Как работают механические часы

Содержание статьи (можете сразу перейти к нужному пункту):

• Калибр (movement)
• Заводная пружина или волосок (mainspring)
• Барабан (barrel)
     вал барабана, фрикционная накладка, крышка
• Шестерни (gears)
     зубчатые колеса, триб, цапфа
• Ангренаж (going train)
• Анкерный спуск (escapement)
     анкерное колесо, анкерная вилка, палеты
• Баланс (balance)
     спираль баланса (волосок), импульсный камень, копье, предохранительный ролик
• Платина (mainplate)
     рубиновые камни, мосты
• Выкачка баланса и градусник (beat error)
     выкачка баланса, градусник
• Противоударный механизм (antishock)
     бушоны, фиксирующая пружина, ось баланса
• Собачка (click)
     барабанный мост, храповое колесо, пружина собачки, храповик
• Стрелочный механизм (motion works)
     минутное колесо, минутный триб, вексельное колесо, часовое колесо
• Дата (date)
     суточное колесо, пружина переключателя, еще одна торсионная пружина
• Ремонтуар (keyless works)
     заводная головка, заводной вал, заводной триб, кулачковая муфта, заводной рычаг, переводной рычаг, штифт переводного рычага, переводное колесо, пружина заводного рычага (коромысло), фиксатор переводного рычага, стоп секунда, корректор даты
• Автоподзавод (automatic winding)
     инерционный сектор (сектор автоподзавода, маховик), выходная шестерня, реверсивные муфты, реверсивные собачки,

В этой статье я расскажу о принципах работы часового механизма. Вы можете перемещать анимацию мышкой или пальцами по экрану телефона, рассматривать детали с разных углов, а также двигать ползунки, чтобы приводить в движение различные детали.

Дождитесь загрузки красоты...

Проведите ползунок вправо и повращайте картинку. То, что вы видите здесь, называется калибром (calibre или movement) – часовым механизмом, который обычно заключен в металлический корпус. Ниже я сосредоточусь только на калибре, поскольку красивые корпуса часов лишь скрывают сложные узлы, которые и правят балом.

↑ Назад к содержанию

Предисловие

Оригинал статьи на английском языке написал и визуалилировал калифорнийский разработчик польского происхождения Бартош Чехановский (Bartosz Ciechanowski). Чтобы сделать эту замечательную работу понятной с точки зрения основ терминологии, материал была адаптирован с помощью книг:

• С.М. Тагиров, Конструкция и технология сборки механических часов (1960)
• А.П. Харитончук, Устройство и ремонт часов (1986) • С.М. Тагиров, Конструкция и технология сборки механических часов (1960)
• и раздела по ремонту часов форума Watch.ru

В мире современных портативных устройств трудно поверить, что всего несколько десятилетий назад самым удобным способом следить за временем были механические часы. В отличие от кварцевых и умных, механика может работать без батареек и электронных компонентов.

Для облегчения понимания названия в тексте и соответствующие детали на анимации будут выделены цветом для вашего удобства.

Хотя калибр состоит из множества деталей, основная колесная система (ангренаж), состоит всего из семи элементов, которые мы для простоты восприятия можем расположить по прямой линии:

На первый взгляд это не так уж и много, но в этих деталях имеется множество любопытных элементов, которые помогают секундной стрелке (second hand) вращаться с нужной скоростью. Мы начнем погружение в мир часов с источника энергии, благодаря которой стрелки вообще идут.

↑ Назад к содержанию

Энергия

В механических устройствах одним из простейших способов накопления энергии является использование пружины. Большинство пружин, которые окружают нас в повседневной жизни, - это спиральные пружины. На демонстрации ниже вы можете переместить грузик, закрепленный на пружине такого типа, чтобы увидеть, как она колеблется:

Когда такая пружина сжимается, она накапливает потенциальную энергию, которая после снятия нагрузки преобразуется в кинетическую. В механических часах обычно используется разновидность спиральной пружины – торсионная. Такая пружина накапливает потенциальную энергию при скручивании. Когда ее отпускают, то она раскручивается в противоположном направлении и, в конце концов, приходит в состояние покоя после нескольких циклов затухающих колебаний:

Торсионная пружина в часах в состоянии покоя имеет S-образную форму. Перетаскивая ползунок, вы можете понаблюдать, как она меняет форму:

Как видите, эта пружина довольно сильная и стремится к быстрому раскрытию. Чтобы пружину удержать, мы должны поместить ее в заводной барабан (barrel):

Попав в барабан, пружина стремится вернуться в исходное состояние, но стенки барабана удерживают ее на месте. Эта пружина является накопителем энергии для часов и называется заводной пружиной (mainspring), а приставка main (главная) в английском варианте отражает ее важность.

К сожалению, в таком состоянии заводная пружина не может принести никакой пользы: она уже раскрутилась до максимально возможного состояния. Чтобы накопить в ней энергию, нужно туго завести ее с помощью вала барабана (arbor), который мы закрепим на конце заводной пружины:

Если присмотреться, заводная пружина имеет небольшое отверстие на конце. Вал барабана снабжен небольшим зацепом, который цепляется за это отверстие:

Когда вал поворачивается, он тянет за собой заводную пружину, заводя ее:

Обратите внимание, что как только вы отпустите вал, заводная пружина провернет его обратно. Это не очень желательно, ведь мы хотим, чтобы вращался именно барабан и приводил в движение другие части часов. Для этого надо как-то удерживать заводной вал, чтобы потенциальная энергия заводной пружины передавалась не ему, а барабану:

Вскоре мы увидим, как это достигается на практике, а пока будем считать, что вал заводного барабана зафиксирован надежно и не прокручивается назад. Прежде чем мы закончим с заводной пружиной и барабаном, давайте обсудим еще две детали. Позвольте еще раз упомянуть о пружине в состоянии покоя:

Металлическая полоска (фрикционная накладка), прикрепленная к заводной пружине, обеспечивает дополнительное натяжение ее наружной части. Эта упругая накладка стремится принять первоначальную прямую форму, поэтому равномерно давит на стенки барабана, создавая достаточно сильное трение (вектор силы показан стрелками) для удержания всей пружины на месте:

Эта полоска фиксирует наружный конец пружины в то время, как вал закручивает внутренний. Но если завести пружину до конца и продолжать закручивать вал, то наружный конец пружины просто проскользнет вдоль стенок барабана – это действует как защитный механизм, предотвращающий поломку деталей.

Как мы уже видели, в расслабленном состоянии заводная пружина имеет S-образную форму с различной кривизной. Это помогает сбалансировать напряжение в различных секциях заводной пружины, когда она находится внутри барабана. Обратите внимание, что внутренние части заводной пружины имеют гораздо меньший радиус, чем внешние.

Чтобы защитить заводную пружину и предотвратить попадание пыли внутрь, мы накрываем барабан защелкивающейся крышкой:

Итак, нам удалось заставить некоторые детали вращаться, и можно было бы наивно подумать, что мы можем просто прикрепить стрелку часов к барабану и отслеживать время. Это не сработает - вы можете убедиться в этом на демонстрации ниже:

Нам явно есть над чем поработать: стрелка вращается слишком быстро, и она успевает сделать всего несколько оборотов, прежде чем заводная пружина в барабане исчерпает запас энергии. Очевидно, что эта конструкция не позволяет надежно засекать время.

Если бы мы хотели, чтобы наши часы непрерывно работали около 40 часов на одном заводе, то минутная стрелка должна была бы совершить за это время 40 оборотов (1 оборот = 1 час). Кроме того, секундная стрелка должна совершить за это время около 40 × 60 = 2400 полных оборотов. Нам нужно найти способ преобразовать небольшое количество оборотов барабана в большое количество оборотов стрелок. Здесь на помощь приходят шестерни (gears) (или зубчатые колеса).

↑ Назад к содержанию

Шестерни

Шестерни можно использовать для изменения скорости вращения между двумя различными осями. В демонстрации ниже вы можете убедиться в этом, наблюдая за маленькими точками, которые я поставил на каждой шестерне – желтому колесу, которое приводится в движение большим красным колесом, требуется гораздо меньше времени, чтобы сделать один оборот:

Важным аспектом шестерен является количество зубьев. Каждый зуб одной шестерни входит в промежуток между зубьями другой, поэтому за единицу времени обе шестерни поворачиваются на одно и то же число зубьев. Если количество зубьев в двух шестернях разное, то они совершают полный оборот за разное время. В демонстрации ниже вы можете изменить соотношение количества зубьев между ведущей красной и ведомой желтой шестернями, чтобы увидеть, как это повлияет на скорость вращения желтой шестерни:

Принцип действия зубчатой передачи заключается в том, что колесо меньшего диаметра вращается во столько раз быстрее, во сколько его диаметр меньше диаметра большого колеса. Мы можем использовать это свойство, чтобы заставить секундную стрелку часов провращаться много раз, пока барабан делает один оборот.

Давайте подумаем, насколько сильно нам нужно увеличить скорость секундной стрелки. Нам известно, что барабан заводится на 7 оборотов, но мы хотим, чтобы секундная стрелка совершила около 2400 оборотов за то же время. Нам нужно, чтобы соотношение зубцов, или отношение радиусов, составляло примерно 2400:7 ≈ 343:1. В демонстрации ниже вы можете использовать ползунок, чтобы посмотреть на две шестерни с большего расстояния:

Как видите, пропорции просто абсурдны: чтобы красная шестерня поместилась в корпус наручных часов, желтая должна быть совсем микроскопичной настолько, что ее зубья станут хрупкими и долго не прослужат.

Вместо этого в механических часах используется шестерня с несколькими зубчатыми колесами на одной оси, работающими попарно. Маленькое колесо называется триб (pinion); у триба меньше 20 зубьев. Триб изготовляют как одно целое с осью. Конец оси называется цапфа.



В демонстрации ниже вы можете увидеть, как четыре колеса участвуют в этом процессе:

Барабан действует как первое колесо, он приводит в движение второе, которое приводит в движение третье, и, наконец, четвертое колесо. Обратите внимание, что каждое колесо приводит в движение маленький триб соседнего. Так как триб устанавливается на тот же стержень, что и зубчатое колесо, мы можем постоянно увеличивать скорость от оси к оси.

Перед тем как мы закончим с передаточными деталями, давайте посмотрим, как работает собранный нами заводной механизм, он же ангренаж (going train). Заведем заводную пружину через заводной вал и отпустим:

Мы, определенно, добились того, что секундная стрелка вращается много раз за один оборот барабана, но скорость вращения этой стрелки запредельная и все еще остается совершенно неуправляемой. Нам нужно найти способ контролировать скорость вращения, и мы сделаем это с помощью анкерного спуска (escapement).

↑ Назад к содержанию

Анкерный спуск

В конструкции анкерного спуска лежат анкерное колесо (escape wheel) и анкерная вилка (pallet fork):

Обратите внимание на необычную форму зубьев анкерного колеса - они сильно отличаются от тех шестерней, которые мы видели выше. В его верхней части находится триб для вращения этого колеса.

Сама анкерная вилка сделана из металла, но обратите внимание на две розоватые прозрачные части на ее конце – это камни (палеты) из синтетического рубина. Рубин очень твердый, что предотвращает его стирание, а еще у него низкий коэффициент трения со сталью. Давайте разберемся, почему эти свойства важны, посмотрев, как вилка и колеса взаимодействуют друг с другом:

Анкерное колесо «хочет» вращаться по красной стрелке, но анкерная вилка препятствует этому движению. Однако, когда мы поворачиваем вилку вперед и назад, мы позволяем анкерному колесу чуть-чуть провернуться, чтобы затем снова остановиться:

Заводная пружина стремится бодро раскрутить барабан, но анкерная вилка предлагает выпивать накопленную энергию не залпом, а маленькими-маленькими глотками. Вращение барабана практически незаметно. Хотя если обратить внимание на стрелку, закрепленную на четвертом колесе, то можно увидеть, как она плавно вращается при поворотах анкерной вилки.

Мы далеко продвинулись. Наш часовой механизм уже почти функционирует. Осталась последний штрих - узел, который будет автоматически отводить анкерную вилку вперед и назад с соответствующей частотой. Вот тут-то и приходит на помощь баланс (balance) - бьющееся сердце часов.

↑ Назад к содержанию

Баланс

Давайте еще раз вспомним торсионную пружину:

Мы можем контролировать период колебаний, меняя жесткость пружины и массу грузика (то есть момент инерции). Поиграйтесь с ползунками:

Настроив эти параметры, мы можем заставить колебаться пружину с нужной скоростью. Узел баланса в часах состоит из спирали баланса (balance spring, он же волосок) и тяжелого обода, который выполняет роль грузика.

В демонстрации ниже вы можете замедлить ход с помощью ползунка:

В нижней части балансового колеса вы найдете еще один розовато-прозрачный камень, который называется импульсным (jewel roller).

Импульсный камень – единственный посредник между балансом и системой ангренажа. Совершая возвратно-колебательные движения и каждый раз соприкасаясь с рожками анкерной вилкой, он снимает блок с анкерного колеса, позволяя тому «шагать» ровно на один зуб.

Штука на хвостовике анкерной вилки называется копье. Оно служит для предотвращения самопроизвольного переброса вилки при сотрясении часов. Когда импульсный камень уходит от анкерной вилки, то последняя фиксируется с помощью предохранительного ролика (notched disk):

Давайте в последний раз посмотрим на все, что мы построили на данный момент. Сейчас я запущу механизм на реальной скорости:

В этом часовом механизме баланс четыре раза в секунду делает полное движение туда-сюда, дважды ударяя по анкерной вилке во время каждого цикла, что составляет 8 ударов в секунду или 28 800 ударов в час – это создает иллюзию очень плавного движения стрелки.

Мы собрали основную колесную систему. В принципе, у нас есть все, чтобы часы работали. Но не могут же детали висеть в воздухе.

↑ Назад к содержанию

Платина

Большая часть деталей часового механизма устанавливается на латунной пластинке – платине (mainplate – главная плата):

Обратите внимание, как много у нее разных отверстий – мы заполним их все к концу статьи. Розовые элементы – это рубиновые камни. Они выступают в роли подшипников. Давайте рассмотрим простой камень вблизи (можно вращать):

В драгоценном камне есть небольшое углубление, в котором удерживается часовое масло. Камни из искусственного рубина не окисляют и не разлагают часовое масло. Рубин обладает высокой твердостью и износостойкостью и может служить десятилетиями, обеспечивая стабильную работу часового механизма.

Первые два элемента, которые мы установим на основную пластину, - это анкерное колесо и анкерная вилка:

Затем на саму анкерную вилку сверху надевается анкерный мост. Мост (bridge) – деталь часового механизма, служащая для закрепления опор осей часовых колес. Название моста соответствует названию колеса:

Движение анкерной вилки из стороны в сторону ограничено двумя выступами. Благодаря им вилка стопорится при пробросе анкерным колесом:

Далее установим оставшиеся части зубчатой передачи. Все четыре колеса расположены таким образом, что занимают совсем немного места:

Обратите внимание, что ось четвертого колеса проходит прямо через центр часов (повращайте анимацию). Скоро мы прикрепим сюда секундную стрелку.

Чтобы закрепить все элементы на месте, мы накроем их ангренажным мостом (train wheel bridge). Он еще называется мостом колесной передачи. В нем имеется четыре камня, в которые упрутся оси шестерней:

Единственная деталь, которую мы еще не установили, - это баланс, который образует свой собственный маленький узел. Давайте сначала соберем его, прикрепив все детали к балансовому мосту (balance bridge):

Спираль баланса настолько тонкая, что ее называют волосок (hairspring). Желтая и бирюзовая детали отвечают за регулировку баланса:

Желтый регулятор регулятор прочно прикреплен к внешнему концу спирали. Поворачивая его, мы добиваемся такого равновесного положения баланса, чтобы фазы «тик» и «так» были одинаковыми по времени – это называется «выкачка баланса» (beat error). Простыми словами, этот рычажок отвечает за симметричность колебаний, то есть колесо баланса выкачивается на одинаковый угол в каждую сторону.

Бирюзовый регулятор называется «градусником». Он скользит по волоску и с его помощью устанавливается частота колебаний маятника. При повороте влево или вправо рабочая длина спирали увеличивается или уменьшается, а значит меняется скорость вращения обода:

Завершающей частью балансировочного узла является противоударный механизм, который состоит из втулки (бушон), двух камней и крошечной фиксирующей пружины, удерживающей все на месте:

Этот механизм защищает хрупкие цапфы оси баланса при ударе часов. Давайте посмотрим, как это происходит:

Когда часы встряхивают, движение оси поглощается пружиной, аналогично системе аммортизации в автомобиле. При ударе в осевом направлении ось баланса своей цапфой давит на накладной камень, отчего последний перемещается вверх. Пружина при этом изгибается, а затем вновь возвращает камень в исходное положение. Ось будет подниматься до тех пор, пока утолщенная часть оси баланса не упрется в торец накладки.

Присоединим узел баланса к к остальным деталям механизма, которые мы уже собрали. Если вы повернете платину, то увидите снизу еще одно противоударное устройство, куда упирается другая ось баланса:

Мы фактически завершили воссоздание основной части часового механизма, закрепив его на платине. Давайте заведем заводную пружину через вал барабана и отпустим:

Пока вал зафиксирован, заводная пружина может приводить в действие остальные части часов. Однако, когда мы отпускаем вал, заводная пружина тут же проворачивает его обратно, накопленная энергия быстро теряется и часы встают. Чтобы заводная пружина не раскручивалась так быстро, нужно запретить валу вращаться против часовой стрелки, но при этом обеспечить вращение по часовой стрелке, чтобы заводить барабан.

Эта сложная на первый взгляд проблема решается с помощью очень простого механизма, известного как собачка (click).

↑ Назад к содержанию

Собачка

Для продолжения сборки установим барабанный мост. Он зафиксирует сам барабан и послужит фундаментом для надстройки других деталей. Так как этот мост сделает некоторые участки механизма недоступными, мы заранее прикрепим к нему небольшой рычаг, к которому вернемся позже:

Далее, сверху на заводной вал насадим храповое колесо (ratchet wheel) и закрепим винтом. Это колесо имеет квадратное отверстие, куда входит заводной вал:

Вращение храпового колеса через вал заводит пружину барабана:

А вот подъехали и три важнейшие части головоломки. Во-первых, мы вставляем маленькую собачку (click) отверстие на верхней части моста барабана:

В пределах ограниченного пространства собачка может вращаться вперед-назад:

Вторая часть головоломки - пружина собачки (click spring). Этот маленький кусочек металла очень упругий. Когда мы сжимаем его, он стремится разогнуться:

Мы ее чуть сожмем и вставим в паз моста барабана:

Когда мы поворачиваем собачку и отпускаем, пружина возвращает ее обратно:

Последний элемент головоломки - заводное колесо (crown wheel), которое также располагается на мосту барабана (нажмите здесь, если вы вернулись к этому параграфу из раздела про ремонтуар, чтобы освежить память):

Обратите внимание на то, как зубья заводного колеса взаимодействуют с храповым колесом. Хотя кажется, что на заводном колесе отсутствуют все остальные зубья, эти две шестерни могут работать вместе. Большие зазоры в заводного колеса позволяют собачке попадать в них.

Если мы повернем заводное колесо против часовой стрелки, оно зацепится за храповое колесо и заведет пружину. Зубья заводного колеса отодвигают собачку, но она тут же возвращается обратно. Для лучшего ракурса покрутите анимацию – тогда вы еще увидите, как работает пружина собачки:

Когда собачка защелкивается и ударяется о заводное колесо, раздается звук щелчка (click), что и объясняет название этой детали на английском языке.

А вот при попытке поворота против часовой стрелки заводное колесо будет застопорено собачкой:

Этот простой механизм называется храповиком. Он позволяет завести пружину в барабане и не дает пружине раскрутиться в обратном направлении. Вот почему вы не можете перетащить ползунок ниже назад, не перезапустив всю анимацию:

Секундная стрелка на другой стороне часов показывает, как отсчитываются секунды (поверните механизм), но полноценные часы также должны еще показывать минуты и часы. Это достигается за счет набора шестерней, который называется стрелочным механизмом (motion works).

↑ Назад к содержанию

Стрелочный механизм

В нашем ангренаже секундная стрелка закреплена на четвертом колесе, которое делает полный оборот за 60 секунд. То есть для минутной стрелки нужно, чтобы она вращалась в 60 раз медленней секундной.

Если присмотреться повнимательнее, то в небольшом отверстии можно увидеть триб промежуточного третьего колеса. С ним будет взаимодействовать минутное колесо с минутным трибом сверху (cannon pinion, он же минутник). Его мы поместим в центр часов:

Когда третье колесо вращается, оно поворачивает минутное колесо. Установив минутную стрелку на ось этой шестерни, мы сможем следить за минутами: количество зубьев в этой передаче рассчитано так, чтобы скорость вращения минутной стрелки была в 60 раз меньше секундной.

Давайте посмотрим, как это работает:

Переходим к часовой стрелке, которая должна вращаться в 12 раз медленнее минутной, – и нам опять помогут шестерни. Промежуточное вексельное колесо входит в зацепление с минутным трибом, а часовое колесо, в свою очередь, приводится во вращение трибом вексельного колеса:

Часовое колесо ставится над минутным трибом. Получается что-то похожее на досылание снаряда в пушку – отсюда и английское название cannon pinion (пушечный триб). Анимацию можно вращать:

Измерение времени является основной функцией любых часов, но многие механизмы оснащаются еще и дополнительными функциями (усложнениями). Например, датой (date) и автоподзаводом (automatic winding). Их мы тоже рассмотрим.

↑ Назад к содержанию

Дата

Механизм даты состоит из пяти главных деталей: диска даты, пластины переключателя с насаженной шестерней, суточного колеса (indicator gear), пружины переключателя (jumper spring):

Чтобы объяснить, как работает этот механизм, я сначала спрячу все не относящиеся к нему детали. Я также сниму крышку с суточного колеса. Внутри него спрятана небольшая торсионная пружина. Давайте будем вращать часовое колесо и наблюдать, что будет:

Часовое колесо вращает синюю шестерню, которая, в свою очередь, нижним концом поворачивает суточное колесо и пружину. Эта пружина зацепляется за зуб диска даты и начинает его проворачивать на следующее число. Как только это произошло, пружина переключателя фиксирует диск до следующего перевода.

Вы можете задаться вопросом, зачем так все усложнять, ведь можно оставить только часовое колесо и диск даты. Но тогда дата менялась бы постепенно в течение суток, а нам нужно мгновенное перещелкивание:

На диске даты нанесен 31 день, поэтому в «коротких» месяцах дату нужно будет переводить вручную.

К счастью, шестерни, приводящие в движение минутную, часовую стрелки и указатель даты, соединены между собой, поэтому мы можем настроить все, повернув одно вексельное колесо. Я ненадолго спрячу часовое колесо, чтобы все было наглядно:

Заметьте, что когда мы поворачиваем вексельное колесо, то вращается лишь минутный триб, но само минутное колесо неподвижно (из-за блокировки остальной зубчатой передачи). Сам триб же насажен на минутное колесо и держится за счет силы трения. Поэтому мы можем устанавливать время, не вмешиваясь в зубчатую передачу, что может сломать хрупкие детали.

Вернем часовое колесо на место. Вращая вексельное колесо, мы выставляем часы. А если вращать долго, то и дату:

За установку времени и даты отвечает механизм завода пружины и перевода стрелок – ремонтуар (keyless works):

↑ Назад к содержанию

Ремонтуар

Прежде всего, давайте рассмотрим заводную головку (crown), которая является основной деталью для управления часами, и заводной вал (stem), который крепится к этой головке:

Вращая заводную головку, мы заводим часы и ставим время с датой. На заводном валу установлены заводной триб (winding pinion) и кулачковая муфта (sliding pinion):

Заводной триб имеет круглое отверстие, поэтому он может свободно вращаться на заводном валу. А вот у кулачковой муфты отверстие квадратное (повращайте анимацию). Своим сквозным квадратным отверстием кулачковая муфта сидит на квадратной части заводного вала и может свободно передвигаться вдоль его оси, но при этом вращается вместе с ним:

Давайте вставим эти детали в основную конструкцию. Я временно удалил кольцо даты, чтобы оно не мешало нам:

Заводной триб входит в зацепление с заводным колесом (нажмите сюда, если вы забыли, как оно выглядит), которое расположено на противоположной стороне часов. Чтобы повернуть заводной триб, нам сначала нужно передвинуть кулачковую муфту до упора. Кулачковая муфта своими косыми зубьями передает усилие то заводной головки на заводной триб только в одну сторону, а в другую проскакивает:

Похоже, цель достигнута: можем заводить пружину барабана простым поворотом заводной головки. Осталось решить небольшую задачку - нам нужно что-то, что будет толкать кулачковую муфту к заводному трибу. А еще хотелось бы, чтобы заводная головка не только заводила часы, но и переставляла дату и время.

Давайте соберем механизм, который решит эти задачи. Для начала установим на место заводной рычаг (corrector lever) и переводной рычаг (setting lever):

Если мы теперь потянем заводную головку туда-обратно, эти детали будут вращаться на своих маленьких шарнирах с довольно сложным взаимодействием между ними:

На первый взгляд вообще непонятно, что происходит, поэтому давайте уберем все «лишнее»:

Для переключения в режим перевода стрелок заводной вал «вытаскивается» посредством заводной головки до отказа. При этом совместно с шейкой заводного вала перемещается и штифт переводного рычага. Далее, переводной рычаг поворачивается на некоторый угол, при этом другим штифтом касается плоскости скольжения заводного рычага и поворачивает последний на некоторый угол.

Пока что механизм не делает ничего особенно интересного, поэтому давайте поместим переводное колесо (setting wheel) на верхнюю часть заводного рычага:

Теперь видно, при движении заводной головки переводное колесо взаимодействует со стрелочным механизмом:

Поворотом переводного колеса мы сможем установить время на часах. Но чтобы повернуть это колесо, нам нужно сдвинуть кулачковую муфту по направлению к нему:

В связи с этим возникает задачка: как контролировать положение кулачковой муфты, когда мы хотим завести часы или установить время. На помощь приходит пружина заводного рычага (yoke, или коромысло):

Коромысло входит в паз кулачковой муфты. И если вытащить заводную головку, то переводной рычаг подтолкнет коромысло, а то, в свою очередь, подвинет кулачковую муфту к переводному колесу:

Сейчас, когда мы тянем заводную головку, у нас нет ее дискретных положений. Другими словами, мы можем ошибиться с режимом ее работы – это может быть перевод стрелок или завод пружины. Нужна какая-то деталь, которая четко подскажет, что мы находимся в нужном положении и вместо стрелок не переведем, например, дату. На помощь приходит фиксатор переводного рычага (setting lever jumper, или пружина переводного рычага):

Эта деталь привинчена к платине поверх и предотвращает выпадение компонентов под ней. У нашего фиксатора имеется тра паза, помеченных серыми стрелками:

Когда мы втягиваем и вытягиваем заводную головку, штифт в переводного рычага попадает в одно из этих углублений. На часах это чувствуется тактильно, поэтому мы знаем, в каком положении находится заводная головка.

На другом конце фиксатора переводного рычага есть перемычка, которая поджимает коромысло. Серая стрелка указывает на эту перемычку:

Эта пружинящая перемычка доводит коромысло до нужного положения (а вместе с ним отводит кулачковую муфту назад), когда заводная головка переводится в режим заводки пружины.

Если вы помните, в начале раздела про собачку мы поместили небольшой рычаг прямо на платину. Короткий конец этого рычага входит в паз кулачковой муфты. Когда мы тянем заводную головку и перемещаем кулачковую муфту, этот рычаг поворачивается:

Когда мы вытягиваем заводную головку до упора, чтобы перейти в режим установки времени, рычаг блокирует колесо баланса, что останавливает часы в результате действия, известного как «стоп секунда» (hacking). Это помогает выставить время, например, по сигналам точного времени или другого устройства. Если головку задвинуть, часы снова пойдут.

Итак, все элементы на месте. Когда заводная головка полностью задвинута, ее поворот приводит во вращение кулачковую муфту, которая, в свою очередь, вращает заводной триб, а тот передает момент на заводное колесо, которое взаимодействует с храповым колесом для завода пружины барабана:

Когда заводная головка полностью выдвинута, ее поворот приводит во вращение кулачковую муфту → переводное колесо → вексельное колесо → часовое колесо → скрытый минутный триб, который позволяет выставить время:

Наконец, когда заводная головка сдвигается примерно наполовину, мы переходим в режим установки даты, но для того, чтобы он заработал, необходимо прикрепить дополнительный корректор даты (date corrector), который помещается в небольшой паз на платине:

Обратите внимание, что корректор даты может свободно перемещаться вверх и вниз в этом пазу. Если мы вытянем заводную головку на середину хода и прокрутим ее, мы тем самым повернем корректор даты, который затем сможет войти в зацепление с зубцами на внутренней стороне диска даты. Пружина переключателя даты обеспечивает фиксацию диска даты в нужном положении:

Лично я считаю, что ремонтуар, который мы тут собрали, является настоящим механическим чудом. Запутанные взаимосвязи, каждая деталь выполняет множество функций – разве это не чудо? Старые карманные часы заводились отдельным ключом, а заводная головка использовалась только для установки времени, но современные часы обходятся без заводного ключа, что и объясняет название ремонтуара на английском – keyless works. Прежде чем двигаться дальше, давайте закрепим оставшиеся детали с помощью моста ремонтуара:

Последний элемент, который мы соберем, позволит часам автоматически заводиться, пока мы бродим по городу, – это автоподзавод (automatic winding)

↑ Назад к содержанию

Автоподзавод

Когда носящий часы человек двигает руками в течение дня, ориентация часов на запястье меняется. Даже во время неспешной прогулки часы слегка покачиваются относительно. Обычно вся энергия, расходуемая на приведение руки в движение, тратится впустую, но механизм автоматического подзавода умудряется улавливать ее часть, чтобы завести пружину барабана.

Главной частью типового механизма автоподзавода является инерционный сектор (weight, он же маховик, он же грузовой сектор, он же сектор автоподзавода), ось вращения которого расположена по центру механизма. Когда сектор вращается туда-сюда, он приводит в движение несколько шестерен, последняя из которых соединяется с храповым колесом, которое используется для завода пружины внутри барабана:

Когда часы изменяют положение в пространстве при взмахах рук, то инерционный сектор под действием силы гравитации колеблется, так чтобы прийти в состояние равновесия в своей нижней точке. Повращайте часы на анимации, чтобы увидеть, как ведет себя сектор. Можете даже их потрясти туда-сюда:

Если помните, то храповое колесо может вращаться только в одном направлении, благодаря собачке. Однако наш сектор совершает движения в обоих направлениях, что подразумевает, что любая система шестерен, связанная с ним, также будет вращаться в обоих направлениях.

Если посмотреть на механизм автоподзавода со стороны, можно заметить нечто удивительное: когда вы поворачиваете сектор вперед-назад с помощью ползунка, выходная шестерня вращается только в одном направлении. Я поставил маленькую черную точку на этой шестерне, чтобы ее было легче заметить:

Чтобы понять, как это происходит, давайте сначала рассмотрим все детали, задействованные в механизме:

Зеленая шестерня прикреплена непосредственно к нижней части сектора, поэтому, когда сектор вращается, она вращает две синие шестерни (переверните анимацию выше, чтобы их увидеть). За волшебство здесь отвечают сдвоенные пары желтых и синих шестерней, которые вместе образуют реверсивные муфты. Давайте посмотрим, как они устроены:

Синяя шестерня может свободно вращаться на желтой, а рычаги , похожие на рыбок, также могут вращаться, упираясь выступами в отверстия синей шестерни. Эти рычаги иногда тоже называют собачками, потому что они работают только в одном направлении. Обратите внимание, что внутренняя часть желтой шестерни имеет специфическую форму. В демонстрации ниже я удалил часть центральной части синей шестерни, чтобы вы могли видеть, что происходит внутри. Повращайте шестерню вперед-назад с помощью ползунка, чтобы увидеть, как взаимодействуют детали реверсивной муфты:

Обратите внимание, что при вращении синей шестерни против часовой стрелки рычаги-рыбки просто скользят по внутренним частям желтой шестерни. Однако когда вы вращаете синюю шестерню по часовой стрелке, один из рычагов (там где «рыбий хвостик») упирается в выступ желтой шестерни и начинает вращать ее. Этот умный механизм передает энергию от синей шестерни к желтой только в одном направлении.

Узел автоподзавода содержит две таких реверсивных муфты: одна приводит в движение выходную шестерню при повороте по часовой стрелке, а другая - при повороте против (вращайте анимацию, чтобы посмотреть с другой стороны тоже):

Водя слайдер туда-обратно, вы моделируете качение инерционного сектора, который через свою зеленую шестерню по очереди активирует реверсивные муфты. Когда одна активна, другая вращается вхолостую. Но цель достигнута – движение маховика передается на выходную шестерню, а дальше на пружину барабана.

Выходная шестерня вращается медленее шестерни, закрепленной на секторе, поэтому для полного завода пружины требуется много движений руки. Однако в течение дня механизм автоподзавода, как правило, гарантирует, что пружина будет заведенной с запасом хода на много часов.

↑ Назад к содержанию

Реальные размеры механизма

Благодаря масштабируемой анимации, вы могли в деталях рассматривать шестерни, пружины, рычаги и т.п, но сейчас вы оцените, насколько крошечными являются все компоненты. Перетаскивайте ползунок. Закругленный прямоугольник – это размер банковской карты:

↑ Назад к содержанию

Заключение

До 1970-х годов часовой индустрией заправляли швейцарские мастера. В 1970-х годах механические часы начали вытесняться кварцевыми моделями. Случился так называемый «кварцевый кризис» для целой индустрии, а число занятых в ней человек за 18 лет сократилось в три раза.

Механические часы не так точны, как электронные. Они более хрупкие и требуют технического обслуживания (репассажа) каждые пять лет. Однако, несмотря на все эти недостатки, механика демонстрирует настоящее мастерство инженерной мысли. Благодаря шестерным передачам и находкам изобретателей калибры из неживых деталей становятся по-настоящему живыми.

Например, так выглядит механизм Восток 2809 в разобранном состоянии при репассаже:


photo by Вадим Борсяков (ВКонтакте)

Автор статьи и разработчик: Бартош Чехановский (ciechanow.ski)
Перевод и адаптация текста: Артур Малосиев.

Замечания и дополнения пишите на e-mail: awatch@duck.com

↑ Назад к содержанию

⌚ Часы в кино – самая большая подборка в рунете