Баланс в часах что это
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.
Баланс
Баланс Баланс – балансовое колесо вместе со спиралью, образующие колебательную систему, уравновешивающую движение шестереночного механизма часов.
Балансовый регулятор состоит из баланса с осью, спирали, колодки и колонки. Баланс представляет собой обод с перекладиной, изготовленных как одно целое. Наиболее распространён баланс без винтов, имеющий перекладину с тремя спицами. В центре перекладины имеется отверстие, в которое запрессована ось баланса. Цапфы баланса полируют, а переход от цапфы к утолщённой части делают по плавной кривой и также полируют. Полированные пятки цапф оси баланса имеют сферическую форму.
В отдельных конструкциях часов могут встречаться и балансы, в обод которых ввёрнуты регулировочные винты. Чтобы облегчить регулировку часов с такими балансами, головки винтов могут иметь различные размеры. Под уменьшенные головки (расположенные диаметрально) под-кладывают регулировочные шайбы.
Регулятор баланс — спираль применяется в переносных, наручных, карманных, настольных и специальных часах. Основными деталями регулятора баланс — спираль являются: баланс, ось баланса, спираль, колодка спирали, колонка спирали, градусник со штифтами (на рисунке не показан). Баланс изготовляют из сплавов нейзильбера, латуни или бериллиевой бронзы. Он состоит из тяжелого обода, перекладины или спиц, с помощью которых обод крепится на оси. Обод баланса может быть гладким (безвинтовой баланс) или иметь 12 и более винтов, ввинчиваемых в него с внешней стороны.
Inhaltsverzeichnis
монометаллический баланс
обод которого состоит из одного металла
биметаллический баланс
так называется баланс, обод которого состоит из двух металлов, например, латуни и стали
Прогресс в технологии изготовления материалов сделал возможным (для сверхскоростных балансов из глюсидура) полностью отказаться от регулировочных винтов. Это сделало баланс более обтекаемым и уменьшило сопротивление окружающего воздуха. Некоторые производители продолжают использовать балансы с регулировочными винтами, но такое решение вызвано лишь желанием придать балансу более впечатляющий внешний вид.
Хочется, однако, заметить, что все вышесказанное относится к импортным часам. В нашей стране используются другие материалы. Так, обод изготовляют из латуни или нейзильбера. Трудно сказать, чем это вызвано, но скорее всего, некоторой изолированностью СССР в период развития часового дела, а также наличием патентов, защищающих права на использование на новые материалы.
Баланс с разрезным биметаллическим ободом
Регулировочные и компенсирующие винты
Для того чтобы достичь оптимального, постоянного вращения баланса и, следовательно, постоянства погрешности хода, необходимо минимизировать расширение и сжатие обода баланса при изменении температуры окружающей среды. Это достигается путем применения специального бериллиево-бронзового сплава, известного под названием глюсидур (glucydur).
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПЕРИОД КОЛЕБАНИЯ СИСТЕМЫ
Как уже отмечалось, колебания системы изохронны, период не зависит от амплитуды. Это положение остается верным при условии, что центр тяжести системы находится на оси вращения баланса, момент спирали пропорционален углу закручивания, колебания происходят при постоянных температуре и барометрическом давлении и при отсутствии воздействия на систему магнитных полей. Однако, несмотря на высокую степень точности изготовления баланса, по геометрическим размерам центр тяжести его в той или иной степени не совпадает с геометрическим центром, т. е. с осью вращения, а момент спирали по ряду причин не пропорционален углу деформации и на систему действуют колебания температуры и барометрического давления, а также случайные магнитные поля. На колебательную систему постоянно действуют силы трения.
Рассмотрим влияние перечисленных факторов на период колебания системы.
СМЕЩЕНИЕ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ БАЛАНСА
Положение часов в пространстве Это связано с влиянием силы тяжести на баланс часов. Разброс показателей точности часов в различных положениях зависит от их конструкции и, в еще большей степени — от тщательности изготовления. Так, одни и те же часы в положении «головкой вверх» могут отставать на 20 секунд в сутки, в положении «головкой вниз» — спешить на 40 секунд. Надпись «Unajusted» на механизме часов означает, что каких-либо специальных мер по минимизации разницы в показаниях в различных положениях не предпринималось. «Ajusted for 6 positions» — точность часов примерно одинакова в 6 положениях: циферблатом вверх, циферблатом вниз, метками «3, 6, 9 и 12 часов» вверх.
КОНЦЕВЫЕ КРИВЫЕ СПИРАЛЕЙ
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ПЕРИОД КОЛЕБАНИЯ БАЛАНСА
ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ПЕРИОД КОЛЕБАНИЯ БАЛАНСА
Атмосферное давление оказывает влияние на период колебания системы и, следовательно, на точность хода часов. Это влияние различно и зависит как от конструкции системы, так и от условий функционирования. При повышении атмосферного давления увеличивается сопротивление воздуха движению баланса и пульсации спирали, т. е. увеличивается вязкое трение, период колебания увеличивается и часы отстают. Это проявляется более резко, если баланс снабжен винтами, а спираль имеет много витков значительной высоты. Винты придают балансу труднообтекаемую форму, а спираль, сжимаясь, расходует дополнительную энергию на выталкивание более плотного слоя воздуха из межвиткового пространства.
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ПЕРИОД КОЛЕБАНИЯ БАЛАНСА
В последнее время широкое распространение в быту получили электрические машины и приборы, магнитные поля которых на близком расстоянии отрицательно влияют на ход наручных и карманных часов. Будильники и настенные часы, как правило, находятся на расстоянии более одного метра и действие магнит¬ных полей бытовых приборов на них незначительное.
Если магнитное поле Земли напряженностью 40 А/м вызывает нарушение точности хода морского хронометра в пределах 0,4 — 0,6 с в сутки, то магнитные поля бытовых машин и приборов начинают нарушать ход наручных и карманных часов при напряженности магнитного поля 400 А/м и выше, а при напряженности 4800 А/м часы останавливаются.
Для приборов времени служебного назначения (программные механизмы, реле времени и т. п.), которые по условиям работы могут длительное время (час и более) находиться в магнитных полях напряженностью свыше 4800 А/м, необходимо иметь защиту от действия таких полей. В современных механических приборах времени наиболее чувствительной деталью к воздействию магнитного поля является спираль; в большинстве приборов времени баланс изготовляют из латуни.
Степень влияния магнитного поля на спираль зависит от трех основных факторов: напряженности магнитного поля, положения спирали относительно направления магнитных силовых линий и материала спирали. При работе часов со стальной спиралью в магнитном поле наблюдается смещение ее и слипание витков. Работа ее осложняется еще взаимодействием с близлежащими намагниченными стальными деталями: двойным роликом, градусником, анкерной вилкой, осью баланса.
После пребывания приборов времени в магнитных полях, стальные детали и спираль остаются намагниченными, но с более слабой напряженностью поля.
Как правило, часы бытового назначения находятся в магнитных полях кратковременно, и влияние на ход часов оказывают остаточные магнитные поля.
Чтобы ослабить действие магнитных полей на стальные детали приборов времени, применяют для защиты магнитные экраны.
Материалом для экранов служат магнитомягкие материалы: пермаллой и железо Армко. Экранами для наручных и карманных часов служат детали корпуса: циферблат, подциферблатник, корпусное кольцо, ободок и крышка корпуса. Сплав пермаллой имеет высокую магнитную проницаемость и низкую коэрцитивную (задерживающую) силу. Если поместить часы с таким экраном в магнитное поле, то экран вберет в себя магнитные силовые линии, в результате чего на часовой механизм будут действовать слабые магнитные поля.
Необходимо отметить, что часы с периодом колебаний баланса 0,2 с лучше противостоят воздействию магнитных полей, чем часы с периодом колебания баланса 0,4 с.
При действии сильных магнитных полей применяют двойные и тройные экраны с малым воздушным зазором между стенками.
В ГОСТ 10733—73 на наручные антимагнитные часы огово¬рено, что они должны функционировать в магнитном поле напряженностью от 4400 до 4800 А/м.
Если часы были намагничены, то их размагничивают следую¬щим способом. Часы помещают в полую катушку, через которую пропускают переменный электрический ток частотой 59 Гц. Часы удаляют из катушки в осевом направлении, меняя их положение. Процесс ввода и удаления часов повторяют несколько раз.
Качество изготовления
Качество изготовления и состояние механизма Говоря об этом, прежде всего имеют в виду точность изготовления деталей часов, качество их обработки и их состояние, чистоту поверхности трибов и колес, чистоту обработки цапф осей и многие другие факторы. От каждого из них зависит, насколько высоко трение между деталями и каковы потери энергии в механизме часов.
Износ деталей
Износ деталей механизма Износ деталей механизма у механических часов достаточно велик. Причем раньше всего изнашиваются детали спускового механизма, которые отвечают за точность хода. Точность хода снижается и из-за загустения смазки.
Пружина
Заведенная или «распущенная» пружина Только что заведенная часовая пружина и уже раскрученная по-разному давят на стенки барабана. Точность хода часов с почти «разряженной» пружиной ниже, чем только что заведенных, По мере распускания пружины уменьшается импульс, передаваемый балансу часов, и уменьшается амплитуда его колебаний. Т.е. баланс поворачивается на меньший угол, часы начинают спешить.
ТРЕНИЕ
Свободные колебания системы баланс—спираль рассмотрены без учета трения. Величина, направление и характер действия сил трения зависят от многих факторов, например частоты колебаний осциллятора, конструкции узла баланса в целом и отдельных его деталей — цапф оси баланса и камневых опор, величины зазоров в трущихся поверхностях, характера их смазки и др. Для решения этой сложной задачи в балансовом осцилляторе с известным приближением принято различать и классифицировать три вида трения:
1. постоянное трение цапф оси баланса в камневых опорах (трение Кулона); 2. вязкое, или линейное трение обода баланса и спирали о воз¬душную среду; 3. внутреннее трение в материале спирали вследствие несовершенства его упругих свойств.
Постоянное трение.
Как известно, сила трения пропорциональна нормальному давлению F = fN, (. ) где / — коэффициент трения.
Сила трения всегда направлена против движения тела; вели¬чина ее зависит от материала трущихся тел и состояния поверх¬ности. Сила трения не зависит от скорости при установившемся движении. При скорости, равной нулю (тело находится в покое),
сила трения трогания больше силы трения при установившемся движении. Экспериментально для цапф оси баланса установлено, что сила трения трогания в 1,3—1,5 раза больше силы трения движения. Рассмотрим, как изменяется момент сил трения при горизонтальном и вертикальном положении оси баланса. При горизонтальном положении оси баланса момент силы трения равен произведению силы трения на радиус цилиндрической части цапфы:. Mr = Fr^ = fNrv (. )
При вертикальном положении оси баланса момент сил трения М* = IE nfNr*’ где гп — радиус круга контакта пяты цапфы к плоскости камня. При гп = 0,7Оц MD = 0,42/JVrR. (. )
Сравнение формул (. ) и (. ) показывает, что момент сил трения при вертикальном положении оси баланса примерно в 2,5 раза меньше, чем при горизонтальном, что подтверждается на практике регулировки часов. При изменении положения часов с вертикального на горизонтальное (ось баланса изменяет поло¬жение с горизонтального на вертикальное) амплитуда колебаний баланса увеличивается на 20—25%, что положительно сказы¬вается на стабильности периода колебаний.
Для уменьшения перепада амплитуд цилиндрическую поверх¬ность отверстия в рубиновом камне округляют по радиусу (оли-вируют), а пятке цапфы придают плоскую форму с радиусом круга контакта гп = гц. Тогда момент сил трения плоской пяты о плоскость камня будет МВ^|/Л7Ц. (. )
где гг — радиус сферы пяты; N — сила осевого давления; Ег и £2 — модули упругости стали и рубина.
Проверку осуществляем при следующих данных: q = = 2500 Н/мм2, гх = 0,035 мм для оси баланса наручных часов; модуль упругости^ стали Ех = 225 000 Н/мм2; модуль упру¬гости рубина Е2 = 450Л000 Н/мма. Подставляя эти значения в формулу (61), получим 0,235^-22 500 000 000 0,0012 25003 =
откуда N 15 625 000 000-0,0012 0,235-22 500 000 000
Таким образом, сила осевого давления не должна превьь шать 0,00354 Н. В наручных часах калибра К-26 сила осевого давления узла баланса равна 0,001225 Н. Это гарантирует продолжительный срок эксплуатации узла баланса. Для пары сталь—рубин рекомендуется коэффициент трения 0,12—0,15 со смазкой часовым маслом марки МБП-12. Коэффициент трения в малогабаритных деталях изменяется в не¬большом диапазоне за счет влияния величины зазора, дозы масла, радиуса оливажа, величины контактной поверхности и других факторов, т. е. коэффициент трения не подчиняется строго за¬кону Кулона. При отсутствии смазки коэффициент трения воз¬растает в 2—3 раза. Дифференциальное уравнение движения баланса с учетом постоянного трения будет
Вязкое (линейное) трение
В целом влияние вязкого трения на период колебания баланса незначительно и при расчетах системы баланс—спираль учиты¬вается в размере 0,2—0,4% момента спирали. Следовательно, безвинтовый баланс прогрессивнее, чем с винтами;
Внутреннее трение в материале спирали
где Ъ — коэффициент, зависящий от материала, формы и разме¬ров упругого элемента, в данном случае — спирали (при расче¬тах принимают Ъ = 0,00127); р — постоянная материала (при расчетах принимают р = 2). Из формулы (66) следует, что момент сил внутреннего трения является нелинейным, хотя величина его и незначительна.
Суммарное влияние всех трех видов трения определяют экс¬периментальным путем. По осциллограмме затухающих колебаний баланса при различных положениях оси выявляют степень влияния каждого вида трения на период колебания.
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.
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).