Постоянство-сила

Проблема постоянной силы — самая актуальная и в то же время старая задача в часовом деле. Часовщики решали ее все последние 500 лет, и делали это с тем же упорством, с каким алхимики искали философский камень, математики вычисляли квадратуру круга, а механики — создавали вечный двигатель

ПОСТОЯНСТВО - СИЛА О пользе постоянства
Поиски велись начиная с 1470-х, с того самого момента, как были изобретены часы с пружинным заводом. Суть проблемы постоянной силы состоит в том, что по мере раскручивания заводной пружины часов иссякает ее энергия, уменьшается импульс, передаваемый балансу. Как следствие, амплитуда колебаний баланса уменьшается и часы начинают спешить. А когда сила пружины слишком велика, амплитуда колебаний увеличивается и часы отстают. Именно из-за меняющейся энергии пружины точность часов «плавает» в течение суток. В часах с гиревым приводом такой проблемы не стояло: там Земля притягивает гирю с постоянной силой. Именно поэтому конструктивно более древние маятниковые гиревые часы и по сей день остаются точнее пружинно-балансовых собратьев, а некоторые из них обеспечивают воистину астрономическую точность. Но проблема встала особенно остро с появлением первых пружинных часов со шпиндельным механизмом, ведь они еще не имели полноценного регулятора хода. После того как в 1675 году Гюйгенс изобрел балансовый регулятор со спиральной пружиной, имеющий собственный период колебаний, точность часов кардинально повысилась, но только при условии достаточного завода главной пружины. Неприятности обычно начинаются, когда запас хода часов составляет менее 30 процентов: значительно уменьшается амплитуда колебаний баланса, что приводит к нестабильности периода этих колебаний и ощутимым потерям точности хода. ПОСТОЯНСТВО - СИЛА Дело в том, что система «баланс-спираль» может считаться изохронной (такой, что частота ее собственных колебаний не зависит от их амплитуды) только теоретически. На практике все обстоит хуже — на баланс направлены различные внешние воздействия. Это флуктуации крутящего момента, тряска и ускорения при ношении часов, смена положения корпуса, изменения температуры, биения в системе спуска и многое другое. Поэтому для достижения точности показаний механических часов очень важно поддерживать заданную амплитуду колебаний баланса, а для этого необходимо обеспечить постоянство момента, который передается на него через анкерную вилку с главной пружины.

Временный компромисс
Решение отыскалось довольно быстро, но не самое эффективное и слишком уж сложное в реализации (об этом чуть позже). И постоянство силы надолго стало прерогативой единичных крупногабаритных дорогостоящих экземпляров часов, как правило, специального назначения. Ну а изготовители наручных моделей обходились простейшим лекарством — всего лишь правильной настройкой узла баланса. Посчитали, что часы обычно заводят, когда остается приблизительно 30% запаса хода. Раз уж нельзя добиться постоянного момента заводной пружины, то часы следует отрегулировать так, чтобы они шли с «идеальной» точностью при 65-процентном запасе хода. Тогда в диапазоне от 100 до 65 процентов завода они будут чуть отставать, с 65 до 30 — немного спешить, но в итоге демонстрировать приемлемую точность. ПОСТОЯНСТВО - СИЛА В более сложных механизмах такая «статистическая» методика борьбы с нарушениями изохронности себя не оправдывает. Трудно отрегулировать часы с многодневным ручным заводом: надо предугадывать, когда именно владельцу вздумается их завести; да и часы-автомат ненамного проще, поскольку требуется заранее знать режим и степень двигательной активности их хозяина. В общем, массовому покупателю оставалось, не особенно вдаваясь в существо проблемы, мириться с отсутствием изохронности, выражавшемся в неточности хода наручных часов. Но только до тех пор, пока не появились кварцевые часы. В самом деле, генератор кварцевых часов обречен выдавать колебания строго постоянной частоты — так уж он устроен. Даже если кварцевые часы спешат или отстают, то делают это с неизменной скоростью до тех пор, пока не садится батарейка, ну а специально сконструированные кварцевые часы просто идут «секунда в секунду». ПОСТОЯНСТВО - СИЛА Отступая, но не сдаваясь на милость победителя, конструкторы механических часов мужественно приняли вызов времени и с утроенным рвением принялись за поиски устройства, обеспечивающего постоянную силу. Цель была поставлена амбициозная — наладить серийное производство наручных механических часов, не уступающих по точности кварцевым.

Фузейиые цепи
Мастера A.Lange & Sohne в своих поисках «эликсира постоянной силы» обратились к упоминавшемуся старому прадедовскому рецепту — фузее. Изобретение фузеи долгое время приписывалось пражскому мастеру Якобу Цеху (около 1525 года), пока дотошные исследователи не нашли чертежи этого механизма в архивах самого Леонардо да Винчи, датируемых 1485 годом. Так или иначе, фузея появилась задолго до узла баланса, точность работы которого ныне призвана повышать — часы с фузейной передачей делали уже в XVI веке. Чаще всего фузейный механизм применяли английские часовщики, с XVII вплоть до середины XIX века, и использовали преимущественно в дорогих морских хронометрах. Основным передаточным элементом фузеи служила миниатюрная и крайне сложная в производстве цепь. Фузейные цепи карманных часов достигали 20 сантиметров в длину при толщине всего 0,35 мм и состояли более чем из 200 вручную изготовленных и связанных друг с другом звеньев. Эта монотонная работа обычно поручалась детям или молодым женщинам, обладавшим особенно острым зрением. ПОСТОЯНСТВО - СИЛА Опираясь на давние традиции использования цепной передачи в своих карманных моделях, A.Lange & Sohne первой (и пока единственной) решилась интегрировать фузею в наручные часы: турбийон Pour Le Merite. Заметим, что те или иные конструктивные решения проблемы постоянной силы чаще всего встречаются именно в часах с турбийоном, поскольку турбийон является весьма энергоемким усложнением и предъявляет повышенные требования ко всей энергосистеме механических часов. Современные технологии позволили немецким часовщикам (разумеется, без всякой эксплуатации детского труда) создать фузейный блок диаметром в 10 мм с цепью длиной 24 см, шириной 0,6 мм и толщиной 0,3 мм, состоящей из 753 деталей. Между тем, устроен сверхсложный фузейный узел на редкость изящно — самый древний механизм постоянной силы гениален в свой простоте. Один конец цепи обматывается вокруг заводного барабана часов, другой укладывается на спиральный конический шкив фузейного блока, передающего энергию завода колесной системе часов. При полном заводе ходовой пружины, когда ее энергия максимальна, цепь обматывается вокруг самого узкого участка блока и плечо приложения силы пружины минимально. По мере распускания и ослабевания пружины цепь разматывается с блока на заводной барабан, увеличивается рабочий диаметр фузеи и, соответственно, растет рычаг приложения силы пружины. При этом определяющий стабильность хода часов вращательный момент заводной пружины, равный произведению ее силы на плечо приложения этой силы, остается постоянной величиной. Заслуги конструкторов A.Lange & Sohne в деле постоянства хода не исчерпываются созданием самой миниатюрной фузейной цепи. Внутри сантиметрового фузейного блока размещен состоящий из 38 деталей дифференциал с планетарной колесной передачей (см. «Мои Часы» №6/2004). Такое усложнение необходимо, чтобы обеспечить непрерывную передачу силы заводной пружины на ходовую систему, в том числе и во время завода часов, когда цепь наматывается на блок. Но фузейная схема обеспечения постоянной силы не лишена недостатков. К их числу можно отнести значительный объем, занимаемый цепным блоком, определенные потери энергии на трение, огромное количество мелких деталей фузейной передачи и, как следствие, трудоемкость и высокую стоимость ее изготовления.

Пружина в промежутке
Поэтому некоторые часовые мастера пошли по другому пути: внедрили дополнительную промежуточную пружину, которая в течение ходового цикла накапливает строго дозированное количество энергии заводной пружины и периодически воздействует на узел баланса с постоянной силой, поддерживая заданную амплитуду его колебаний. Такой подход реализован, например, в ремонтуаре постоянной силы конструкции Франсуа-Поля Журна, воплощенном в знаменитой модели F.P. Journe Tourbillon Souverain. Плоская аккумулирующая пружина ремонтуара ежесекундно воздействует на качающийся рычаг, и тот через помещенное на нем сателлитное колесо передает постоянное внешнее усилие на клетку турбийона (подробное описание ремонтуара приведено в «Моих Часах» №1/2005). Но, при желании, и в ремонтуаре Журна можно найти некоторые изъяны. Это дополнительные потери энергии на раскачивание массивного рычага и в сателлитной передаче, а также невозможность фиксации дробных долей секунды.

Спираль прогресса
Несколько иначе рассудили конструкторы IWC, разместив модуль постоянной силы внутри самой каретки турбийона. Да и вспомогательная пружина, обеспечивающая это постоянство, здесь не линейная, как у Журна, а спиральная, и располагается она на оси анкерного колеса. Сразу оговоримся, что хотя изобретение было запатентовано в Швейцарии еще 15 декабря 2001 года, до сих пор нет никаких сведений о его использовании в опытных образцах механизмов, а тем более в серийных моделях часов. Как объяснил нашему журналу автор спирали IWC Курт Клаус, он еще до сих пор не уверен на все 100 процентов в эффективности и долговечности этого узла. Однако его решение давней проблемы как всегда необычно, перспективно и явно заслуживает детального рассмотрения. Кроме того, всегда интересно проникнуть в творческую лабораторию ведущих часовщиков и сравнить первоначальный замысел с его последующим воплощением. Тем более что в данном патенте существенные изменения были внесены во всю конструкцию турбийонного узла.

Итак, на рисунке 1 изображен общий вид турбийона постоянной силы: каретка турбийона (1), вращающиеся вокруг установленных на каретке осей анкерное колесо (6), стопорное колесо (12), баланс (2) со спиралью (3), толкающее каретку приводное колесо турбийона (13), а также неподвижное секундное колесо (14). Рисунок 2 показывает взаимодействие основных деталей механизма, причем для большей наглядности каретка турбийона и баланс удалены, так что видны спусковая анкерная вилка (4), анкерная вилка постоянной силы (11), напряженная спиральная пружина постоянной силы (10) и кулачок анкерного колеса (5). На оси анкерного колеса вращается расположенное под ним колесо постоянной силы (7), с которым подвижно соединен один конец пружины (10), второй конец этой пружины зафиксирован на анкерном колесе. Теперь пройдемся по всей цепочке взаимодействий деталей. При каждом полуколебании баланса палеты анкерной вилки (4) освобождают анкерное колесо (б), и оно, под воздействием пружины (10), поворачивается на один зубец. Вместе с анкерным колесом поворачивается зафиксированный на нем треугольный кулачок (5), имеющий скругленные стороны. За пять полуколебаний баланса (пять — это отношение числа зубцов анкерного колеса и граней кулачка) кулачок проворачивается настолько, что отклоняет П-образный хвостовик вращающейся вокруг оси турбийона анкерной вилки (11). При этом одна из палет вилки (11) освобождает зубец стопорного колеса (12), и разблокированная каретка турбийона, под воздействием заводной пружины, оборачивается вокруг неподвижного секундного колеса (14), пока колесо (12) не повернется на 90° и не упрется вторым зубцом в другую палету вилки (11). Колесо постоянной силы (7) снизу имеет триб.

ПОСТОЯНСТВО - СИЛА На рисунке 2 он не виден, но расположен аналогично трибу стопорного колеса (12а), через который на колесо (7) передается вращение каретки турбийона. Поэтому при повороте каретки свободный конец спиральной пружины (10), связанный с колесом (7), также поворачивается на строго определенный угол. Другой конец пружины (10) в это время зафиксирован, поскольку жестко сочленен с анкерным колесом, вращение которого блокируется палетами анкерной вилки (4). Таким образом, при продвижении каретки турбийона, происходящем через каждые пять полуколебаний баланса, пружина постоянной силы (10) периодически взводится до одного и того же положения. И вследствие этого движимое пружиной анкерное колесо воздействует на баланс с постоянной силой, независимо от состояния заводной пружины часов, чего, собственно, и добивались конструкторы. Стоит особо отметить, что напряжение пружины (10) способствует плавному, без рывков и биений, движению каретки турбийона.

Секретное оружие IWC
Однако внимательный читатель может заметить, что в приведенном описании скрыт подвох. А именно: хотя пружина постоянной силы взводится лишь после каждого пятого полуколебания баланса, она исправно подталкивает баланс через анкерную вилку (4) во время каждого его полуколебания. Казалось бы, при таком неравномерном энергообмене сила воздействия на баланс на протяжении пяти колебаний должна немного спадать из-за ослабевания пружины постоянной силы. Но, оказывается, учтено и это обстоятельство, стоит только присмотреться к следующему рисунку.

ПОСТОЯНСТВО - СИЛАНа рисунке 3 изображено «секретное оружие» IWC — диск баланса сил (21). Этот диск скрыт от посторонних глаз между анкерным колесом (6) и колесом постоянной силы (7). Диск баланса сил имеет собственную ось вращения, смещенную относительно оси этих колес, поскольку оборачивается вокруг установленного на колесе постоянной силы эксцентрика. Два симметричных рычага (21а) и (21b), расположенные по краям диска (21), взаимодействуют с двумя равноудаленными от оси анкерного колеса пальцами, через которые и передается вращательное усилие. Палец (24) жестко связан с анкерным колесом и зафиксированным на нем концом спиральной пружины постоянной силы (10), а палец (25) установлен на вращающемся вокруг оси анкерного колеса кольце, к которому прикреплен подвижный конец пружины (10). Напряжение пружины (10), передающееся через палец (25) на рычаг (21а), вызывает вращение диска (21). При этом другим своим рычагом (21b) диск толкает палец (24) и сообщает вращательный момент анкерному колесу. При каждом повороте анкерного колеса пружина немного ослабевает, но вместе с тем увеличивается плечо рычага, через который передается сила пружины; похожий принцип уже встречался в фузейной передаче. Увеличение рычага достигается за счет эксцентричного, по отношению к анкерному колесу, вращения диска (21). Действительно, из рисунка видно, что при повороте анкерного колеса происходит приращение рычага L1 и уменьшение рычага L2. Соответственно, растет отношение L1/L2 и, несмотря на уменьшение силы пружины F1, сила F2, передающаяся на анкерное колесо, а с него и на баланс, сохраняет свою величину. Конечно, такая закономерность действует только в определенном узком диапазоне значений угла U поворота диска относительно колеса постоянной силы. Но не надо забывать, что ровно через пять полуколебаний колесо разблокируется и повернется на угол U, заняв свою первоначальную позицию относительно временно заблокированного анкерного колеса и взведя пружину постоянной силы. Предложенный эксцентричный механизм баланса сил имеет несколько немаловажных достоинств: он крайне прост в изготовлении (состоит всего из трех деталей), занимает очень мало места и легко поддается регулировке и точной настройке путем подбора длин рычагов.

Чудодейственная «косметика»
Закрывая тему турбийонов постоянной силы, упомянем об экспериментальных часах — карманных Double Axes Tourbillon и наручных Triple Axes Tourbillon, которые изготовил вручную независимый швейцарский мастер Thomas Prescher. Утверждается, что в этих многоосных турбийонах, вошедших с недавнего времени в моду, также присутствует искомый модуль постоянной силы, однако его техническое описание не приводится, а сказать что-либо по фотографиям механизма затруднительно. А как же обстоят дела у часовых грандов? Patek Philippe обошлась «косметическими» мерами. В пресс-релизе, посвященном ее прошлогодней премьере New Gondolo Calendario с автоматическим механизмом калибра 5135, термин «постоянная сила» фигурирует, но при ближайшем рассмотрении оказывается, что речь идет о всего лишь новом микропрофиле зубцов колесной передачи. Безусловно, колеса с мелкими зубцами, хотя и трудны в производстве, позволяют обеспечить более равномерную передачу энергии от главной пружины к анкерному колесу и снизить возмущения, возникающие в передаче, а значит, тем самым повысить точность хода. Но с первопричиной — меняющимся моментом пружины — они справиться вряд ли способны. Тем не менее пример Patek Philippe породил последователей, и «мелкозубые» передачи стали появляться и у других брэндов, например у JeanRichard. Audemars Piguet же и вовсе лишь вскользь упомянула о достижении постоянной силы в недавнем калибре 3120, из скромности не решившись приводить какие-либо сенсационные подробности, а тем более утомлять поклонников марки описаниями сложных технических ухищрений сродни вышеприведенному. Так что на сегодня имеются только два афишированных решения: либо системы с переменным передаточным отношением, меняющимся по мере ослабевания заводной пружины, как это происходит в случае с фузеей, либо промежуточный энергетический «резервуар», в который периодически перетекает строго постоянный объем энергии, отдающейся затем балансу, как у Журна или IWC. И, что самое важное, эти решения применяются в недешевых, мягко говоря, часах. О массовом производстве механизмов с постоянной силой говорить пока не приходится. Существует мнение, что современные технологии производства часовых колес, пружин и спиралей баланса, а также распространение автоматических механизмов, не говоря уже о кварцевых, превращают поиски постоянной силы в искусство ради искусства. И что даже если долгожданное абсолютное решение будет найдено, у механических часов останется немало других уязвимых мест. Но ведь именно за яркие проявления часового искусства любят и ценят механические часы, и в этом же заключается их потенциал на будущее. Ну а пока простим механическим часам некоторое непостоянство, как прощаем мы его любимой женщине, сила которой часто заключена в ее слабости.

Источник: © Мои часы №4, 2005