Спуск по грани - Verge escapement

Спуск и балансовое колесо Verge из ранних карманных часов
Грани и створчатый спуск башенных часов Де Вика , построенных Анри де Виком в Париже в 1379 году.

Грани (или зубчатое колесо ) необлавливаемый является самым ранним известным типом механического спуска , механизм в механических часах , которые контролируют его скорость, позволяя зубчатую передачу к заранее через регулярные промежутки время или «клещ». Его происхождение неизвестно. С конца 13 до середины 19 века в часах и карманных часах использовались краевые спусковые механизмы . Название грани происходит от латинского virga , что означает палка или жезл.

Его изобретение важно в истории техники , поскольку сделало возможным развитие полностью механических часов. Это вызвало переход от измерения времени с помощью непрерывных процессов, таких как поток жидкости в водяных часах , к повторяющимся колебательным процессам, таким как качание маятников , которые потенциально могли быть более точными. Качающиеся хронометры используются во всех современных часах.

Часы Verge и Foliot

Одна из самых ранних существующих рисунков на грани спуском, в Жуан - де - Dondi «s астрономические часы , в Astrarium, построенный 1364, Падуя, Италия. У него было колесо баланса (в форме короны вверху) вместо листа. Спуск находится чуть ниже. Из его трактата о часах 1364 года Il Tractatus Astrarii .

Торцевый спуск датируется Европой 13-го века, где его изобретение привело к разработке первых полностью механических часов. Начиная с 13 века, большие башенные часы были построены на европейских городских площадях, соборах и монастырях. Они сохранили время, используя торцевой спуск для управления фолиотом , примитивным типом балансового колеса . Лист представлял собой горизонтальную планку с грузами на концах, прикрепленную к вертикальной планке, называемой краем, которая была подвешена для свободного вращения. Торцевой спуск заставлял лист колебаться вперед и назад вокруг своей вертикальной оси. Скорость часов можно регулировать, перемещая гири внутрь или наружу на листе.

Торцевый спуск, вероятно, произошел от будильника , который использовал тот же механизм для звонка в колокол и появился несколько столетий назад. Было предположение, что Виллар де Оннекур изобрел спусковой механизм в 1237 году с иллюстрацией странного механизма, заставляющего статую ангела следовать за солнцем пальцем, но все согласны с тем, что это не спусковой механизм.

Считается, что где-то в конце 13 века механизм краевого спуска был применен к башенным часам , создав первые часы с механическим спуском. Несмотря на то, что эти часы были знаменитыми объектами гражданской гордости, о которых писали в то время, возможно, никогда не будет известно, когда впервые был использован новый спусковой механизм. Это потому, что оказалось трудно отличить от скудной письменной документации, какие из этих ранних башенных часов были механическими, а какие - водяными ; для обоих использовалось одно и то же латинское слово horologe . Ни один из первоначальных механизмов не сохранился в неизменном виде. Источники различаются по поводу того, какие часы были первыми, «известными» как механические, в зависимости от того, какие рукописные свидетельства они считают убедительными. Одним из кандидатов являются часы из монастыря Данстейбл в Бедфордшире , Англия, построенные в 1283 году, поскольку, по свидетельствам, они были установлены над решеткой , где было бы трудно пополнить запас воды, необходимой для водяных часов. Другой пример - часы, построенные во дворце Висконти в Милане, Италия, в 1335 году. В 1271 году астроном Робертус Англикус писал, что часовщики пытались изобрести спусковой механизм, но пока безуспешно. Однако существует мнение, что механические часы существовали к концу 13 века.

Часы Солсберийского собора , 1386?, Англия, показывают, как выглядели первые часы на грани. У него не было циферблата, но он был построен так, чтобы показывать часы. Несколько оригинальных часовых механизмов, подобных этому, сохранившихся со времен средневековья, были значительно изменены. Этот пример, как и другие, был найден с заменой оригинальной грани и листа на маятник; репродукция грани и листа, показанные на правом рисунке, были добавлены в 1956 году.

Самое раннее описание спуска в рукописи Ричарда Валлингфорда 1327 года Tractatus Horologii Astronomici о часах, которые он построил в аббатстве Сент-Олбанс , было не граничным, а разновидностью, называемой «стробовым» спуском. Он состоял из пары аварийных колес на одной оси с чередующимися радиальными зубьями. Между ними был подвешен стержень с короткой перемычкой, которая вращалась сначала в одном направлении, а затем в другом, когда зубья проходили мимо. Хотя никаких других примеров не известно, вполне возможно, что эта конструкция предшествовала более привычной грани в часах.

В течение первых двухсот лет существования механических часов граница с фолиотом или балансовым колесом была единственным спусковым механизмом, используемым в механических часах. В шестнадцатом веке начали появляться альтернативные спусковые механизмы, но граница оставалась наиболее часто используемым спусковым механизмом в течение 350 лет, пока достижения в механике середины 17-го века не привели к появлению маятника, а затем и анкерного спуска. Поскольку часы были ценными, после изобретения маятника многие часы с границами были перестроены, чтобы использовать эту более точную технологию хронометража, поэтому очень немногие из ранних часов с границами и фолиотами сохранились в неизменном виде до наших дней.

Насколько точны были первые часы с границами и листами, остается спорным, при этом упоминаются оценки ошибки в один-два часа в день, хотя современные эксперименты с часами этой конструкции показывают, что точность в несколько минут в день была достижима при достаточной осторожности при проектировании и обслуживании. Ранние часы на грани, вероятно, были не более точными, чем предыдущие водяные часы , но они не замерзали зимой и были более многообещающей технологией для инноваций. К середине 17 века, когда маятник заменил фолиот, лучшие часы с границами и фолиотами достигли точности 15 минут в день.

Часы с маятником Verge

Большая часть грубейшей неточности ранних часов с границами и фолиотом была связана не с самим спусковым механизмом, а с осциллятором с фолиотом . Первое использование маятников в часах около 1656 года внезапно увеличило точность хода часов с часов в день до минут в день. Большинство часов было перестроено, их листы были заменены маятниками, так что сегодня трудно найти оригинальные часы с границами и фолиотами в целости и сохранности. Подобное повышение точности в часах Verge последовало за появлением в 1658 году пружины баланса .

Как это работает

Торцевой спуск, показывающий ( c ) коронное колесо, ( v ) кромку, ( p, q ) поддоны
Спуск грани в движении
Маятниковые часы на второй грани, построенные Христианом Гюйгенсом , изобретателем маятниковых часов, в 1673 году. Гюйгенс утверждал, что точность составляет 10 секунд в день. В маятниковых часах спусковой механизм повернут на 90 градусов так, чтобы коронное колесо было обращено вверх (вверху).

Торцевой спуск состоит из колеса, имеющего форму короны, называемого спусковым колесом, с зубцами в форме пилообразных зубов, выступающими в осевом направлении вперед, и осью, ориентированной горизонтально. Перед ним вертикальный стержень, граница, с двумя металлическими пластинами, поддонами, которые входят в зацепление с зубьями спускового колеса с противоположных сторон. Поддоны не параллельны, а ориентированы под углом между ними, так что только один захватывает зубья за раз. К грани наверху прикреплен инерционный осциллятор, балансовое колесо или, в самых ранних часах, фолиот , горизонтальная балка с грузами на обоих концах. Это хронометрист часов.

Когда шестерни часов вращают коронное колесо (см. Анимацию) , один из его зубцов зацепляется за поддон, давя на него. Это поворачивает край и пластину в одном направлении, а второй поддон поворачивает на пути зубцов на противоположной стороне колеса, пока зуб не соскользнет с конца поддона, освобождая его. Затем коронное колесо свободно вращается на короткое расстояние, пока зуб на противоположной стороне колеса не коснется второго поддона, давя на него. Это меняет направление стержня кромки и стержня, поворачивая кромку в обратном направлении, пока этот зуб не протолкнется мимо второй паллеты. Затем цикл повторяется. В результате вращательное движение колеса меняется на колебательное движение грани и фолиота. Таким образом, каждое качание балансового колеса позволяет пройти одному зубцу спускового колеса, продвигая колесную передачу часов на фиксированную величину, перемещая стрелки вперед с постоянной скоростью. Момент инерции этой foliot или баланс колеса контролируют скорость колебаний, определяющей скорость часов. Зуб спускового колеса, прижимаясь к поддону при каждом повороте, создает импульс, который заменяет энергию, потерянную листом на трение, поддерживая его колебания вперед и назад.

В часах с граничным маятником (см. Рисунок), появившихся после изобретения маятника в 1656 году, спусковой механизм был повернут на 90 °, так что граничная штанга была горизонтальной, а ось спускового колеса была вертикальной, расположенной под граничной штангой. В первых часах с маятником маятник был прикреплен к концу стержня грани вместо балансового колеса или фолиота. В более поздних маятниковых часах маятник подвешивался на короткой прямой пружине из металлической ленты к корпусу часов, а вертикальный рычаг, прикрепленный к концу стержня грани, оканчивался вилкой, охватывающей стержень маятника; это позволило избежать трения, связанного с подвешиванием маятника непосредственно на поворачиваемой штанге. Каждое движение маятника освобождает зуб аварийного колеса.

Для того, чтобы спусковой механизм работал, спусковое колесо должно иметь нечетное количество зубцов. При четном числе два противоположных зубца будут касаться поддонов одновременно, заклинивая спусковой механизм. Обычный угол между поддонами составлял от 90 ° до 105 °, что приводило к раскачиванию листа или маятника примерно от 80 ° до 100 °. Чтобы уменьшить качание маятника и сделать его более изохронным , французы использовали большие углы поворота поддонов, превышающие 115 °. Это уменьшило качание маятника примерно до 50 ° и уменьшило отдачу (см. Ниже), но потребовало, чтобы край был расположен так близко к коронному колесу, чтобы зубья падали на поддоны очень близко к оси, уменьшая начальное усилие рычага и увеличивая трение, таким образом, требуя более легкого маятники.

Недостатки

Как и следовало ожидать от его раннего изобретения, граница является наиболее неточным из широко используемых спусковых механизмов. Он страдает от следующих проблем:

  • Часы и часы Verge чувствительны к изменениям движущей силы; они замедляются по мере раскручивания главной пружины . Это называется отсутствием изохронности. Это было намного хуже в часах с границами и фолиотами из-за отсутствия балансира, но это проблема во всех движениях грани. Фактически, стандартным методом регулировки скорости ранних часов было изменение силы ходовой пружины. Причина этой проблемы заключается в том, что зубья коронного колеса всегда толкают поддоны, приводя в движение маятник или балансир на протяжении всего цикла; элемент хронометража никогда не должен свободно качаться. Таким образом, уменьшение движущей силы заставляет маятник или балансовое колесо более медленно раскачиваться вперед и назад. Во всех часах Verge и часах с пружинным приводом требовались предохранители, чтобы уравновешивать силу боевой пружины для достижения даже минимальной точности.
  • Спуск имеет « отдачу », что означает, что импульс ствола или маятника на мгновение толкает коронное колесо назад, заставляя колесный ход часов двигаться назад во время части своего цикла. Это увеличивает трение и износ, что приводит к неточности. Один из способов узнать, есть ли у старинных часов спусковой механизм, - это внимательно осмотреть секундную стрелку; если они немного сдвигаются назад во время каждого цикла, часы на грани. Это не обязательно так в часах, поскольку есть некоторые другие маятниковые механизмы спуска, которые показывают отдачу.
  • В маятниковых часах широкие углы поворота маятника 80 ° -100 °, необходимые для грани, вызывают дополнительное отсутствие изохронности из-за круговой ошибки .
  • Широкие колебания маятника также вызывают сильное трение воздуха , снижая точность маятника и требуя большой мощности для его поддержания, увеличивая износ. Таким образом, у часов с маятником на грани были более легкие качки, что снижало точность.
  • Часы Verge имеют тенденцию к ускорению из-за износа коронного колеса и поддонов. Это особенно заметно в часах Verge, начиная с середины 18 века. В этих часах нет ничего необычного, когда они работают сегодня, они набирают много часов в день или просто вращаются, как если бы не было баланса. Причина этого в том, что с изобретением новых спусковых механизмов стало модным иметь тонкие часы. Чтобы добиться этого в часах с граничными характеристиками, необходимо, чтобы коронное колесо было очень маленьким, что усиливает эффект износа.
Современная репродукция ранних часов с грани и листом. Видно остроконечное зубчатое колесо с деревянным стержнем и подвешенным над ним грузом.

Отклонить

Спусковые механизмы Verge использовались практически во всех часах и наручных часах в течение 400 лет. Затем повышение точности из-за появления маятника и пружины баланса в середине 17 века привлекло внимание к ошибке, вызванной спусковым механизмом. К 1820-м годам на смену Verge пришли более совершенные спусковые механизмы, хотя недорогие часы Verge продолжали производиться и в 19 веке.

В карманных часах , помимо неточности, вертикальная ориентация коронного колеса и необходимость в громоздком предохранителе делали механизм грани немодно толстым. Французские часовые мастера использовали более тонкий цилиндрический спусковой механизм , изобретенный в 1695 году. В Англии высококачественные часы перешли на дуплексный спусковой механизм , разработанный в 1782 году, но недорогие часы с граничным фузеем продолжали производиться до середины 19 века, когда на смену пришел рычажный спуск . Эти более поздние часы были в просторечии названы «репами» из-за их громоздкой конструкции.

Граница использовалась в маятниковых часах лишь ненадолго, прежде чем она была заменена анкерным спуском , изобретенным примерно в 1660 году, вероятно, Робертом Гуком , и широко использовавшимся с 1680 года. Проблема грани заключалась в том, что маятник должен был качаться по широкой дуге. от 80 ° до 100 °. Христиан Гюйгенс в 1674 году показал, что маятник, раскачивающийся по широкой дуге, является неточным хронометром, потому что его период поворота чувствителен к небольшим изменениям движущей силы, создаваемой часовым механизмом.

Хотя грань не славится точностью, она способна на это. Первые успешные морские хронометры , H4 и H5 , сделанный Джон Харрисон в 1759 и 1770, используются для обочин спусков с алмазными поддонами., В ходе испытаний они были с точностью до одной пятой секунды в день.

Сегодня граница встречается только в старинных часах или старинных репликах. Во многих оригинальных настольных часах отменены преобразования анкерного спуска викторианской эпохи и восстановлен оригинальный стиль спуска с граничным спуском. Часовщики называют это реконверсией на грани .

Смотрите также

Примечания

дальнейшее чтение

  • Гис, Фрэнсис; Гис, Джозеф (1994). Собор, кузница и водяное колесо: технологии и изобретения в средние века . Издательство HarperCollins, Inc., стр. 210–215. ISBN 0060165901.

внешние ссылки