Маятниковые часы

Первые механические часы, изобретенные китайцами, приводились в действие огромными, медленно поворачивавшимися деревянными водяными колесами. В 1300-х гг. появились колесные часы с приводом от опускавшихся гирь, но эти часы были ненадежными и неточными. Часам требовался механизм регулирования хода, который изобрели в 1600-х гг. Таким механизмом стал мятник, который нашел в часах первое практическое применение.

В 1582 г. итальянский ученый Галилео Галилей продемонстрировал, что маятник - груз, подвешенный на тонком стержне, - всегда качается с постоянной скоростью. Кроме того, он доказал, что скорость колебаний зависит только от длины маятника, а не от величины груза, прикрепленного к его концу. Например, маятник длиной 1 м совершает одно колебание (туда и обратно) за 1 сек. Но если маятник такой длины продолжает качаться, значит, с его помощью можно измерять время в секундах. У Галилея возникла эта идея, и в 1641 г. - за год до смерти - он рассказал своему сыну Винченцо, как сделать часы, ход которых регулируется маятником. Но Винченцо не успел закончить работу; первые маятниковые часы появились лишь в 1657 г. Их спроектировал голландский ученый Христиан Гюйгенс, а изготовил часовщик Соломон Костер в Гааге. Они отставали или убегали на 5 секунд в сутки, что значительно превышало точность всех тогдашних часов.

В часовых маятниках использовались не нити, а металлические стержни. Но на металл влияет температура, поэтому длина стержней менялась, что отражалось на точности хода часов. В жаркую погоду металлический стержень удлинялся, а в холодную укорачивался. Например, часам с односекундным маятником для потери одной секунды в сутки достаточно увеличения длины маятника на 0,025 мм, что происходит при повышении температуры всего на 2 "С. Изобретатели вскоре решили эту проблему, создав маятник постоянной длины. В 1722 г. английский механик Джордж Грэм изобрел ртутный маятник (о чем заявил в 1726 г.), прикрепив к концу маятника стеклянный сосуд со ртутью. Когда из-за повышения температуры маятник удлинялся вниз, это компенсировалось расширением ртути в сосуде, действовавшим в обратном направлении.

Другим решением стал решетчатый маятник из перемежающихся полос стали и меди, изобретенный английским часовщиком Джоном Гаррисоиом в 1728 г. Медь расширяется сильнее, чем сталь, поэтому ее расширение компенсировалось меньшим расширением стали. Сейчас стержни маятников изготавливаются из инвара - сплава железа с никелем, который почти не расширяется при нагревании. Этот сплав также используют для изготовления рулеток и камертонов, для которых постоянная длина очень важна.

Ученик Галилея итальянский ученый Винченцо Вивиани сделал этот набросок маятниковых часов; реконструкцию маятника см. на рис. на с. 13.

Эта модель маятниковых часов была создана в XIX в. по наброску проекта Галилея, сделанному Вивиани. Источник энергии для часов там указан не был, поэтому можно предположить, что они приводились в движение опускающимися гирями.

В механических часах скорость, с которой высвобождается энергия опускающегося груза, регулируется с помощью механизма, называемого спуском. Молоточек, подвешенный на маятнике, заставляет качаться анкер. Анкер то останавливает, то отпускает анкерное колесо, позволяя ему постепенно освобождать энергию опускающегося груза, приводящую в движение главное колесо. К оси главного колеса прикреплена часовая стрелка.