Часы, прибор для измерения времени

Определение "Часы, прибор для измерения времени" в словаре Брокгауза и Ефрона

Часы, прибор для измерения времени Содержание: 1) Исторический очерк развития часовых механизмов: а) солнечные Ч., b) водяные Ч., с) песочные Ч., d) колесные Ч. — 2) Общие сведения. — 3) Описание астрономических Ч. — 4.) Маятник, его компенсация. — 5) Конструкции спусков Ч. — 6) Хронометры. — 7) Спуски хронометров. — 8) Баланс и спираль. — 9) Условия, влияющие на ход хронометра. — 10) Компенсация хронометра. — 11) Производство Ч.

1) Исторический очерк развития часовых механизмов (солнечные, водяные, песочные, колесные Ч.).

а) Древнейшим инструментом для определения времени служил гномон (см.). Изменение длины его тени указывало время суток. О таких простейших солнечных часах упоминается в Библии (Исайя, 38); Аристофан сопоставляет время обеда с эпохой дня, когда тень гномона достигает десяти футов. По рассказам греческих писателей, настоящие солнечные Ч., т. е. специальные инструменты, указывавшие дневные часы, заимствованы были греками у вавилонян. Бероз, по рассказу Витрувия поселившийся в VI в. до Р. Х. на о-ве Косе, устроил так назыв. скафис. Эти солнечные Ч. были усовершенствованы Анаксимандром и Анаксименом. В половине XVIII столетия при раскопках в Италии нашли именно такой инструмент, какой описан у Витрувия. На сфероидальной выемке (см. фиг. 1) нанесены линии часов.

ЧАСЫ I

1. Скафис (солнечные часы древних). 2. Новейшие солнечные часы. 3. Клепсидры Ктезибия. 4. Астрономические часы с маятником (вид сбоку). 5. То же (разрез). 6. То же (разрез). 7. То же (наружный вид). 8. Циклоидальный маятник. 9—13. Компенсированный маятник. 14. Ртутная компенсация маятника.

Тень бросал горизонтальный или вертикальный прут (s), или шарик в центре инструмента. Все древние народы делили не сутки на 24 часа, но день от восхода до заката солнца на 12 час. и ночь на 12 час., и поэтому их час (как мера времени) был различной длины в зависимости от времени года. Поверхность выемки в солнечных Ч. и "часовые" линии на ней подбирались так, чтобы конец тени прута указывал час. Угол, под которым срезана верхняя часть камня, зависит от широты места, для которого изготовлены Ч. Последующие геометры и астрономы (Эвдокс, Аполлоний, Аристарх) придумывали разнообразные формы для солнечных Ч. Сохранились описания таких инструментов, носивших самые странные названия сообразно их виду. Иногда штифт, бросающий тень, помещался параллельно оси земли. — Первые солнечные Ч. привезены в Рим консулом Валерием Массала из Сицилии в 263 г. до Р. Х. Устроенные для более южной широты, они показывали час неверно. Для широты Рима первые Ч. устроены около 170 г. Марцием Филиппом. Арабские астрономы (Тебит-бен-Кора, Абул-Гассан-Али, Эбн-Юнис) оставили обширные трактаты по гномонике, или искусству строить солнечные Ч. Основанием служили правила тригонометрии. Кроме "часовых" линий, на поверхности арабских Ч. наносилось еще направление к Мекке, так назыв. Kibleh. Особенно важным считался момент дня, когда конец тени вертикально поставленного штифта приходился на линии Kibleh. Вместе с введением равных часов дня и ночи (не зависящих от времени года) задача гномоники упростилась значительно. Вместо того, чтобы замечать место конца тени на сложных кривых, достаточно замечать направление тени. Если только штифт расположен по направлению оси земли, то тень его лежит в плоскости часового круга солнца, а угол между этой плоскостью и плоскостью меридиана есть часовой угол солнца или истинное время. Остается только находить пересечение последовательных плоскостей с поверхностью "циферблата" Ч. Чаще всего это была плоскость, перпендикулярная штифту, т. е. параллельная небесному экватору (равноденственные Ч.); на ней направление тени изменяется на 15° за каждый час. При всех других положениях плоскости циферблата углы, образуемые на ней направлением тени с линией полудня, не растут равномерно (см. фиг. 2).

Различают солнечные Ч. горизонтальные, вертикальные (если плоскость циферблата вертикальна и направлена с W на О), утренние или вечерние (плоскость вертикальна, с N на S). Строились также конические, шаровые, цилиндрические солнечные Ч. Гномоника дает правила находить различные положения тени на этих поверхностях. Солнечные Ч., как уже сказано, дают не среднее, но истинное солнечное время. Одной из специальных задач гномоники было строить кривую на циферблате солнечных Ч., которая указывала бы "средний" полдень в различное время года. В средние века гномоникой занимались очень охотно; между прочим — Апиан, Альбрехт Дюрер, Кирхер. Живший в начале XVI в. Мюнстер был призван "отцом гномоники". После изобретения маятника и пружинных Ч. гномоника и устройство солнечных Ч. стало не более как забавой.

b) Первая идея водяных Ч. также восходит к глубочайшей древности. Промежуток времени измерялся количеством воды, вытекшей капля за каплей из малого отверстия, сделанного на дне сосуда. Таковы были водяные Ч. египтян, вавилонян, древних греков. У китайцев, индусов и нек. др. народов Азии, наоборот, — пустой полушаровый сосуд плавал в большом бассейне и мало-помалу наполнялся водой через малое отверстие (героиня поэмы бросает жемчужину в чашу, чтобы замедлить движение воды). Ч. первого типа подверглись значительным усовершенствованиям. Платон описывает механизм из двух конусов, входящих один в другой; при помощи их поддерживался приблизительно постоянный уровень воды в сосуде, и тем регулировалась скорость ее вытекания. Полного развития подобные механизмы, так назыв. клепсидры, получили в Александрии в III в. до Р. Х. Особенно знамениты клепсидры Ктезибия, учителя Герона. Устройство клепсидр, установленных в храме Арсиноэ, состояло в следующем.

При накоплении воды (см. фиг. 3) в камере CD поплавок с находящейся на нем фигурой, подымался и указывал час на колонне. Вода капала из глаз другой фигуры. По прошествии суток вода при помощи сифонного устройства (F) вытекала вон и вращала зубчатое колесо, а с ним и всю колонну. Полный оборот колонны происходил в год. Кривые "часовые" линии, начерченные на колонне были рассчитаны так, чтобы равномерное поднятие поплавка согласовалось с неравными дневными и ночными часами в различные времена года. У греков и римлян были в большом ходу водяные Ч. самого простого устройства, так, напр., ими определялась длина речей ораторов в суде. Первые водяные Ч. устроил в Риме Сципион Назика (157 г. до Р. Х.). Водяные Ч. Помпея славились украшениями из золота и каменьев. В VI в. по Р. Х. славились еще механизмы Боэтия, которые он устраивал для Теодориха. Затем, по-видимому, это искусство упало, так как папа Павел I послал Пипину Короткому водяные Ч., как крайнюю редкость. Гарун-аль-Рашид прислал Карлу Великому в Ахен (809) водяные Ч. весьма сложного устройства (металлические шарики, выпадая, били часы). По-видимому, некий монах Расificus в IX веке начал подражать искусству арабов. В конце Χ в. прославился своими механизмами, тоже отчасти заимствованными от арабов, Герберт (папа Сильвестр II). В средние века получили распространение водяные Ч. особого устройства, описанные в трактате монаха Александра. Барабан, разделенный стенками на несколько радиальных продольных камер, подвешивался за ось так, что он мог опускаться, развертывая намотанные на ось веревки, т. е. вращаясь. Вода в боковой камере давила в противоположную сторону и, переливаясь постепенно из одной камеры в другую через малые отверстия в стенках, замедляла разматывание веревок настолько, что время измерялось этим разматыванием, т. е. опусканием барабана. Знамениты были еще водяные Ч. Оронтия Финея и Кирхера, основанные на принципе сифона. Многие математики, в том числе в позднейшее время Галилей, Вариньон, Бернулли, решали задачу: какова должна быть форма сосуда, чтобы вода вытекала вполне равномерно.

с) Песочные Ч. (устроенные на том же принципе, что и водяные) не были известны в древности. Их изобретение приписывают монаху Луитпранду, жившему в VIII в. Практическое применение они нашли у моряков в средние века. Тихо де Браге пользовался иногда при наблюдениях ртутными Ч.

d) В описанные выше конструкции входили зубчатые колеса, но регулирование их движения, т. е. измерение времени, производилось скоростью истечения воды, поэтому отличительным признаком колесных Ч. служат не сами зубчатые колеса и не гири, как движущая сила, а регулятор их — прототип наших баланса и ветрянки: железный брус, вращавшийся вокруг перпендикулярной к нему оси; на брусе могли перемещаться тяжести и тем регулировать это вращение. Кроме того, необходим был так назыв. спуск, т. е. механизм, замедляющий или периодически останавливающий движение всего механизма, вызванное силой тяжести гирь. Изобретатель колесных Ч. неизвестен. Несомненно только, что к концу XII в. колесные Ч. уже существовали. Быть может, что изобретение это было заимствовано европейцами у восточных народов во время крестовых походов. За последнюю гипотезу говорит еще подарок колесных Ч., сделанный султаном Саладином имп. Фридриху II в 1232 г. Данте упоминает о колесных Ч. с боем. В 1288 г. при Эдуарде I установлены башенные Ч. в Westminster-Hall (Лондон). С XIV в. башенные колесные Ч. появились в различных городах, напр., в Милане в 1306 г. Падуанские Ч., по преданию, устроил (1344) некий Донди, прозванный Horologius. Страссбургские Ч. работы Дасиподия установлены в 1368 г. В том же году Эдуард III в Англии дал патент на изготовление Ч. трем мастерам из Голландии. Весьма известны были механизмы Вика, построенные (1364 — 70) для Карла V. Все Ч. того времени имели на циферблате только часовую стрелку. Они били 1 час после солнечного заката и перед следующим закатом 24 часа. В средние века уже привился счет времени на часы равной длины. Колесные Ч. с вращающимся брусом как регулятором употреблялись при астрономических наблюдениях Вальтером в конце XV в., а также, может быть, Тихо де Браге. К концу XV в. изобретены были пружинные Ч., т. е. сила тяжести гирь заменена упругой силой пружины. Регулятор несколько приблизился по типу к нынешнему балансу. Пружинные Ч. изобретены, по-видимому, со специальной целью устроить переносные, даже карманные Ч. Таковы были механизмы, построенные Геле (Hele, около 1500 г.), Хабрехтом (Habrech t, 1520), и др. и носившие название (по их фигуре) нюренбергских яиц. Ч. получили уже настолько большое распространение во Франции, что в Париже явился цех часовых мастеров в 1544 г. Около того же времени изобретена (неизвестно кем) фузея, или улиткообразный ход.

Еще арабский астроном Ebn-Jounis (в Х в.) пользовался маятником для оценки небольших промежутков времени. Не было, однако, изобретено счетчика: приходилось самому наблюдателю считать одно за другим все колебания маятника; кроме того, колебания эти быстро замирали. Первая попытка перевести колебания на систему зубчатых колес принадлежит, может быть, Санкторию (1612). Галилей, изучив свойство изохронизма маятника, проектировал настоящие Ч. с маятником. Проект Галилея после его смерти (1642) разработали его сын (Винченцо) и ученик Вивиани. Неизвестно были ли ими в действительности построены Ч. (механизм, хранящийся в музее Галилея, построен впоследствии на основании чертежей Вивиани). Истинным изобретателем (независимо от Галилея) маятника как измерителя времени, творцом математической теории маятника, сумевшим приложить теорию к практике, изобретателем "спуска", основателем всего современного часового искусства необходимо признать Гюйгенса. Он указал на зависимость времени колебания от амплитуды кругового маятника, изобрел циклоидальный, вполне изохронный маятник (хотя и не получивший практического применения). Гюйгенсу принадлежит и начало теории конического маятника. Открытия Гюйгенса изложены в его брошюре "Ноrоlоgium" (1658), а затем в большом сочинении "Horologium oscillatorium" (1673). Кроме того, Гюйгенс (и одновременно с ним Гук) указал на упругую спираль как на лучшее средство для регулировки колебаний баланса в переносных Ч., где маятник не может быть употреблен. "До Гюйгенса Ч. были грубыми, топорно и наугад построенными машинами, после Гюйгенса — они стали точными приборами, механизмами, основанными на выводах науки и служащими ей". Один из первых мастеров, делавших пружинные Ч. со спиралью Гюйгенса, был Тюрель в Париже (1674). В конце своей жизни Гюйгенс сделал еще какое-то открытие для Ч., но умер, не раскрыв предварительно опубликованного им, по обычаю тех времен, логогрифа, заключавшего тайну изобретения. Спуск Гюйгенса подвергся скоро дальнейшим улучшениям. Клемент изобрел так наз. спуск с возвратом (1680), или прототип анкерного. Грахам изменил эту форму, изобрел "покоящийся" анкерный спуск, который нашел себе применение как в Ч. с маятником, так и в пружинных Ч. Он же изобрел спуск "цилиндр" (1720). Значительное трение, развивающееся в спусках Грахама, заставило искать так наз. свободные спуски и спуски с постоянной силой (см. ниже). Впервые эти идеи даны знаменитым Петром Леруа (1748). В 1741 г. Amant изобрел штифтовый спуск башенных Ч. Его усовершенствовал Лепот и, особенно, Вилльями. В 1 7 24 г. Дютертр, воспользовавшись старинной идеей Гука, предложил так наз. duplex. Этот спуск усовершенствовал Леруа. Спуск, носящий название хронометронного, получился из изобретений нескольких лиц; первое место занимает Леруа (ему принадлежит основная мысль), затем Арнольд, Берту, Ирншау (Earnshaw). Можно считать 1767 г. за год появления механизмов (работы Леруа) переносных Ч., имеющих право носить современное название хронометров. — Пикар указал, что длину маятника Ч. необходимо изменять, чтобы уничтожить влияние колебаний температуры. Гаррисон изобрел (1726) первый компенсационный маятник, основанный на неравной расширяемости латуни и железа. Грахам придал этому маятнику вид, сохранившийся до сих пор (так наз. "решеткой"); кроме того, Грахам предложил ртутную компенсацию (см. ниже). Для компенсации пружинных Ч. с балансом и спиралью Гаррисон спаивал концы спирали из двух металлов. Леруа, которому принадлежат практические правила (см. ниже) изохронизма спиралей, отбросил приспособление Гаррисона, как портящее изохронизм, и, со своей стороны, предложил делать баланс спаянным из двух металлов. Идея Леруа — разрезанного, латунно-стального баланса (1766) признается за единственно правильную до сих пор. — В связи с улучшением Ч. и хронометров находится знаменитая задача об определении долготы в открытом океане. На Ч., как на средство решения этой задачи, указал, по-видимому, впервые Алонзо де Санта Круц в его утраченном ныне сочинении "О долготах". Эту мысль разработал Колон и Гемма Фризий. Правительства, озабоченные успехами мореплавания, назначали громадные премии за решение этой задачи (Филипп III Испанский — 10000 талеров, голландские штаты в XVII В. — 30000 гульденов, наконец, биллем 1714 г., английский парламент — 10000 фн. стерл.). Попытки Хольмеса пользоваться на корабле Ч. Гюйгенса и попытки Rodanay — Ч., построенные Сюлли, были неудачны. Колебания корабля были гибельны для правильного хода часов. Только Гаррисон, употребляя пружинные часы с двойными балансами, достиг удовлетворительного результата. Плавание корабля "Deptford" (1761), из Портсмута в Ямайку и обратно, знаменито тем, что доказало всю пользу Ч. и хронометров в морском деле. Вслед за тем, на фрегате "Аврора", снаряженном во Франции на средства частного лица Куртанво (Courtanveaut), были испробованы с той же целью хронометры Леруа. Несмотря на то, что размахи колебаний фрегата достигали 25°, хронометр через 46 дней плавания имел ошибку лишь в 7 ^s. Как Гаррисон, так и Леруа получили лишь часть обещанных премий, и то с большим трудом.

2) Общие сведения. В механизме всяких Ч. нужно различать четыре существенных части: 1) двигатель, 2) передаточный механизм зубчатых колес, 3) регулятор, обусловливающий равномерность движения, 4) распределитель или спуск, с одной стороны, передающий от двигателя толчки регулятору, необходимые для поддержания движения этого последнего, и, с другой стороны, подчиняющий движение передаточного механизма, а следовательно, и действие двигателя закономерности движения регулятора. Измерителем времени в тесном смысле слова служит регулятор. Зубчатые колеса, скрепленные с ними стрелки циферблата — счетчики отмеренных регулятором единиц времени. Признавая суточное вращение земли вокруг ее оси строго равномерным, мы в нем имеем единственный масштаб для сравнения промежутков или единиц времени. Обыкновенно за единицу времени принимается секунда, ¹/₈₆₄₀₀ часть суток. О различном счете времени, о звездных, средних, истинных сутках — см. Время. Регуляторы часовых механизмов устраиваются так, чтобы отмеряемые ими промежутки времени равнялись или целой секунде, или половине, четверти или одной пятой секунды. Если регулятор начнет почему-либо отмеривать меньшие промежутки времени, счетчик укажет большее их число в данном периоде времени. Ч., как говорят, уходят вперед. Обратно — при отставании Ч. Условившись о начальном моменте суток, иначе говоря, о моменте, когда счетчик Ч. должен показывать нуль протекших единиц времени, приходим к понятно о поправке часов. Она положительна, если Ч. отстали, отрицательна — если Ч. ушли вперед. Изменение поправки Ч. за определенный промежуток времени называется ходом Ч. (напр., суточный, недельный, часовой ход). Ход положителен, если Ч. отстают, отрицателен, если Ч. уходят вперед. Ход выражает собой именно уклонение отмеряемых регулятором промежутков времени от принятой единицы. Поправка Ч. есть величина условная и, кроме того, в любой момент простым передвижением минутной стрелки счетчика поправка Ч. может быть сделана меньше одной минуты. Достоинство же Ч. заключается в малости, а главное — в постоянстве хода. Ход хороших астрономических часов и хронометров должен по возможности не зависеть от изменений температуры, давления, влажности воздуха, случайных толчков, стирания осей механизма, сгущения смазывающего масла, молекулярных изменений в различных частях механизма и т. д. Астрономические Ч. делятся на два главных типа: 1) "постоянные" Ч., в которых движущей силой служит тяжесть гирь, а регулятором движения маятник; 2) "переносные" Ч., где движение производится силой упругости развертывающейся постепенно пружины, а регулируется колебаниями упругой, тонкой спирали, соединенной с так наз. балансом (см. ниже). Часовые механизмы первого типа называются в астрономии "часами" в тесном смысле слова или "маятниками". Они находятся на обсерваториях при постоянных астрономических инструментах (см. Практическая астрономия), укреплены на каменных столбах или в стене; часто помещают (напр., в Пулкове) Ч. в подвале обсерватории, чтобы предохранить по возможности от перемен температуры ("нормальные" часы). Подвал посещают только для заводки Ч., так как даже теплота тела может повлиять на их ход. Показания же Ч., т. е. "удары" маятника (всегда секундного), сравнивают с другими Ч. с помощью микрофона, установленного в подвале и соединенного с телефоном. [Это выражение, хотя и общепринято, но совершенно неверно. Удары "тиканье" производит не маятник (регулятор), а механизм спуска.] При надлежащей установке и уходе "постоянные" астрономические Ч. должны иметь суточный ход не более 0 ^s 3, а его суточные изменения не должны превосходить одной сотой секунды.

Часовые механизмы второго типа называются хронометрами. Различают "столовые", или бокс-хронометры (размеры их примерно 1½—2 децим. диаметром, 1 децим, вышиной; одно простое колебание баланса длится ½ секунды), и карманные хронометры (размер общеизвестный; обыкновенно так наз. четыредесятники, т. е. полное двойное колебание баланса длится 0,4 секунды, простое колебание — ¹/₅ секунды). Качества карманных хронометров в среднем чувствительно ниже качеств столовых. Хронометры служат при определении географических положений мест, при работах переносными астрономическими инструментами (см. Практическая астрономия), при определении времени и долготы в море и т. д. Столовые хронометры на кораблях помещаются на привесе Кардана. Об исследованиях хода хронометра см. ниже. Постоянные Ч. ("маятники") почти исключительно, а хронометры в большинстве случаев регулируются на секунды звездного времени (см. Время) — так наз. "звездные" Ч. и хронометры. Реже употребляются "средние" хронометры (т. е. идущие по среднему времени). Выбор обусловлен удобством наблюдений или их обработки для тех или других задач астрономов. В Ч. и хронометрах астрономами ценятся еще определенные, но не резкие и без лишних шумов удары ("тиканье"). Как лучших мастеров астрономических Ч. или хронометров нужно назвать Кессельса, Пиля, Дента, Тиде, Ховю (How ü h), Кноблиха, Фродшэма, в новейшее время — Нардэна. Но по большей части это все фирмы, изготовляющие механизмы Ч. по уже выработанным образцам. Только разве Рифлера по оригинальности и новизне идей можно поставить рядом со знаменитыми творцами "высшего" часового искусства и современных часовых механизмов: Петром Леруа, Гаррисоном, Грахамом, Дютертром, Арнольдом, Берту, Юргенсеном.

3) Описание астрономических Ч. (модель работы Кессельса). Фиг. 4, 5, 6 изображают Ч. сбоку и два разреза. 1) между пластинками ZZ и аа, 2) между пластинками аа и bb. Массивная металлическая доска g прикреплена наглухо несколькими винтами к стене; на вилообразной полке h лежит шпенек x подвеса маятника (Р). Две гибкие пластинки f позволяют маятнику качаться в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа (подробнее о маятнике, его подвесе и пр. см. ниже). Доски, или, как говорят часовщики, "платины", аа и bb заключают между собою передаточный механизм зубчатых колес. Они скреплены четырьмя винтами т. Доска циферблата ZZ скреплена с платиной аа винтами n. На барабан Т наматывается гибкая струна, за которую тянет гиря, приводящая механизм в движение. Так наз. "храповое" колесо R насажено на ту же ось. Храповое колесо сцеплено с шестеренкой (трибкой) "минутного" колеса М, оно, в свою очередь, — с шестеренкой "встречного" колеса E, а это последнее — с шестеренкой "спускного" (или "ходового") колеса Se. Число зубцов колес (передача) подобрано так, что минутное колесо вращается в 60 раз медленнее ходового. Именно, шестеренки имеют по 12 зубцов, встречное колесо — 90 зубцов, минутное — 96 (передача (90/12)×(96/12) = 60). Оси колес имеют упоры на платинах aa и bb. Упоры из камней (алмаза, рубина), обычные для хронометров, в Ч. делаются редко. Оси колес ходового и минутного продолжены за доску циферблата; на них соответственно надеты секундная и минутная стрелки. Форма зубцов всех колес (кроме ходового) не представляет особенностей (см. Зубчатые колеса). Зубцы же ходового колеса обусловлены принятой конструкцией спуска. На фигуре показан усовершенствованный анкерный спуск Грахама (подробное его описание см. в техническом отделе этой статьи). Концы якоря спуска попеременно отворяют зубцы ходового колеса. Якорь качается на оси А; вилка G, скрепленная с ним и охватывающая маятник внизу, передает качания от маятника якорю (этой вилки нет при свободных спусках; см. ниже). Между платиной аа и циферблатом находится зубчатая передача (цайгерверк) от минутного колеса к оси часовой стрелки. Эта стрелка надета на муфту (часовую ось), охватывающую продолжение оси храпового колеса, но не скрепленную с ней. Трибка t₁ на оси минутного колеса имеет 24 зубца. Она сцеплена с промежуточным колесом S₁ (72 зубца), которое сцеплено трибкой (12 зубцов) с колесом S₂ (96 зубцов), насаженным на часовую ось St. Таким образом передача равна (96/12)×(72/24), т. е. 24, и часовая стрелка вращается в 24 раза медленнее минутной. Для Ч., употребляющихся в общежитии, эта передача делается равной 12, так как счет часов от 0 до 24, исключительно употребляющийся в астрономии, еще не привился в житейской практике. Расположение стрелок на циферблате понятно из фиг. 5. Минутная стрелка значительно тяжелее других; грузик Q (фиг. 7) служит ей противовесом. Чтобы во время заводки Ч. (т. е. наматывания струны вновь на барабан помощью вращения ключом оси барабана в обратную сторону) движение механизма зубчатых колес не прекращалось или даже не получило бы обратного направления, служит специальная пружинка f, давящая на храповое колесо в сторону обычного движения механизма и соединенная с добавочным колесом, сидящим на храповой оси. Подобное же устройство см. подробнее в описании хронометров. Собачка k' запирает это добавочное колесо вместе с барабаном на время заводки и тем вызывает начало действия пружинки f. В Ч. прежнего устройства эта пружинка иногда заменялась "пальцем", нагруженным тяжестью, который давил в надлежащую сторону на зубец особого колеса, насаженного на храповую ось. Гиря в астрономических Ч. висит на блоке. Часто она помещается (фиг. 7) в футляре Ч. сбоку и отделена глухой стенкой от пространства, где колеблется маятник, чтобы при спуске гири различные ее положения не изменяли условий сопротивления воздуха колебаниям маятника. Главное условие в устройстве астрономических Ч. составляет их наивозможная простота. Допускаются только действительно вполне необходимые части, так как всякое лишнее колесо может вести только к увеличению вредных пассивных трений и к ухудшению хода Ч. [Сложные механизмы, показывающие фазы луны, дни года, солнечное время и т. д. и носящие иногда громкое название "астрономических Ч.", относятся к области игрушек. Правильно чередующиеся явления указываются в них путем подбора передачи зубчатых колес. Указание же таких величин, как, напр., уравнение времени (разность между истинным солнечным и средним временем) достигается при помощи колес или дисков не круговой, но эллиптической или более сложной, подобранной специально, формы.].

4) Маятник, его компенсация. Маятником вообще называется всякое твердое тело, могущее колебаться под действием силы тяжести около неподвижной оси, называемой осью привеса маятника. Центром привеса называется точка пересечения оси привеса с плоскостью качаний маятника. Центром качаний называется точка, лежащая на линии, соединяющей центр привеса с центром тяжести маятника и отстоящая от центра привеса на величину l, равную C/(Ma), где С есть момент инерции маятника вокруг оси привеса, M — масса маятника, а — расстояние центра тяжести маятника от центра привеса (l всегда больше а, т. е. центр тяжести лежит между центрами привеса и качаний). Величина l называется длиной редуцированного маятника, или математического маятника, механически равноценного данному "физическому" маятнику. Иначе говоря, если вообразим тяжелую "точку, колеблющуюся на нерастяжимой, невесомой нити, то длина этой нити должна быть равна l, чтобы длительность колебаний этого математического фиктивного маятника совпала с длительностью колебаний действительного маятника. Центры качаний и привеса взаимны, т. е., если подвесить маятник за центр качаний, то старый центр привеса станет новым центром качаний. Маятник, раз выведенный из положения равновесия, стремится под влиянием силы тяжести возвратиться к нему. Это вызывает колебания его в ту и другую сторону от положения равновесия. Вследствие сопротивления воздуха и трения в привесе маятника размах (амплитуда колебаний) постепенно уменьшается и маятник наконец останавливается, если ему не будут сообщаться новые толчки посторонней силой. Длительность (Т) отдельного колебания маятника зависит от его редуцированной длины l, от амплитуды (а) колебания и от величины ускорения силы тяжести (g). Она выражается эллиптическим интегралом:

Амплитуда маятников всегда мала, а потому, разложив интеграл в ряд и ограничиваясь вторыми степенями малой величины α, имеем:

Отсюда видно, что период колебания растет, хотя и незначительно, с амплитудой. Для α = 10° период увеличивается на 0,2%, т. е., если при этой амплитуде маятник совершает в известный промежуток времени 1000 колебаний, то идеальный маятник с "бесконечно малой" амплитудой завершил бы 1002 колебания. Из сказанного ясно, что для возможно полного изохронизма маятника (т. е. равенства длительности отдельных колебаний) — в чем и состоит все значение маятника в часовом деле — 1) необходимо пользоваться маятниками с достаточной малой амплитудой, в каком случае ее изменения будут всего меньше отражаться на периоде Т; 2) толчки, получаемые маятником, должны быть по возможности равной напряженности и, кроме того, должны происходить в тот момент, когда маятник проходит через положение равновесия, т. е. когда он обладает наибольшею скоростью, так как при этом условия неправильности толчков менее всего отзовутся на колебаниях маятника. Эти требования определяют достоинства той или другой конструкции спусков (см. ниже). Гюйгенс, желая дать вполне изохронный маятник, предложил, основываясь на свойствах циклоиды, употреблять циклоидальный маятник. Идея его состояла в следующем: груз прикреплялся к тонкой гибкой нити; около точки ее привеса приделывались (фиг. 8) в две стороны дуги циклоид, на которые ложилась постепенно нить при размахе маятника; так как "разверзающая" циклоиды есть тоже циклоида, то грузик описывал циклоиду же, а механическое свойство этой линии состоит в том, что тяжелое тело при движении по циклоиде достигает наинизшей точки кривой в один и тот же промежуток времени, независимо от положения начала движения на циклоиде, т. е. в данном случае от размаха маятника. Идея Гюйгенса, однако, не имела практического приложения, так как случайное уклонение ведущих дуг от циклоидального вида, трение нити о них и пр. ведут к полной порче теоретического изохронизма. С другой стороны, неполный изохронизм кругового (т. е. обыкновенного, где груз движется по дуге круга) маятника иногда удачно компенсируется неправильностями, вызванными устройством спуска, а также пассивными трениями в привесе маятника. Ускорение силы тяжести есть величина, изменяющаяся в зависимости от широты места на земле. Поэтому длина секундного маятника неодинакова для всех точек земной поверхности. Маятник, регулированный под нашими широтами, будет отставать под экватором и уходить вперед на полюсах (сила тяжести на полюсах больше). Из формулы видно, что для компенсирования изменений величины g необходимо менять длину маятника l, или изменять положение его центра тяжести. Следующая формула дает длину секундного маятника (в метрах) в зависимости от широты места.

l = 0,99102 + 0,00510 Sin² φ.

Отсюда является возможность определять ускорение силы тяжести и фигуру земли из наблюдений колебаний маятника (см. Геодезия, Фигура земли). — Гюйгенс первый указал на достоинство способа привеса маятника к гибкой пластинке, которая гнется в ту и другую стороны при колебаниях маятника. Другой употребляющийся иногда (напр., для маятников, служащих к измерению силы тяжести) способ подвеса, когда стальная призма, соединенная с маятником, упирается ребром на две агатовые упорные площадки, вводит больше пассивных вредных трений. Кроме того, гибкая пластинка не дает точно определенной оси привеса (гнется пластинка более или менее по всей длине своей), а это представляет известные преимущества в смысле изохронизма маятника, так сказать, приближает несколько маятник к "циклоидальному". Гибкая пластинка обыкновенно разрезается по своей длине или, еще лучше, состоит из двух (см. фиг. 4 и 21), расположенных на некотором расстоянии, чтобы, не увеличивая сопротивления пластинки на изгиб, обезопасить вернее неизменяемость плоскости колебаний маятника (перпендикулярно к плоскости пластинки). Верхним концом пластинки зажимаются наглухо к подставке, нижним — к стержню маятника. Груз ("тяжесть") маятника часто имеет форму линзы, плоской чечевицы.

Время колебаний меняется вместе с длиной маятника в зависимости от изменений температуры. Уменьшение длины маятника на 1 мм увеличивает суточный ход часов на 43 ^s. Отсюда можно оценить влияние изменений температуры. Является необходимость, как говорят, компенсации маятника, т. е. такого устройства, которое, изменяя автоматически длину маятника (перемещая его центр тяжести), парализовало бы влияние колебаний температуры [Были попытки устроить стержень маятника из дерева, как материала мало расширяющегося. Дерево пропитывалось маслом для избежания вредного влияния влажности. Это устройство не годится для точных Ч.]. Все компенсации построены на неодинаковой расширяемости различных металлов. Чаще всего употребляется так наз. компенсация с "решеткой" (фиг. 9). С привесом скреплен стальной стержень, у нижнего конца его на обоймице насажены цинковые стержни, а с их верхними концами помощью другой обоймицы скреплены стальные стержни, несущие груз маятника. При повышении температуры стальные стержни удлиняются вниз и понижают центр тяжести маятника, цинковые же стержни могут удлиняться только от нижней обоймицы вверх, и вследствие излишка расширения цинка сравнительно со сталью возвращают груз маятника на прежнее место. Иногда число стержней доходит до 7 или 9. Для компенсации необходимо, чтобы общие длины стержней обоих металлов относились между собой обратно пропорционально их коэффициентам расширения. Средний стальной стержень иногда окружают цинковой трубкой; переменяя место скрепления (вставной штифт т) их, можно изменять отношение длины стержней обоих металлов и тем регулировать компенсацию. Иногда систему латунных и цинковых стержней помещают под линзой маятника (фиг. 10). В прежнее время употреблялась часто компенсация маятника, основанная на сгибании двух спаянных вместе пластинок металлов различной расширяемости. Пластинка CD (фиг. 11) спаяна из латунной (вверху) и цинковой (внизу) пластинок. Рычаги H и J сидят на шарнире K, прикрепленном к грузу маятника, могущему скользить по стержню AB. При повышении температуры пластинка СD вследствие большей расширяемости цинка изгибается концами вверх и подымает на рычагах груз маятника. На фиг. 12 изображено устройство компенсации, где спаянная пластинка при своем сгибании меняет положение центра привеса маятника. Иная идея изображена на фиг. 13: пружинная скобка, помещенная посередине стержня, заключает в себе диск d. При повышении температуры диск расширяется, скобка удлиняется в стороны, сжимается и повышает груз маятника. Наиболее же теперь распространена в астрономических Ч. ртутная компенсация (фиг. 14). Груз маятника состоит из цилиндрического сосуда, наполненного ртутью. Коэффициент расширения ртути очень велик, поэтому уровень ртути в сосуде повышается относительно других частей маятника с повышением температуры, и простым подсчетом (при данных: площади сечения сосуда, коэффициенте расширения ртути, стержня маятника и стекла) можно определить количество ртути, необходимое для компенсации. Сосуд со ртутью прикрывается конической крышкой, чтобы пыль не удерживалась на маятнике и не меняла его массы. Чтобы ртуть быстрее принимала температуру воздуха, устраивают не один, а два более тонких сосуда (фиг. 7). В новейшее время лучшая конструкция ртутной компенсации устроена Рифлером. Ртутью наливается полый стальной стержень маятника до ⅔ его высоты. В нижней части стержня прикреплен металлический груз, на половине стержня сидит кольцевая площадка, на которую можно помещать грузики, ничтожно меняющие положение центра тяжести и способствующие лучшей компенсации. — Воздух оказывает сопротивление колебаниям маятника. Перемена барометрического давления влияет чувствительно на время колебаний маятника. Поэтому иногда устраивают и барометрическую компенсацию маятника. Суточный ход часов изменяется в среднем на 0 ^s.015 при перемене давления на 1 мм. Ч., будучи заключе