Баланс в часах что это такое
Измерение времени между секундами: вся правда о высокочастотных механизмах
Автор: shultzie · Опубликовано 15.11.2018 · Обновлено 16.06.2021
В спецификации современных механических часов почти всегда упоминается частота баланса механизма, измеряемая в Герцах (Гц) или полуколебаниях в час (пк/ч). Обычно ее значение находится в пределах от 2,5 до 5 Гц (или от 18 000 до 36 000 пк/ч). Бытует мнение, что чем выше частота, тем точнее механизм. Но почему же тогда выпускаются механизмы с частотой ниже 5 Гц (36 000 пк/ч) и что произойдет при ее увеличении до 10 Гц или выше?
В этой статье мы разберем некоторые вопросы о высокочастотных механических часах. Но сначала немного теории.
Что такое частота баланса?
Часовой механизм включает в себя источник энергии (заводная пружина), средства ее передачи (набор зубчатых колес) и регулятор точности (узел «баланс-спираль»). Энергия пружины поступает через набор зубчатых колес и спусковое (анкерное) колесо на балансовый узел.
Анкерная вилка входит в зацепление с анкерным колесом с помощью двух рубиновых палет, осуществляя таким образом разделение непрерывного потока энергии на равные интервалы и ее передачу на импульсный камень. В конечном итоге энергия высвобождается через колебания колеса баланса в двух направлениях: поворачиваясь в одну сторону, оно закручивает спираль, затем останавливается и под воздействием силы упругости спирали, стремящейся придать ей первоначальную форму, совершает движение в обратную сторону.
Число полных колебаний баланса за одну секунду называется частотой колебаний (Гц). В часовом мире значение частоты принято указывать в полуколебаниях в час (пк/ч). Для примера рассмотрим механизм с паспортной частотой 28 800 пк/ч (4 Гц). Поскольку каждое колебание состоит из двух полуколебаний, баланс с частотой 4 Гц совершает 8 полуколебаний в секунду (спираль баланса при этом сжимается и разжимается по 4 раза), что равно 480 полуколебаний в минуту или 28 800 полуколебаний в час. Каждое полуколебание сдвигает секундную стрелку на 1/8 деления. Таким образом, чем выше частота, тем плавнее движется секундная стрелка.
Кварц против механики: частота в кварцевых часах
Большинство современных механических часов работают на частотах от 2,5 до 4 Гц. Очевидно, что с увеличением частоты наступает некий предел в связи с повышением вероятности энергетической асфиксии, при которой анкерное колесо и вся колесная передача полностью сбиваются с такта и заданной скорости.
Кварцевые часы лишены подобных недостатков. Вместо пульсирующей спирали механического баланса в кварцевых механизмах регулятором точности является кристалл кварца, генерирующий электрический импульс благодаря своим уникальным пьезоэлектрическим свойствам. Электронный блок, стабилизированный кварцевым резонатором, вырабатывает 32 768 колебаний в секунду и преобразует их в импульсы частотой 1 Гц, которые подаются на обмотку шагового электродвигателя, а он в свою очередь передвигает стрелки на циферблате.
Наручные атомные часы американской компании Bathys Hawaii
Стандартная частота кварцевых часов равна 32 768 Гц, что примерно в 10 тысяч раз больше, чем число колебаний баланса в механических часах. Существуют и более высокочастотные кварцевые механизмы на 144 и 262 кГц. Но настоящим чемпионом следует считать высокоточные атомные часы на цезии-133 с величиной частоты, похожей на телефонный номер с кодом страны: 9 192 631 770 Гц.
Повышается ли точность с увеличением частоты?
Кварцевый механизм отклоняется всего на 0,007 секунды в день, или 25 секунд в год.
Погрешность атомных часов составляет 1 секунду за 300 миллионов лет.
Из приведенных примеров можно сделать вывод, что чем выше частота, тем точнее ходят часы, однако это верно лишь отчасти. Дело в том, что именно стабильный колебательный узел, а не самый быстрый, позволяет часам демонстрировать оптимальную точность.
Разница в точности между кварцевыми и механическими часами зависит не столько от частоты, сколько от факторов, негативно влияющих на ход механизма: сил тяжести и трения, перепадов температуры и внешних физических воздействий вроде тряски или ударов.
В теории при постоянной температуре и неизменной энергии заводной пружины, нулевой силе тяжести, отсутствии силы трения и намагниченности механический калибр с любой частотой способен конкурировать с кварцевым механизмом. В реальных же условиях кварцевый механизм опережает свой механический аналог прежде всего за счет превосходной стабильности, лежащей в основе кварцевого генератора. Сила тяжести не оказывает заметного влияния на колебания кварца, батарейка постоянного тока обеспечивает стабильное электропитание, и даже температурные перепады можно компенсировать.
Теперь затронем другой вопрос — в чем разница между механическими калибрами с частотами 2,5 и 5 Гц? Оба механизма могут работать очень точно. Наибольшее значение имеют особенности их конструкции, используемые материалы, качество изготовления и обработки деталей, а решающее влияние на точность оказывают равновесие колеса баланса и изменения амплитуды, вызванные неравномерностью крутящего момента заводной пружины.
Leroy Chronomètre Observatoire
Приведем несколько примеров хронометров и высококлассных часов, работающих на частоте ниже 4 Гц: Observatoire Leroy Chronomètre и Ferdinand Berthoud Chronomètre FB 1 (2,5 и 3 Гц соответственно).
Ferdinand Berthoud Chronomètre FB 1
Antoine Martin Slow Runner
Массивное колесо баланса Antoine Martin Slow Runner
В некоторых из этих часов размер балансового колеса значительно увеличен: таким способом часовщики добиваются повышения его момента инерции. Это особенно заметно в авангардных часах Antoine Martin «Slow Runner» с их гигантским 24-миллиметровым колесом баланса, «тикающем» на рекордно низкой частоте всего в 1 Гц!
Чем хороши высокочастотные механизмы?
Если механизмы с частотой 4 Гц и ниже способны демонстрировать идеальную точность, то почему основной упор в рекламе часов с высокочастотным балансом вроде Grand Seiko Hi-Beat (5 Гц) или Chopard L.U.C. 8HF (8 Гц) делается на повышенную точность?
Это связано с тем, что высокая частота обеспечивает немного более стабильный ход.
Как уже упоминалось, часовщики находятся в постоянной борьбе с различными факторами, вызывающими колебания стабильности. Механические часы в состоянии показывать отличную точность с умеренной или низкой частотой, и ее повышение — последний аргумент, который можно бросить на алтарь точности. Однако в часовом деле всегда важно найти компромисс: высокочастотные часы имеют сокращенный межсервисный интервал из-за повышенного трения, ведущего к преждевременному износу. За год постоянного ношения механизм на 5 Гц совершает на 63 миллиона колебаний больше аналогичного калибра на 4 Гц.
Breguet Classique Chronométrie Reference 7727
Проблема трения заставляет часовщиков прибегать к инновационным решениям. Например, в часах Breguet Classique Chronométrie 7727 (10 Гц) спираль баланса, анкерная вилка и анкерное колесо изготовлены из кремния, а на концах оси колеса баланса установлены два мощных микромагнита. Поле, создаваемое микромагнитами, преодолевает гравитацию, что существенно снижает силу трения и позиционную погрешность хода.
Кремний обладает малым весом и низким коэффициентом трения, что позволяет создавать высокочастотные механизмы с минимальным износом деталей.
Итак, часы с высокочастотными балансами имеют чуть более стабильный и точный ход, но при этом стоят ужасно дорого. Получается, что хорошо сконструированные и настроенные механизмы на 4-5 Гц представляют собой золотую середину между точностью и ценой.
Улучшается ли противоударность с повышением частоты?
Благодаря отличной стабильности высокочастотным часам часто приписывают повышенные противоударные свойства. Это связано с тем, что они лучше справляются с эффектом силы тяжести, давящей на баланс под разными углами, или в случае падения или удара.
Представим два автомобиля, проезжающих по одной и той же выбоине на дороге: один из них едет со скоростью 30 км/ч, а другой — 80 км/ч. Оба автомобиля подвергаются встряске, однако автомобиль, двигающийся медленнее, испытывает ее дольше по времени. Аналогичным образом следует, что чем выше частота баланса, тем быстрее он восстановится после встряски или удара.
Хотя состояние высокочастотного механизма меньше зависит от физического воздействия по сравнению с низкочастотным аналогом, следует сделать три важных оговорки. Во-первых, как и с точностью, увеличение балансовой частоты является лишь одним из нескольких способов противодействия ударным нагрузкам на часы.
Противоударная система Incabloc
Противоударная система Incabloc, повсеместно используемая в современных механических калибрах («часовой парашют», изобретенный Авраамом-Луи Бреге в 1790 году) и другие подобные амортизаторы, размещаемые на балансовом мосту, в наибольшей степени способствуют ударопрочным качествам часов.
Во-вторых, стоит помнить, что главная цель противоударного устройства — избежать повреждения деталей. Очевидно, что сбой нескольких вибраций из-за удара не приведет к таким же ощутимым потерям в точности, как погнутые или сломанные цапфы оси баланса.
В-третьих, еще одним способом усиления противоударных качеств баланса является увеличение момента инерции. Как мы уже говорили, это достигается за счет увеличения веса и/или размера балансового колеса, что, в свою очередь, приводит к снижению частоты.
На данный момент не существует какой-либо объективной статистики по результатам физического воздействия на механизмы в частотном диапазоне от 2,5 до 5 Гц. Речь может идти лишь о неких неуловимых различиях, на которых не стоит заострять внимание: их лучше использовать в маркетинговых целях, чем на практике.
Audemars Piguet Royal Oak Offshore Diver
Именно по этой причине по-прежнему выпускаются такие часы, как дайвер Audemars Piguet Royal Oak Offshore на калибре AP3120, оснащенном балансом Gyromax с частотой всего 3 Гц, но при этом имеющим восемь инерционных грузиков для тонкой регулировки.
Повышается ли точность хронографа с увеличением частоты?
Здесь все предельно ясно: чем выше частота баланса, тем точнее показания хронографа.
Возьмем две измерительные линейки длиной один метр: одна имеет шкалу делений на 100 см, а другая – на 1000 мм. Обе линейки измеряют метр с равной точностью, как и расстояние до ближайшего сантиметра. Но только одна из них способна измерить расстояние с точностью до миллиметра. Эта логика применима и к частоте механизма: любой механический хронограф можно настроить на измерение часов, минут и секунд. Но когда дело доходит до максимально точного измерения отрезка времени между секундами, на первый план выходит значение частоты баланса.
Баланс на 4 Гц совершает 8 пк/с, соответственно каждое полуколебание сдвигает секундную стрелку на 1/8 деления. Аналогично, баланс на 5 Гц делит промежуток между секундами на 10 делений.
Zenith El Primero Striking Tenth
Например, Zenith El Primero Striking Tenth на основе легендарного калибра El Primero (5 Гц), в котором центральная секундная стрелка хронографа совершает полный оборот за 10 секунд и замеряет время с точностью до десятых долей секунды.
A. Lange & Söhne Datograph Up/Down
В обычных низкочастотных хронографах часовщики иногда добавляют соответствующие деления между секундными метками. A. Lange & Söhne Datograph Up/Down имеет пять промежуточных делений между секундными метками, позволяя считывать время до 1/5 секунды – неплохо для 2,5 Гц.
Каков предел повышения частоты?
Чем выше частота, тем выше нагрузка на анкерное колесо, и ему все сложнее выдерживать задаваемый темп. Предельной частотой традиционного швейцарского анкерного спуска считается 3 600 000 пк/ч, при достижении которой наступает энергетическая асфиксия. Поэтому крупным компаниям приходится разрабатывать собственные решения.
Например, модель TAG Heuer Mikrotimer Flying 1000 оснащена модулем хронографа, способным замерять время с точностью до 1/1000 секунды (500 Гц). Балансовое колесо в нем отсутствует, а сверхскоростная спираль запускается и останавливается напрямую стыковочной втулкой, расположенной в нижней части ее оси.
Спусковой механизм TAG Heuer Mikrotimer Flying 1000
В своей следующей концептуальной модели Mikrogirder компания полностью отказалась от элементов традиционного швейцарского анкерного спуска в пользу фирменного изобретения — стержневого регулятора, что позволило развить частоту до фантастических 1000 Гц (7 200 000 пк/ч).
Что такое угол подъема баланса («боковой ход»)
Автор: shultzie · Опубликовано 03.12.2018 · Обновлено 20.03.2021
Угол подъема баланса («боковой ход», «lift angle») едва ли можно отнести к первостепенным параметрам механического калибра: любителей часов больше интересуют другие технические аспекты, например, заявленная точность и запас хода. Однако без знания величины этого угла невозможно провести диагностику механизма.
В данной статье мы расскажем, что такое угол подъема баланса и в чем заключается его важность.
Что такое угол подъема?
Балансовое колесо поворачивается по часовой стрелке и обратно. С каждым проходом импульсный камень ударяет по рожку анкерной вилки, заставляя ее провернуться в следующую позицию.
На рис.1 изображен импульсный камень (маленькая красная точка), входящий в контакт с рожком анкерной вилки при повороте балансового колеса по часовой стрелке.
Рис. 2. Анкерная вилка перешла в следующее положение и легла на ограничительный штифт, при этом импульсный камень выходит из контакта с рожком анкерной вилки.
Угол (в градусах) между входом и выходом импульсного камня называется углом подъема.
Для чего нужен угол подъема баланса?
Угол подъема необходим для корректного определения амплитуды.
Формула для расчета амплитуды выглядит следующим образом:
(3600 x угол подъема баланса) : (время между первым и третьим ударами в секундах x число «Пи» x частота баланса механизма в полуколебаниях в час)
Угол подъема равен 52 градусам, частота баланса — 28,800 пк/ч, время между первым и третьим ударами — 0.007 сек.
(3600 x 52) = 187,200
(0.007 x 3.14 x 28,800) = 633
Амплитуда = 187,200 : 633 = 296 градусов.
Как узнать величину угла подъема баланса?
1. В Сети имеется несколько сайтов с таблицами значений угла подъема как винтажных, так и современных механизмов, например, Lepsi (производитель профессиональных таймграферов) и Watch Guy.
2. Существует метод самостоятельного определения угла подъема. При остановленном механизме отметьте фломастером произвольную точку на перекладине баланса и очень медленно, по одному щелчку, заводите заводную головку до тех пор, пока отмеченная точка не начнет останавливаться на одной позиции, как показано на анимированном изображении. Это означает, что балансовое колесо раскачалось до амплитуды 180 градусов. Затем поместите часы на таймграфер, подберите угол подъема, соответствующий амплитуде 180 градусов, и, таким образом, узнаете его фактическую величину.
Использование настройки таймграфера по умолчанию
Самый простой способ для ленивых — использовать настройку угла подъема по умолчанию (52 градуса). Для большинства современных механизмов его величина колеблется в диапазоне от 48 до 54 градусов, поэтому значение по умолчанию не приведет к значительным погрешностям амплитуды.
Однако некоторые винтажные калибры, например, Valjoux и Venus 188, имеют угол подъема 42 градуса. Фактическая амплитуда Venus 188 на таймграфере с настройками по умолчанию окажется ниже примерно на 50 градусов.
Таким образом, это приемлемый вариант для большинства часов, однако он работает не всегда и пользоваться им не рекомендуется. В конце концов, мы любим механические часы за техническое совершенство и, в свою очередь, должны стараться быть предельно точны и аккуратны в обращении с ними.
ОСНОВА ВСЕГО — БАЛАНС. РАССКАЗЫВАЕМ ПРО ЧАСТОТУ КОЛЕБАНИЙ В МЕХАНИКЕ
Сколько бы Apple не презентовали новых Apple Watch (хотя последними буквально пару дней назад выкатили Iphone 12), фанаты традиционных наручных часов никуда не исчезают. Как ни крути, а мы, адепты механических часов, попадаем под действие некой магии, которая состоит из сотни маленьких деталей, соединенных тонкой работой скрупулезных мастеров и собранных в небольшой корпус часов.
В человеческом организме важен каждый капилляр и косточка, но ключевой орган — это сердце или кор в перевод с латинского. Оно качает кровь, которая циркулирует по всему телу и обеспечивает его жизнедеятельность. Если провести прямую аналогию, в механических часах ключевым элементом является механизм, а если быть более точной — пружина баланса. Забавно, каким крошечным может быть элемент первостепенной важности — его диаметр составляет чуть меньше 1 сантиметра.
Общепринятым изобретателем механизма с балансовым колесом и спиралью пружины баланса считают голландского ученого Христиана Гюйгенса — ярого фаната Архимеда, математики и астрономии. Он зарегистрировал патент в 1675 году — если вы знакомы с историей часов, то догадываетесь, что его изобретение использовались в карманных часах.
Спустя почти 500 лет принцип работы остается неизменным — пружина вместе с балансом обеспечивают ход времени благодаря колебаниям баланса. Спусковой механизм дает импульс, чтобы колесо баланса совершило вращение — это звук “ТИК”. Во время вращения пружина сжимается и уравновешивает распределенную энергию, а потом разматывается и заставляет баланс качнуться назад — это звук “ТОК”. То есть по сути, колебание состоит из двух полуколебаний.
По большому счету, работу колеса баланса можно описать таким параметром, как частота колебаний. Обычно ее считают либо в полуколебаниях в час, сокращенно пк/ч, либо в Герцах или Гц — это количество полуколебаний в секунду. Чаще всего, на официальных сайтах или инструкциях к часам ее указывают в пк/ч, однако вы легко можете перевести одну единицу измерения в другую. Если где-то на форуме вы прочитали, что в часах установлен механизм с частотой 3 Гц, а вы хотите узнать показания в пк/ч, нужно сделать следующее: умножить на 2 значение в Герцах и затем на 3600 (количество секунд в часе). В итоге получится 21600 пк/ч.
В старых карманных часах частота находилась в диапазоне от 14400 до 16200 пк/ч — такая балансовая частота обеспечивала относительно стабильную работу более крупного механизма. В 19 веке частота подросла до 18000 полуколебаний в час и долгое время 5 полуколебаний в секунду оставались стандартом.
С появлением наручных часов размер корпуса резко уменьшился, детали стало производить гораздо сложнее, при этом не теряя в качестве — они стали более мелкими и деликатными. С точностью дела были не очень — в первых наручных часах она была в разы ниже, чем в карманных. Как вам +/-10 минут в день?
Однако часовые инженеры нашли выход из этой ситуации: сделали пружину короче и увеличили количество колебаний до 21600 пк/ч. Точность и стабильность самой системы пружина-баланс возросла, и казалось бы, нарисовалась понятная взаимосвязь между двумя параметрами — чем выше частота полуколебаний, тем стабильнее работа системы и выше точность часов. Далее частота увеличилась до 28800 пк/ч, а в 1970-ых возросла до 36000 пк/ч — часы такой частоты представил японский бренд Seiko. Тогда еще Grand Seiko были элитной коллекцией, а не отдельным брендом.
Казалось бы, почему не увеличивать частоту до бесконечности, тем самым создавая экстраординарную точность и все более и более плавный ход стрелки? Дело в том, что такие высокочастотные механизмы должны противостоять силе трения, которая провоцирует больший износ деталей и требует особого масла. Либо же использования инновационных материалов, которые могут себе позволить крупные бренды в сегменте премиум. Вещи с эксклюзивными показателями частоты и точности естественно имеют место быть, но стоят достаточно дорого и доступными их, мягко говоря, назвать нельзя.
Поэтому одной из самых распространенных частот, на которых работают механические калибры часов, остаются 21600 и 28800 пк/ч. Они позволяют соблюдать баланс между адекватной ценой, достаточной точностью и долговечностью механизма. А компетентный мастер в сервисном центре сможет при желании дополнительно отрегулировать точность ваших часов.
Что такое ошибка хода («выкачка») и как ее корректировать
Автор: shultzie · Опубликовано 07.08.2018 · Обновлено 06.07.2021
На часовых форумах часто встречается такое понятие, как ошибка хода (также используют термин «выкачка» или «beat error»), которую обычно определяют как «асимметричное колебание балансового колеса». Но что это означает?
В этой статье мы расскажем про ошибку хода, ее влиянии на работу механизма и рассмотрим способы ее коррекции.
Что такое ошибка хода?
Как мы знаем, колесо баланса совершает полуколебания в обе стороны. В идеальном случае баланс должен поворачиваться в любую из сторон на одинаковый угол за одинаковый период времени. Ошибка хода — это разница во времени (измеряется в миллисекундах) между асимметричными полуколебаниями баланса. В идеальных условиях длительность полуколебаний баланса одинакова и, соответственно, ошибка хода равна нулю.
Но в реальности идеальных условий не существует. Например, поворот колеса баланса по часовой стрелке может занимать немного больше времени, чем колебание в обратном направлении. Механизм как бы выбивается из ритма.
В приведенном примере ошибка хода может составлять 1,2 мс. Следовательно, поворот по часовой стрелке длится на 1,2 мс дольше, чем в направлении против часовой стрелки.
Как появляется ошибка хода?
Балансовое колесо совершает колебательные движения в обе стороны, и с каждым проходом импульсный камень ударяет по рожку анкерной вилки.
Спусковой механизм: желтым цветом выделено колесо баланса, синим — анкерная вилка и анкерное колесо, красным — палеты и импульсный камень
Анкерная вилка расположена между двумя ограничительными штифтами.
Синим и серым выделены анкерная вилка между ограничительными штифтами, желтым цветом — анкерное колесо, красным — палеты. На конце анкерной вилки имеется рожок.
Нулевое положение баланса — это положение покоя при расслабленной заводной пружине, при этом положение импульсного камня наиболее важно как средней точки между колебаниями балансового колеса в обе стороны.
Идеальным местом покоя импульсного камня в нулевом положении является позиция посередине ограничительных штифтов. В этом случае ошибка хода равна нулю.
Однако на практике достигнуть этого практически невозможно: импульсный камень, вероятно, окажется немного левее или правее от этой точки. Это вызывает ошибку хода, поскольку одно направление полуколебания длиннее другого.
Помните, что мы говорим о миллисекундах, поэтому фактическая разница во времени здесь очень мала.
Как корректировать ошибку хода?
На мосту баланса современных часов, кроме «градусника» – рычажка регулировки точности, расположен рычажок регулировки симметричности колебаний баланса относительно точки равновесия, так называемой «выкачки». В этом рычажке закреплен конец спирали (волоска).
Массовое применение рычага регулировки «выкачки» началось в 60-е годы прошлого века. До этого конец волоска жестко фиксировался к мосту баланса, а ошибка хода регулировалась поворотом волоска на оси баланса. Это достаточно сложная операция, которая при отсутствии опыта и специального инструмента может привести к повреждению спирали баланса. Самостоятельно делать ее без крайней необходимости я бы не рекомендовал.
На мосту баланса современных часов расположены два рычажка: Градусник (1) и рычаг регулировки выкачки (2)
При наличии регулятора «выкачки» регулировка хода начинается с установки симметричности колебаний. Это принципиально важно для нормального самозапуска часов при их первоначальном заводе. Часы с сильно сбитой «выкачкой» самостоятельно запуститься не смогут и их потребуется потрясти, чтобы баланс сдвинулся и часы пошли.
Регулировку можно грубо произвести даже без таймграфера. Для этого надо спустить заводную пружину и добиться перемещением рычажка «выкачки», чтобы анкерная вилка встала строго посередине между ограничительными штифтами. Как правило, такой регулировки достаточно для того, чтобы часы уверенно запускались.
При наличии таймграфера на следующей стадии часы устанавливаются на прибор и поворотом рычажка «выкачки» добиваются диаграммы с одиночной линией хода вместо двух параллельных линий. Нормальными считаются значения до 0,5 мс. Регулировка «выкачки» делается первой, т.к. она влияет на точность хода. Затем производится установка точности хода с помощью «градусника».
Заключение
Ошибка хода является наименее значимым параметром «здоровья часов» в сравнении с амплитудой баланса и точностью. Часы с большой ошибкой хода способны показывать точное время при наличии высокой амплитуды и стабильного суточного хода.
Тем не менее часы со сбитой «выкачкой» наиболее подвержены отклонениям точности при низкой амплитуде и резких изменениях положения часов, а также могут останавливаться раньше полного расслабления заводной пружины.