История развития часов

Министерствообразования и науки Российской Федерации
БрянскийГосударственный Технический Университет






Дисциплина:     История  техники


Контрольнаяработа№1





Студент                         Малашенко  Д. В.
Группа                                       З-04ТМ-1
Преподаватель                Малахов Ю. А.






Брянск  2004г.






 1.Область применения и функциональноеназначение
часов
Часы — прибор дляизмерения текущего времени (в секундах, минутах, часах). Часы относятся ккатегории »приборов времени», куда входят также хронометр, секундомер, таймер,реле времени и комбинированные приборы, например часы с секундомером. Дляизмерения времени можно использовать равномерное поступательное иливращательное движение и периодичность колебания; мерилом времени в этих случаяхбудет соответственно пройденный путь (или перемещение), угол поворота или числоколебаний.
 
2.Немного из истории

История часов — это история развития техники. Часовщики и оружейных дел мастера открыли новую эпоху; с изобретением пружины работа по металлу приобрела совершенно новое, смелое и перспективное направление. Часовых дел мастера открыли мир миниатюрных изделий. На пространстве, зачастую не большем, чем медная монета, они создавали искусными руками тайный мир взаимосвязанных подвижных частиц. Можно ли было представить себе спутника более надежного и постоянного, чем равномерное тиканье механических часов? Увы, начиная со второй мировой войны и, особенно с тех пор, как в обиход стали прочно входить часы на электрическом и кварцевом ходу, привычное тиканье встречается все реже — в основном, среди многочисленных коллекционеров часов. Но в тоже время никогда еще старинные часы не были столь популярны. Только благодаря тому, что их изготавливали миллионными экземплярами, они до сих пор доступны даже для тех, кто обладает самым скромным бюджетом. История часов — это история прогресса и новаторской мысли, не имеющая аналогов ни в одном виде прикладного искусства. Часовых дел мастера создавали предметы потрясающей красоты и сложности, каждое из которых можно смело назвать произведением искусства.
Первым устройством, с  помощью которого человек измерял время, были солнечные часы. Посреди  ровной площадки вбивали колышек. В солнечный день колышек отбрасывал   тень на площадку, расчерченную, как  циферблат современных часов. В течение дня тень двигалась, и по её положению люди определяли время дня. Но в пасмурный день и ночью солнечные часы не работали. Уже в середине 3-го тысячелетия до н.э. в качестве простейших часов использовался гномон. Люди мерили шагами тень, которую отбрасывал в солнечный день высокий столб. Утром  тень очень длинная, в полдень она совсем короткая, а к вечеру снова удлиняется. И можно было точно вымерить, сколько шагов, в какое время она насчитывает.  В Древнем Египте и Греции время отсчитывали по солнечным часам с горизонтальными или вертикальными циферблатами.
          
                                                                 
В Самарканде в 1-й половине 15 в. Улугбек построил солнечные часы высотой около 50 м. В средние века в Европе значительное распространение получили часы с вертикальным циферблатом. Такие часы, например, сохранились в Москве на здании Историко-архивного института и старом здании МГУ.
В античные времена изобретены солнечные часы, поражающие гениальностью замысла и простотой исполнения: стержень да площадка с делениями, на которую отбрасывается тень. Такого рода часы-обелиск сегодня стоят на одной из площадей Рима. В домах патрициев Древнего Рима за показаниями солнечных часов следил специальный прислужник, который и оповещал о наступлении очередного часа.
     Существует их портативный вариант: солнечные часы-посох. Из гнезда в трости путник достает стержень, вставляет его в отверстие у рукояти и определяет время по делениям, которые опускаются к основанию. Известны солнечные часы-перстень: на миниатюрной площадке с делениями, защищенной откидывающейся крышкой, — крохотный стерженек, здесь же и компас...
Наряду с солнечными часами уже во 2-м и1-м тыс. до н.э. в Индии, Египте и  Греции строились водяные часы, которые показывали время и днём и ночью – не забывай только воды подливай.
Простейшие водяные часы представляли собой сосуд со шкалой, проградуированной в единицах времени. В сосуд капля за каплей поступала вода из наполненного до краёв (из внешнего источника) резервуара. Постоянство давления воды в резервуаре обеспечивало равномерное наполнение сосуда и равномерное повышение уровня воды в нём, отмечаемое по шкале.
Около 150 г. до н.э. Ктесибий создал водяные самодействующие часы (клепсидра), ставшие прототипом часов, которые применялись во многих странах вплоть до 18 в.
Автоматическая клепсидра была устроена так. На колонне были обозначены часы. Римскими цифрами-ночные, арабскими-дневные. Стрелкой служила палочка, которую держал в руках маленький крылатый мальчик. Он стоял на специальной трубочке, словно гимнаст-циркач на бревне. Трубочка была устроена так, что выдвигалась из часов сама собой и понемногу поднимала мальчика снизу до самого верха колонны вместе с палочкой, то есть стрелкой часов. Стрелка, двигаясь вместе с мальчиком, показывала время. За 24 часа мальчик поднимался до самого верха колонны и, понимая, что там ему делать нечего, падал вниз, чтобы медленно снова подниматься вверх. Так в любое время дня и ночи можно было узнать, который час.
И вот что ещё удивительно. Часы в те времена в разное время года были разной величины. По этому для каждого месяца года на колонне был начертан свой циферблат, то есть всего их было 12. Колонна медленно вращалась вокруг оси и подставляла под палочку тот циферблат, который нужно.
Каждые 24 часа вода выливалась из трубки и чуть-чуть поворачивала мельничное колёсико, а значит, поворачивалась немного и колонна. За год она делала полный оборот, и всё начиналось сначала.




 Равномерное движение положено в основу функционирования некоторых других типов часов, в том числе песочных.









    Песочные часы состоят  из  двух  грушевидных  емкостей,  соединенных    между  собой  узкими  концами.
В средние века, появились песочные часы, прикрепленные к дощечке с циферблатом, напоминавшим современный. Каждый час служитель переворачивал опустевший стеклянный сосуд и вручную переводил стрелку на циферблате. Тогда же появляется прибор — предшественник карманных и наручных часов — переносные песочные. Их носили, прикрепив ремнями к ноге ниже колена.
     - Близ дворца Карла V, короля Испании, в отдельной часовне круглосуточно горела свеча с 24 нанесенными на ней делениями. Сгорая, свеча уменьшалась на одно деление в час, о чем слуги докладывали королю...












В  древнем  Китае  существовали, например, «часы, « которые   были  сделаны  из  пропитанных  маслом  веревок, на  которых  были  завязаны  узлы. Такой  шнурок  поджигали, и каждый  раз,  когда  пламя  достигало  узла,  проходил   определенный  отрезок  времени.   
Первое упоминание о механических часах содержится в византийской антологии (кон. 6 в.). Первые механические часы имели только одну стрелку – часовую. Одни историки приписывают изобретение механических часов Пацификусу из Вероны (начало 9 века), другие — монаху Герберту (впоследствии папа Сильвестр II), якобы в 996 сделавшему гиревые башенные часы для г. Магдебурга, которые не были механическими часами в современном понимании. Скорее всего, это были водяные часы с использованием механизмов для приведения в действие дополнит, устройств, например механизма боя часов, но не отсчёта времени. Достоверно известно, что простые по конструкции механические башенные часы были построены в Милане в 1335 г. В 1348—64 Донди в Италии создал часы, которые наряду с отсчётом времени воспроизводили движение Солнца, Луны и пяти планет. В 1354 были установлены часы Страсбургского собора с курантами, календарём и движущимися фигурами. В России первые башенные часы были сделаны в 1404 в Московском Кремле монахом Лазарем Сербиным; они имели гиревые двигатели, механизм боя, планетарный механизм. В 15—17 вв. башенные часы начали устанавливать во  многих   городах   России.


Рис. 3. Шпиндельный спуск: 1-шпиндель; 2-грузы шпинделя;  3, 4-палеты; 5-спусковое колесо; 6-триб.

            В 14 в. появились первые механические часы со шпиндельным спуском (рис. 3).   
            По сравнению с водяными часами  шпиндельные часы   были  более  совершенные, но все же точность их хода не превышала 0,5 ч в сутки; до 16 в. они имели  лишь   часовую  стрелку.   Около     1510 г  Нюрнбергский механик П. Хенлейн впервые применил вместо гирь стальную пружину и создал карманные часы со шпин­дельным механизмом. Из-за несовер­шенства пружин и самого шпиндельного механизма, не имеющего собственного периода колебаний, показания этих часов сильно зависели от степени заводки пру­жины. В 1525 Я. Цех из Праги предло­жил фузею, или улитку,— приспособле­ние для выравнивания усилия пружины во времени, что позволило повысить точ­ность пружинных часов. Шпиндельные часы, хотя и имели невысокую точность, отли­чались высокой надёжностью и просу­ществовали до конца  19 в.
Огромное    значение    для    повышения точности    часов    имело   открытие   Г. Гали­леем    изохронности    малых    колебаний маятника,   т. е.   независимости   периода его  колебаний  от   амплитуды.    Галилей около    1640 г  предложил   новый   спусковой  механизм,   напоминающий   современный   хронометровый, но его идея не получила практического    воплощения.    Изобретателем   современных механических    часов    по    праву    считается    X. Гюйгенс, который,   в    1657    применил маятник  в  качестве регулятора хода часов. Маятник (длинный стержень с тяжелым грузом на конце) качается равномерно. Каждое колебание он совершает за одно и то же время. Маятник регулирует ход часов.
  Ма­ятниковые    часы,   даже   с   несовершенным шпиндельным      механизмом,    позволили снизить   погрешность за сутки  до  5—10 сек.   В   1675г  английский  часовщик  У. Клемент  предложил    заменить шпиндельный   ме­ханизм, на  крючковый,    представ­ляющий   собой    простейшую    разновид­ность   анкерного   спускового   механизма.    Такой    механизм    сохра­нился    до   наших   дней    в   простейших маятниковых   часах типа  ходиков  (рис. 4).   Новый    шаг   в     совершенствовании   часов связан  с  именем  англичанина Дж. Грагама,     который     изобрёл      несвобод­ный      анкерный     механизм, имеющий   значительно   меньшие   потери энергии,   чем   крючковый   механизм Клемента.   В  1675   Гюйгенс  предложил в    качестве   регулятора   колебаний    ис­пользовать систему   «баланс — спи­раль».      Баланс — это    колесо  с мас­сивным   металлическим   (обычно    латун­ным)  ободом,   укреплённое  на  стальной оси;   спираль — тонкая   пружина,   один конец   которой   крепится   к   оси   баланса, а   другой — к   неподвижной   опоре.   Вы­веденная   из   состояния   покоя   система «баланс — спираль» совершает колебания вокруг своей оси; момент инерции баланса и жёсткость спирали определяют период колебаний   системы.   Такая  колебательная   си­стема обладает собственным  периодом колеба­ний;  она  достаточно надёжна при  пере­носке   и   транспортировке   часов.    В   связи с  применением    балансового    ре­гулятора    в   часах с пружинным дви­гателем    потребовалось    дальнейшее   со­вершенствование     спусковых     механиз­мов. До конца 19 в. в карманных часах широ­ко   применялся   изобретённый   Грагамом в   начале    18   в.    цилиндровый   механизм. Со 2-й половины 19 в. получил распространение свободный   анкерный   механизм,    до сего времени применяющий­ся во всех переносных, в том числе наручных и карманных, часах. В связи с повышением точности    часовых    механизмов    в    конце 17 в. в карманных часах устанавливают ми­нутные стрелки, а примерно с   1760 в часах стали применять секундные стрелки.




Рис. 4. Схема механизма маятниковых часов с крючковым спуском: / — поволок; 2 — ось скобы; 3 — скоба; 4 — спуско­вое колесо; 5 — основная колёсная пере­дача; 6 — колёсная передача стрелок; 7 — стрелки; 8 — гиревой привод; 9— маятник.

Значит, влияние на точность хода ма­ятниковых, особенно балансовых, Ч. ока­зывает изменение температуры окружающей среды. Погрешность хода маятниковых часов за сутки   при  изменении   температуры  на 1 °С за счёт изменения длины маятника при   стальном   стержне   составляет   0,5,
а при   деревянном — 0,2   сек;     для   балансовых   часов со стальной  спиралью около II секунд,   в   основном   за   счёт   изменения её   жёсткости. В середине   18 в.  было создано несколько  типов   маятников,    температурная погрешность которых устранялась   методом компенсации. Температурная   компенсация балансового  регулятора,   основанная   на применении биметалла,  была предложена в  1761г французским  часовым   мастером  П. Леруа. Такие балансы с компенсационными грузами по ободу применяются в современных морских хронометрах. Русский механик И. П. Кулибин в кон. 18 в.предложил    оригинальную   конструкцию биметаллического   баланса.   В  конце   19 — нач.20 вв. швейцарский физик Ш. Э. Гильом создал материалы с близким к нулю коэффициентом линейного   расширения (для маятников) —инвар,  и с  минимальным  значением термоэластичности   коэффициентом (для часовых  спиралей) —элинвар. Использование этих материалов в   часах   в    сочетании    с    компенсационными устройствами   практически устранило
температурные воздействия на ход механических часов. Так, например, часы с маятником из инвара даже без компенсационные устройства имеют температурную погрешность хода за сутки менее 0,05 сек на 1 °С, а наруч­ные часы со спиралью из элинвара — ме­нее 0,5 сек, что вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к часам широ­кого потребления.
В России в 18 в. над совершенствова­нием часов, в частности спускового меха­низма и способов температурной компен­сации, работали выдающиеся механики Кулибин, Т. И. Волосков, инженер      Л. Собакин. Кулибин, создал ряд уни­кальных часов, в т. часы, хранящиеся в Эрми­таже, часы в форме яйца, с фигурами, авто­матически выполняющими во время боя сложные движения; карманные плане­тарные часы с семью стрелками, показы­вающими часы, минуты, секунды, дни недели, месяцы, фазы Луны, восход и заход Солнца. В 19 веке в России успеш­но работали над совершенствованием часов механики Д. И. Толстой, И. П. Носов; часовщики братья И. Н. и Н. Н. Бутеноп в 1851—1852г полностью реконструиро­вали куранты Спасской башни Московского Кремля.
В конце XIV века появляются первые механические часы, и начинается постоянное состязание в техническом совершенстве, сложности прибора: куранты, отбивающие часы, получасы и четверти; системы, воспроизводящие мелодии; механические фигурки, в определенное время появляющиеся у циферблата и разыгрывающие пантомимы. Появляются миниатюрные часы с деталями в одну десятую грамма и часы-гиганты, у которых вес одной гири достигает 800 килограммов. Вершиной искусства часовых дел мастеров остаются и сегодня не превзойденные по сложности механизмы, такие, как состоящие из 18 тысяч деталей часы в Безансоне (Франция) с 75 одновременно действующими циферблатами.
XIX Век.1809 г. — Парижский ювелир Нитон, изготавливая подарок к свадьбе пасынка Наполеона Евгения Богарне и Августы Люксембургской, вмонтировал в усыпанный драгоценными камнями браслет миниатюрный часовой механизм. Он и не подозревал, что становится создателем наручных часов. Кстати, в то время его идею не оценили по достоинству: в почете была «луковица» — карманные часы с цепочкой, оснащенные боем, а иногда и репетицией (повторным сигналом времени, который давали нажатием кнопки).                                                                                                   
  XX Век-1904 г. — мастера Европы изготовили партию наручных часов для продажи в США. Но всю ее, как не нашедшую сбыта, пришлось вернуть в Старый Свет. А всего через несколько лет новинка получила признание у первых авиаторов. И наручные часы начали свое победное шествие: сегодня они выпускаются миллионами экземпляров ежегодно.
По назначению часы можно разделять (условно)   на   бытовые   и   специальные. В зависимости от условий использования различают бытовые Ч. наручные, кар­манные, настольные, настенные, улич­ные, башенные. В зависимости от назна­чения выделяют специализированные часы для подводного плавания, дорожные, антимагнитные и другие. Имеется большая группа часов специального, служебного на­значения: сигнальные, табельные, про­цедурные, программные и другие. По типу колебательных систем, используемых в современных часах, различают маятниковые, балансовые, камертонные, кварцевые и квантовые часы. Поскольку в часах поддержание коле­баний и индикация могут выполнять­ся от разных энергетических источников и разными способами, то различают механические, электромеханические (или контактные), электронно-механические (или бесконтактные) и электронные часы (например, кварцевые с цифровой индикацией на жидких кри­сталлах). Особо выделяют синхронные или, как их иногда называют, электрические часы, работающие от сети переменного тока. Такие часы по существу являются вторич­ными, а роль первичных часов выполняет генератор электростанции. Первичными часами могут быть также обычные часы, как правило, повышенной точности, от которых с минутными или полуминутными интер­валами по проводам передаются элект­рические импульсы вторичным часам.
Наиболее распространены (70-е гг. 20 в.) механические часы с механическим (пружин­ным, гиревым) приводом. Основные узлы современных механических часов (рис. 5) — двигатель, система колёс, ход или спусковой меха­низм, регулятор, стрелочный механизм и механизм заводки Ч. Пружина (двига­тель) вращает барабан 1 (внутри которого она находится) и через него систему ко­лёс 2—5, частота вращения которых опре­деляется периодом колебаний системы «баланс — спираль» 6—7. Числа зубьев колёс и период колебаний баланса подби­рают так, чтобы колесо 2 делало один оборот в час, а колесо 4 — один оборот в минуту; на их осях могут устанавли­ваться соответственно  минутная    и секундная стрелки.


 Рис. 5. Схема механизма наручных ме­ханических часов: / — заводной барабан; 2, 3, 4 — основная зубчатая передача; 5 — спусковое колесо; 6 — баланс; 7— спираль; 8 — анкерная вилка; 9 — триб минутной стрелки; 10 — часовое колесо; // — триб вексельного колеса; 12 — век­сельное колесо; 13 — переводные колё­са; 14 — заводной вал; 15 — заводная головка; 16 — переводной и заводной рычаги; 17 — заводной триб; 18 — ку­лачковая муфта; 19 — заводное колесо; 20 — барабанное    колесо.

 Практически же минут­ная стрелка закрепляетсяне на самой оси колеса 2, а на трибе 9, позволяющем переводить стрелкунезависимо от колёс 2—5. Колесо 2 через передачу 9—11 — 12 приводит в движениеколесо 10, на котором крепится часовая стрелка. При за­водке вращение головки/5 (через вал 14, муфту 18 и колёса 17, 19 и  20) сообщается валу, на которыйнаматывается пружи­на. При переводе стрелок вытягивают головку 15, муфта 18 спомощью рычагов 16 отводится от триба 17 и вступает в зацепление с переводнымиколёсами 13, вращение которых сообщается стрелкам. Современные часы оснащаютчасто дополнительным, ме­ханизмом, показывающим числа и дни недели, а в крупныхчасах и месяцы. В на­ручных часах часто применяют противо­ударные устройства,предохраняющие их механизм от поломок. Всё большее рас­пространение получаютнаручные меха­нические часы с автоматическим подзаводом, в которых на механизмечасов со стороны крышки расположен свободно качающийся груз в виде неуравновешенногосектора. При ношении часов на руке груз качается и че­рез колёсную передачу среверсивным устройством подзаводит пружину; за 10—12 часов пружина получаетзавод, обеспечивающий ход часов в течение 20 и более часов. Потребительосвобождается от необходимости заводить часы и, что осо­бенно важно, ониработают при более по­стоянном значении усилия заводной пру­жины, в результатечего часы имеют более высокую точность хода. Первые попытки примененияэлектрических устройств в часах относятся к 30—40-м  гг.19 в. Первоначально получили распрост­ранение    электромеханические   маятниковые и балансовые часы, в которыхзавод осуществ­лялся с помощью электромагнита, элект­родвигателя   и   т.д.   Большое   значение для дальнейшего развития  электромеха­ническихчасы имели работы швейцарских часовщиков М. Гиппа    и   Л. Бреге,    создавших    часы с  электроприводом.   В   электромеханических часах с электроприводомисточник питания через контакты, управляемые маятником или балансом,периодически подключает­ся к приводу, в результате чего в спуско­вом регулятореустанавливаются автоко­лебания. Роль двигателя таких Ч. выпол­няет сама колебательнаясистема, движе­ние которой  спомощью  спец.   механизма преобразуется    в   прерывистое вращательное движение стрелок.
 До середины 20 века электромеханические часыбыли в основном крупногабаритными, маятникового, реже балансового типа. Наусовершенствование конструкции ма­логабаритных, и, прежде всего наручных, электромеханическихбалансовых часов значит, влияние оказало появление малогабарит­ных иэнергоёмких источников тока, миниатюрных контактов.                                                                                                        В начале 50-х гг.20   века   появились  балансовые   наручныеэлектромеханические   часы,   выпущенные  фир­мами во Франции «Лип» (Lip), в США—«Гамильтон»   (Hamilton),  электрическая цепь которых при подаче  импульса балансу  за­мыкалась  механическими контактами.
Замена механическихконтактов, электрон­ными ключами на транзисторах, туннель­ных диодах,интегральных микросхемах решила проблему повышения надёжностиэлектронно-механических часов Современные наручные электронно-механическиебалансовые часы име­ют точность хода ± 15 сек в сутки, по­требляют около 10 мкАот источника тока напряжением 1,3—1,5 в. Такие Ч. с тра­диционнымиколебательными системами (осцилляторами) — маятником или «ба­ланс — спиралью» —в отличие от кон­тактных часов иногда называют бесконтакт­ными. Быстродействиеэлектронных уст­ройств и возможность управлять ими при малых амплитудахосцилляторов обусловили развитие камертонных и квар­цевых часов, обладающихвысокой точ­ностью.
В 70-х гг. 20 векаполучили широкое рас­пространение, наручные и настольные камертонные часы савтономной работой без смены батареи от 1 до 2 лет при точ­ности хода ± 2 сек всутки. Первый ка­мертонный регулятор с контактным прерывателем был создан А.Гийе в 1915г. В 1919г У. Эклс и Ф. Джордан (Великобритания) и А. Абрахам и Э.Блох (Франция) предложили схему лампового камертонного регулятора с электромагнитнойсистемой привода. Камертонные регуляторы на транзисто­рах для наручных часов впервыебыли из­готовлены фирмой «Булова уотч компани» (Bulova Watch Co) в США в 1950г; в СССР камертонныечасы были выпущены в 1962 на 2-м Московском часовом заво­де. В этих часахприменён храповой меха­низм для преобразования колебаний ка­мертона во вращениестрелок. Одна из схем электромеханических камертонных часов представлена нарис.   6.       






 Рис. 6. Схема механизмакамертонных часов: Т — транзистор; R — резистор; С — конденсатор; Li — обмотка осво­бождения; Li— импульсная обмотка; • Е — источникпитания (гальванический элемент); / — камертон; 2 — храповый механизм; 3 —колёсная передача; 4 — стрелки (часовая, минутная, секундная).

При   колебаниях камертона в обмотке освобождениянаводится эдс, которая открывает транзи­стор, в результате чего в импульснуюобмотку поступает ток от источника пи­тания. Частота колебаний камертона — 360 Гц.
Вэлектронно-механических часах с относительно высокочастотными (по­рядка 32 кГц)кварцевыми осцилляторами электрические импульсы спускового регуля­торауправляют работой шагового или синхронного электродвигателя или син­хронизируютработу двигателей посто­янного тока. В этих случаях схема управ­ления состоитиз электронного делителя частоты, схемы формирования импуль­сов и усилителей.Большинство кварце­вых часов имеет шаговый электродвигатель. Регулировка ходачасов осуществляется с помощью триммера в цепи кварцевого генератора. Впервыесхема кварцевых часов была предложена В. А. Маррисоном (Великобритания) в 1929;в кон. 70-х гг. такие часы выпускают многие фирмы, например, в Швейцарии «ПатекФилипп Эбош» (Раtek Philippe Ebauches), «Омега» (Ome­