КОЛЕСО ВРЕМЕНИ
Глядя на миниатюрные зубчатые колесики внутри механизма часов, сложно себе представить что они - частный случай рычага, придуманного Архимедом. Правда, как и все в часах, случай этот уж больно специфический
КРУГЛЫЙ РЫЧАГ
В самом деле, и открывашка для пива, и рукоятка ручной лебедки, и колеса часового механизма выполняют одну и ту же задачу: преобразуют малую силу при большом перемещении в большую силу перемещений малых.
Колеса в часовом механизме почти всегда идут парами: на одной оси закреплены большое колесо и совсем маленькое, называемоетрибом. Если приложить к трибу усилие (рис. 1), то оно передастся на большое колесо, но, в соответствии с законом рычага, уменьшенное во столько раз, во сколько радиус колеса больше радиуса триба. Зато линейная скорость зубьев большого колеса будет во столько же раз выше. В механизме такие пары соединены последовательно: зубья большого колеса входят в зацепление с трибом,сидящее на его оси большое колесо - со следующим трибом и так далее.
Таким образом, система колес, или, как ее называют в часовом деле, колесная передача, способна не просто передать вращение с заводного барабана на стрелки или спуск, но и увеличить/уменьшить скорость вращения. Например, колесная передача обычных механических часов с частотой колебаний баланса в 21 400 пк/час и 12-часовой шкалой решает задачу повышения скорости вращения от барабана пружинного двигателя до оси секундной стрелки в 14 400 раз!
Кстати, упаси вас Бог когда-либо при часовщике назвать колеса шестеренками - это все равно что сказать моряку, что его корабль плавает.
КУДА ДЕВАТЬ КОЛЕСА?
Во всех современных наручных и карманных часах имеются, как минимум, две колесные системы: основная, преобразующая скорость вращения выходного вала спускового регулятора в требуемые скорости вращения стрелок на циферблате часов (так называемый ангранаж), и сервисная (ремонтуар), с помощью которой вращение заводной головки передается на пружинный двигатель и переводятся стрелки. Колесные системы различных календарных устройств являются последовательным продолжением ангранажа, а иные дополнительные устройства - такие как будильник, устройства боя или репетира и т.п. - имеют свои специальные колесные системы.
Теоретически, того множества колес, что мы привыкли видеть в основной колесной системе часов, вовсе не нужно: повысить скорость вращения можно и с помощью всего одной пары «триб-колесо». Вот только диаметр такого колеса будет огромным, в те самые 14 400 раз больше диаметра триба. Поэтому вместо одной пары используют несколько, последовательно повышающих скорость.
При весьма малых размерах колесных пар, которые можно уместить в часы, они способны обеспечивать лишь ограниченную величину передаточного отношения. Так, часовые трибы при диаметрах 1-Змм имеют не более шести зубцов, а колеса - несколько десятков, в силу чего передаточные отношения таких пар не превышают значения 10-12. При таких ограничениях в простейших часах с центральной секундной стрелкой ангранаж содержит не менее 6-8 пар колес, а при наличии различных дополнительных устройств - в два и более раз больше.
И основная проблема создания часов состоит не в высоких требованиях отделки колесных пар, а в необходимости разместить (как говорят проектировщики, «скомпоновать») в весьма малом объеме колесную передачу, во много тысяч раз понижающую (в кварцевых часах) или повышающую (в механических часах) скорость вращения.
Эта проблема усугубляется еще и тем, что примерно половина объема часов занята спусковым регулятором и пружинным двигателем. Стараясь «выжать» из пружинного двигателя максимум энергии, его диаметр делают почти равным радиусу платины механизма, и таким же делают диаметр баланса, чтобы обеспечить максимальное значение его момента инерции при минимально возможном весе (рис. 2).
ЧТОБЫ ЗУБ НА ЗУБ ПОПАДАЛ
Частенько в какой-нибудь заставке на телевизионном канале можно увидеть, как тикает некий похожий на часы механизм. У часовщиков такие заставки вызывают почти ужас: те шестерни, которые показывают по ТВ, имеют отношение скорее к какому-нибудь комбайну, но никак не к часам. Из-за специфики устройства и компактности в часах применяют колеса с особыми профилями зубьев.
В крупногабаритных часах используют так называемый циклоидальный профиль. Циклоида - это кривая, которую описывает точка окружности, если ее катить. Циклоидальное зацепление является лучшим по КПД, ибо при исполнении профиля зубцов триба и колеса строго по форме циклоиды при вращении колесной пары они «обкатывают» друг друга, то есть зубцы триба и колеса при передаче движения катятся один по другому, и их поверхности не проскальзывают, не трутся друг о друга. Благодаря тому что в этом случае нет трения скольжения, а только трение качения, потери энергии в зацеплении сводятся к минимуму.
А обеспечить максимально возможный КПД колесной передачи очень важно. Как уже говорилось, передача состоит из нескольких пар колес. И если, например, каждая пара будет терять всего по 5% энергии (то есть КПД составит 95%), то система из шести таких пар передаст на спуск лишь 73% энергии. С учетом того, что момент, передаваемый на спуск понижается во столько же раз, во сколько повышается скорость (14 400), то потеря почти 30% от этого и без того небольшого момента может оказаться критичной для работоспособности часов.
