два раза 15 раз подряд.

Время течет куда медленнее, чем генератор вырабатывает электрические импульсы. Значит, нужно уменьшить количество импульсов до одного в секунду (1 герц). Для этого используется делитель частоты. Это электронная схема, которая уменьшает частоту входящих сигналов. На входе мы получаем 32768 герц, а на выходе — 1 герц. То, что нужно — часы могут показывать секунды.

Чтобы вывести время у нас есть три цифровых дисплея: секунды, минуты и часы. Раз в секунду мы получаем электрический импульс, который отправляем на дисплей с секундами, его значение увеличивается на один. Параллельно этот импульс отправляем на следующий делитель частоты, который уменьшает частоту в 60 раз: получаются минуты и отправляются на дисплей с минутами. Следующий делитель обеспечивает дисплей с часами.

Электронные часы со стрелками работают почти так же, только обходятся одним делителем. Электрический импульс раз в секунду приходит на миниатюрный электрический двигатель. Тот поворачивает шестеренку, двигающую секундную стрелку. Дальше работает механика: все преобразования для минутной и часовой стрелок идут через систему шестеренок.

Почему в наше электронное время популярны механические часы

Стремительный темп жизни современного человека требует постоянного и точного контроля времени. И часы в этом смысле являются необходимым атрибутом. С того момента, как появились мобильные телефоны, а особенно смартфоны, необходимость в наручных часах, казалось бы, отпала. И, тем не менее, многие остаются верными таким часам. Более того, новомодной электронике предпочитают классическую механику.

Содержание статьи

История приборов для измерения и слежения за временем насчитывает уже не одно тысячелетие. Человечество перепробовало различные механизмы часов: солнечные, песочные, водяные, огненные, кварцевые, электронные и атомные. Механические часы появились в Западной Европе, а именно в Англии в 1228 году были построены первые башенные куранты. И только в 1657 году мир увидел карманные часы, когда известный математик Гюйгенс впервые применил маятник для регулирования точности хода. Первые наручные часы были созданы еще в начале 19 века, но они показались нашим предкам непрактичными, и еще почти 100 лет первенство было за карманными экземплярами. Лишь в начале 20 века оценили удобство наручных часов, причем это были военные авиаторы. Классикой часового дела являются механические часы с ручным подзаводом. Двигателем, т.е. источником энергии, в этом механизме является спиральная пружина, расположенная в барабане. Во время завода спираль закручивается. А, раскручиваясь, она заставляет вращаться барабан, который уже и приводит в движение весь сложный часовой механизм: стрелки и многочисленные колеса. Такие часы нужно регулярно подзаводить вручную.

Механические часы с автоподзаводом (automatic) совмещают в себе давние традиции и современные технологии. Спиральная пружина в этом случае дополнительно оснащается элементом автоподзавода — инерционным грузом. Такой механизм не нужно заводить вручную, поскольку груз начинает вращаться от любого движения руки. Вращение передается шестеренкам, которые и заводят главную пружину.

История механических часов составляет около 400 лет, а вот кварцевые часы были созданы всего 40 лет назад. Но это не главная причина, по которой кварцевые часы по себестоимости ниже механических. Точность хода определяет кристалл кварца. В этих часах относительно мало деталей, они не требуют ювелирной ручной настройки и сборки. Это позволяет большинство производственных операций автоматизировать. В механических же часах используются детали с допусками повышенной точности. Массовое производство в этом случае организовывать нецелесообразно.Точность хода кварцевых часов однозначно выше, нет необходимости постоянно следить за их подзаводом. И все-таки однозначного ответа на вопрос, какие часы предпочтительнее – кварцевые или механические – не может дать никто. Скорее, преимущества механических часов каждый определяет для себя сам. Но большинство поклонников механики сходятся на том, что это «живой механизм», хранящий частичку души своего мастера. Когда возникает вопрос, какие часы выбрать, многие скажут: «желательно швейцарские». Ведь это классика, эталон механических часов. И неслучайно. В Швейцарии часовое дело начало развиваться после того, как на ювелирные изделия был введен высокий налог. Многим ювелирам пришлось осваивать профессию часовщика. И у них это получилось настолько мастерски, что фирмы, созданные 200-300 лет назад, до сих пор занимают лидирующие позиции на рынке. И даже в наш век электроники и кибернетики принято считать, что механические часы – это настоящие часы.

Но нельзя игнорировать тенденции моды. Сегодня часы перестали быть просто удобным прибором для слежения за временем. Этот аксессуар – часть образа современного человека. Он необходим как хороший портмоне, качественная обувь или фирменный галстук. Именно высококлассные механические часы говорят о статусе владельца, его вкусе. Для делового человека такие часы равносильны визитной карточке. И, невзирая на стремительное развитие электронных механизмов, многие остаются верными «живой» механике.

Распечатать

Почему в наше электронное время популярны механические часы