ПОСТОЯНСТВО - СИЛА
Проблема постоянной силы самая актуальная и в то же время старая задача в часовом деле. Часовщики решали ее все последние 500 лет, и делали это с тем же упорством, с каким алхимики искали философский камень, математики вычисляли квадратуру круга, а механики создавали вечный двигатель
О пользе постоянства
Поиски велись начиная с 1470-х, с того самого момента, как были изобретены часы с пружинным заводом. Суть проблемы постоянной силы состоит в том, что по мере раскручивания заводной пружины часов иссякает ее энергия, уменьшается импульс, передаваемый балансу. Как следствие, амплитуда колебаний баланса уменьшается и часы начинают спешить. А когда сила пружины слишком велика, амплитуда колебаний увеличивается и часы отстают. Именно из-за меняющейся энергии пружины точность часов «плавает» в течение суток. В часах с гиревым приводом такой проблемы не стояло: там Земля притягивает гирю с постоянной силой. Именно поэтому конструктивно более древние маятниковые гиревые часы и по сей день остаются точнее пружинно-балансовых собратьев, а некоторые из них обеспечивают воистину астрономическую точность. Но проблема встала особенно остро с появлением первых пружинных часов со шпиндельным механизмом, ведь они еще не имели полноценного регулятора хода. После того как в 1675 году Гюйгенс изобрел балансовый регулятор со спиральной пружиной, имеющий собственный период колебаний, точность часов кардинально повысилась, но только при условии достаточного завода главной пружины. Неприятности обычно начинаются, когда запас хода часов составляет менее 30 процентов: значительно уменьшается амплитуда колебаний баланса, что приводит к нестабильности периода этих колебаний и ощутимым потерям точности хода.
Дело в том, что система «баланс-спираль» может считаться изохронной (такой, что частота ее собственных колебаний не зависит от их амплитуды) только теоретически. На практике все обстоит хуже на баланс направлены различные внешние воздействия. Это флуктуации крутящего момента, тряска и ускорения при ношении часов, смена положения корпуса, изменения температуры, биения в системе спуска и многое другое. Поэтому для достижения точности показаний механических часов очень важно поддерживать заданную амплитуду колебаний баланса, а для этого необходимо обеспечить постоянство момента, который передается на него через анкерную вилку с главной пружины.
Временный компромисс
Решение отыскалось довольно быстро, но не самое эффективное и слишком уж сложное в реализации (об этом чуть позже). И постоянство силы надолго стало прерогативой единичных крупногабаритных дорогостоящих экземпляров часов, как правило, специального назначения. Ну а изготовители наручных моделей обходились простейшим лекарством всего лишь правильной настройкой узла баланса. Посчитали, что часы обычно заводят, когда остается приблизительно 30% запаса хода. Раз уж нельзя добиться постоянного момента заводной пружины, то часы следует отрегулировать так, чтобы они шли с «идеальной» точностью при 65-процентном запасе хода. Тогда в диапазоне от 100 до 65 процентов завода они будут чуть отставать, с 65 до 30 немного спешить, но в итоге демонстрировать приемлемую точность.
В более сложных механизмах такая «статистическая» методика борьбы с нарушениями изохронности себя не оправдывает. Трудно отрегулировать часы с многодневным ручным заводом: надо предугадывать, когда именно владельцу вздумается их завести; да и часы-автомат ненамного проще, поскольку требуется заранее знать режим и степень двигательной активности их хозяина. В общем, массовому покупателю оставалось, не особенно вдаваясь в существо проблемы, мириться с отсутствием изохронности, выражавшемся в неточности хода наручных часов. Но только до тех пор, пока не появились кварцевые часы. В самом деле, генератор кварцевых часов обречен выдавать колебания строго постоянной частоты так уж он устроен. Даже если кварцевые часы спешат или отстают, то делают это с неизменной скоростью до тех пор, пока не садится батарейка, ну а специально сконструированные кварцевые часы просто идут «секунда в секунду».
Отступая, но не сдаваясь на милость победителя, конструкторы механических часов мужественно приняли вызов времени и с утроенным рвением принялись за поиски устройства, обеспечивающего постоянную силу. Цель была поставлена амбициозная наладить серийное производство наручных механических часов, не уступающих по точности кварцевым.
Фузейиые цепи
Мастера
A.Lange & Sohne в своих поисках «эликсира постоянной силы» обратились к упоминавшемуся старому прадедовскому рецепту фузее. Изобретение фузеи долгое время приписывалось пражскому мастеру Якобу Цеху (около 1525 года), пока дотошные исследователи не нашли чертежи этого механизма в архивах самого Леонардо да Винчи, датируемых 1485 годом. Так или иначе, фузея появилась задолго до узла баланса, точность работы которого ныне призвана повышать часы с фузейной передачей делали уже в XVI веке. Чаще всего фузейный механизм применяли английские часовщики, с XVII вплоть до середины XIX века, и использовали преимущественно в дорогих морских хронометрах. Основным передаточным элементом фузеи служила миниатюрная и крайне сложная в производстве цепь. Фузейные цепи карманных часов достигали 20 сантиметров в длину при толщине всего 0,35 мм и состояли более чем из 200 вручную изготовленных и связанных друг с другом звеньев. Эта монотонная работа обычно поручалась детям или молодым женщинам, обладавшим особенно острым зрением.
Опираясь на давние традиции использования цепной передачи в своих карманных моделях,
A.Lange & Sohne первой (и пока единственной) решилась интегрировать фузею в наручные часы: турбийон
Pour Le Merite. Заметим, что те или иные конструктивные решения проблемы постоянной силы чаще всего встречаются именно в часах с турбийоном, поскольку турбийон является весьма энергоемким усложнением и предъявляет повышенные требования ко всей энергосистеме механических часов. Современные технологии позволили немецким часовщикам (разумеется, без всякой эксплуатации детского труда) создать фузейный блок диаметром в 10 мм с цепью длиной 24 см, шириной 0,6 мм и толщиной 0,3 мм, состоящей из 753 деталей. Между тем, устроен сверхсложный фузейный узел на редкость изящно самый древний механизм постоянной силы гениален в свой простоте. Один конец цепи обматывается вокруг заводного барабана часов, другой укладывается на спиральный конический шкив фузейного блока, передающего энергию завода колесной системе часов. При полном заводе ходовой пружины, когда ее энергия максимальна, цепь обматывается вокруг самого узкого участка блока и плечо приложения силы пружины минимально. По мере распускания и ослабевания пружины цепь разматывается с блока на заводной барабан, увеличивается рабочий диаметр фузеи и, соответственно, растет рычаг приложения силы пружины. При этом определяющий стабильность хода часов вращательный момент заводной пружины, равный произведению ее силы на плечо приложения этой силы, остается постоянной величиной. Заслуги конструкторов
A.Lange & Sohne в деле постоянства хода не исчерпываются созданием самой миниатюрной фузейной цепи. Внутри сантиметрового фузейного блока размещен состоящий из 38 деталей дифференциал с планетарной колесной передачей. Такое усложнение необходимо, чтобы обеспечить непрерывную передачу силы заводной пружины на ходовую систему, в том числе и во время завода часов, когда цепь наматывается на блок. Но фузейная схема обеспечения постоянной силы не лишена недостатков. К их числу можно отнести значительный объем, занимаемый цепным блоком, определенные потери энергии на трение, огромное количество мелких деталей фузейной передачи и, как следствие, трудоемкость и высокую стоимость ее изготовления.
Пружина в промежутке
Поэтому некоторые часовые мастера пошли по другому пути: внедрили дополнительную промежуточную пружину, которая в течение ходового цикла накапливает строго дозированное количество энергии заводной пружины и периодически воздействует на узел баланса с постоянной силой, поддерживая заданную амплитуду его колебаний. Такой подход реализован, например, в ремонтуаре постоянной силы конструкции Франсуа-Поля Журна, воплощенном в знаменитой модели
F.P. Journe Tourbillon Souverain. Плоская аккумулирующая пружина ремонтуара ежесекундно воздействует на качающийся рычаг, и тот через помещенное на нем сателлитное колесо передает постоянное внешнее усилие на клетку турбийона (подробное описание ремонтуара приведено в
«Моих Часах» №1/2005). Но, при желании, и в ремонтуаре Журна можно найти некоторые изъяны. Это дополнительные потери энергии на раскачивание массивного рычага и в сателлитной передаче, а также невозможность фиксации дробных долей секунды.
