історія виникнення маятникового годинника
З xii століття механічний годинник почав встановлювати на баштах церков і монастирів, а з xiv століття повсюдно почав використовуватися годинник на баштах. Використовуючи удари пульсу як годинник, молодий професор галілей встановив, що час коливання люстри - маятника завжди постійно і не залежить від величини її розмаху (явище ізохронності). Перша популярність прийшла до гюйгенса, коли він відкрив кільця сатурна (галілео галілей їх теж бачив, але не зміг зрозуміти, що це таке) і супутник цієї планети, титан. У зв язку з наміченого скасування нантського едикту гюйгенс, не бажаючи переходити в католицизм, повернувся в голландію, де продовжив свої наукові дослідження. Кратер на місяці; гора mons huygens на місяці; кратер на марсі; астероїд 2801 huygens; європейський космічний зонд, який досліджував титана; huygens laboratory. Годинник гюйгенса мав хорошу точність, і вчений далі неодноразово, протягом 40 років, звертався до свого винаходу, удосконалюючи його й вивчаючи його властивості. Для пояснення цієї властивості автор присвячує другу частину книги виведенню загальних законів руху тіл в полі тяжіння — вільних, на похилій площині, таких, що зкочуються по циклоїді. Треба сказати, що це вдосконалення не знайшло практичного застосування, оскільки при малих коливаннях підвищення точності від циклоїдального приросту ваги незначне.
Гюйгенс виводить закони рівноприскореного руху тіл при вільному падінні, виходячи з припущення, що дія сталої сили на тіло, не залежить від величини і напряму початковій швидкості. Далі, розглядаючи вільний рух тіла, підкинутого вгору, він знаходить, що тіло підіймається на найбільшу висоту, втративши всю надану йому швидкість, і отримує її знову при поверненні назад. Галілей допускав без доказу, що сковзанні вниз похилими площинами з різним нахилом, але однаковою висотою, тіла набувають рівних вертикальних швидкостей. Якщо тіло, спущене з верхнього кінця однієї з них, набуває більшої швидкості, ніж спущене з верхнього кінця іншої, то можна пустити його по першій з такої точки нижче за верхній кінець, щоб придбана внизу швидкість була достатня для підйому тіла до верхнього кінця другої прямої; але тоді б вийшло, що тіло піднялося на висоту, більшу за ту, з якої воно впало, а цього бути не може.
Від руху тіла по похилій прямій гюйгенс переходить до руху по ламаній лінії і далі до руху по будь - якій кривій, причому доводить, що швидкість, яку тіло набуває при падінні з будь - якої висоти по кривій, дорівнює швидкості, яку тіло набуває при вільному вертикальному падінні з тієї ж висоти, і що така ж швидкість необхідна для підйому того ж тіла на ту ж висоту як вертикально вгору, так і по кривій. У четвертій частині викладається теорія фізичного маятника; тут гюйгенс вирішує завдання, яка давалася багатьом сучасним йому геометрам, — завдання про визначення центру коливань. Якщо складний маятник, вийшовши із стану спокою, здійснив певну частину свого коливання, більшу ніж половина розмаху, і якщо зв язок між всіма його складовими частинами був знищений, то кожна з цих частин підніметься на таку висоту, що їній загальний центр тяжіння при цьому буде на тій висоті, на якій він був при виведенні маятника із стану спокою. Цей розділ вперше приводить точний кількісний вираз для відцентрової сили, який згодом зіграв важливу роль при дослідженні руху планет і відкриття закону всесвітнього тяжіння. Ці об єктиви кріпилися на високих стовпах, обладнаних спеціальними кронштейнами, і завдяки низці пристосувань за допомогою шнура встановлювалися в необхідне положення там він виклав якісну теорію відбиття, заломлення і подвійного променезаломлення в ісландському шпаті у тому самому вигляді, як викладається нині у підручниках фізики.
Кишеньковий механічний годинник відкриття теоретичним шляхом сплюснутості землі біля полюсів, і також пояснення впливу відцентрової сили на напрям сили тяжіння й довжину секундного маятника на різних широтах. Винахід годинникової спіралі, що замінює маятник, вкрай важливий для навігації; перший годинник зі спіраллю був сконструйований у парижі годинниковим майстром тюре в 1674. Якщо в давніх міфах світ виглядав як жива істота, то в xvii – xviii століттях його порівнювали з годинником, а бога - творця називали великим годинникарем. Цей механізм включав коронну шестерню, яка оберталась навколо горизонтальної осі, вертикально розташований шпиндель (стержень з двома лопатками, розташованими приблизно під кутом 90о) і приєднаний до шпинделя горизонтальний балансир – стержень з розміщеними на ньому вантажами, які можна було переміщувати, щоб регулювати хід годинника. Коли шестерня оберталась, лопатки отримували поштовхи від зубців, в одну чи другу сторону, внаслідок чого балансир здійснював коливання, якими визначався хід годинника. Хенлейн вперше застосував замість гир сталеву пружину і створив кишеньковий шпиндельний годинник, який був ще менш точним, ніж баштовий, оскільки його хід суттєво залежав від ступеня заведення пружини.
Галілей, перебуваючи в пізанському соборі, помітив, що період коливань люстри залишається незмінним (тобто є ізохронним), коли амплітуда коливань зменшується. Можна припустити, що галілей неодноразово міркував над тим, як застосувати маятник для створення точного годинника, але до розробки механізму приступив лише у віці більше 70 - ти років, – уже після того як осліп. За вказівками галілея розробку годинника продовжили його син вінченцо і учень вівіані, але невідомо, чи вдалося їм виготовити годинник – залишилися лише креслення, на основі яких згодом виготовили модель годинника. Спусковий механізм годинника галілея складався з двох скоб, закріплених на осі маятника, храпового колеса з штифтами і пружини зі штифтом, яка в розігнутому стані не давала колесу повертатися. У своєму годиннику гюйгенс використав шпиндельний механізм, який відрізнявся від відомого тим, що коронна шестерня оберталась навколо вертикальної осі, балансиру з вантажами не було, а до шпинделя, розташованого горизонтально, приєднувався маятник. Оскільки коливання маятника відбувалися під дією незмінної сили тяжіння, період коливань був стабільний, що забезпечувало суттєве підвищення точності годинника порівняно зі шпиндельним. Можна було б спробувати розробити новий механізм, який міг би діяти при малих амплітудах коливань маятника, але гюйгенс вибрав шлях вдосконалення шпиндельного механізму.
В результаті експериментальних і теоретичних досліджень він встановив, що ізохронним є маятник, який рухається по циклоїді, а також отримав ще низку результатів, які суттєво розвивали розділ механіки – динаміку.
Гюйгенс видав працю маятниковий годинник, в якій описав конструкції годинників зі звичайним, циклоїдальним і конічним маятниками, вперше в історії науки розглянув питання про центр коливання фізичних тіл, визначення прискорення земного тяжіння за допомогою маятника, дав теорію відцентрової сили, описав механічні та геометричні властивості циклоїди, дослідив еволюти і евольвенти.
Гюйгенс одночасно з робертом гуком запропонував використовувати як регулятор коливань систему баланс – спіраль, яка складається з колеса з масивним металевим ободом, закріпленим на вісі, і тонкої пружини, один кінець якої кріпиться до осі балансу, а другий – до нерухомої опори.
Неможливість добитися стабільного ходу годинника з великою амплітудою коливань маятника, яка необхідна для роботи шпиндельного механізму, змусила майстрів шукати засоби використання коливань з малою амплітудою. У ньому зубці анкера (anker – німецькою означає якір), який знаходиться на осі маятника, по черзі входять у зчеплення з зубцями ходової шестерні і регулюють її обертання. Його хід визначався двома масивними балансами, які коливалися в протилежних напрямках, за рахунок чого суттєво зменшувався вплив рухів корабля на хід годинника. Гаррісон також розробив новий спусковий механізм, відомий під назвою коник, засіб автоматичної компенсації дії змін температури на балансові пружини, домігся суттєвого зменшення тертя в механізмі. Тут для компенсації впливу зміни температури на пружність спіралі і на хід годинника було застосовано біметалевий компенсаційний пристрій, який змінював довжину пружини при зміні температури.
Годинник за цей час відстав на одну хвилину і 5 секунд, що відповідало похибці у 18 миль, яка була набагато меншою, ніж 30 миль – похибки, що допускалась для отримання премії в 20 тис. ), розробляли нові матеріали – з близьким до нуля коефіцієнтом лінійного розширення (для маятників) і з мінімальним значенням термоеластичного коефіцієнта (для пружних елементів), створювали нові типи годинників, наприклад, наручні. З явилися електричні годинники, в яких коливаннями маятника керує електрична схема, в середині хх століття – електронні, в основі яких підрахунок числа коливань кварцового резонатора електронною схемою. і до сьогоднішнього дня історики не можуть прийти до спільної думки - хто ж насправді першим винайшов механічний годинник, спираючись на історичні факти.
Уже понад 3, 5 тисячі років тому, засновані на кореляції руху сонця і довжиною, положенням тіні від предметів, сонячний годинник були найбільш широко використаним приладом для визначення часу.
іноді додатково до бічних сторонах свічки кріпили металеві стрижні, і коли віск вигоряв, бічні кріплення, падаючи вниз, видавали характерні удари по металевій чаші підсвічники - означаючи звуковий сигнал певного періоду часу.
Наступним, не маловажним винаходом до механічних приладів, варто виділити пісочний годинник, які дозволяли вимірювати лише невеликі проміжки часу, не більше півгодини.
Головною складністю такого механізму були колосальна вага, а також громіздкість елементів (висота вежі становила мінімум 10 метрів, а маса гирі досягав позначки 200 кг), що тягло за собою наслідки у вигляді великих похибок у тимчасових показниках. Але, не дивлячись на всі подальші нововведення, баштовий механізм продовжував вимагати безперервного спостереження, залишаючись при цьому найбільш точним приладом вимірювання часу, навіть не дивлячись на всі свої недоліки і великі похибки.
В кінцевому підсумку з часом механізми баштового годинника перетворилися в складну конструкцію з багатьма автоматично рухомими елементами, різноманітної системою бою, зі стрілками і декоративними прикрасами.
У 1402 році були споруджені празькі баштовий годинник, оснащені автоматично рухомими фігурками, які під час кожного бою курант відображали певний набір рухів, уособлюючи історію. Наприклад, часовому майстру джунелло турріано знадобилося 1800 коліс для виготовлення баштового годинника, які демонстрували денний рух сатурна, річне рух сонця, рух місяця, а також напрямок всіх планет відповідно до птолемеевской системою світобудови, і хід часу протягом дня. Якщо ж говорити про сучасні годинах, в 1657 році винахідник голландець християн гюйгенс вперше застосував маятник як регулятор годин, і цим зумів значно зменшити похибка показань в свій винахід. і навіть сьогодні годинні майстри не перестають радувати нас новими рішеннями у виробництві механічних моделей, підкреслюючи унікальність і точність кожного свого приладу.
Фахівці кажуть, що першими, хто став стежити за часом, були первісні люди, які якимось чином могли визначати, коли полювання або риболовля будуть найвдалішими.
Знаменитий римський архітектор і механік марк вітрувій полліон описав 13 різних видів сонячних годинників, які використовували повсюдно в єгипті, греції, малій азії, італії, римі та індії. До слова, сьогодні на площі п’яцца - дель - пополо, що розташована в римі, кожен охочий може помилуватися на єгипетський обеліск, що зберігся до наших днів, який має висоту 36 м. В середні віки їх розробка була вдосконалена, вони стали більш точними внаслідок використання в них якісного піску – дрібного порошку чорного мармуру, а також піску зі свинцевого і цинкового пилу.
У китаї використовували їх особливий різновид, вони складалися з основи, зробленої з горючого матеріалу (у вигляді спіралі або палички), і прикріплених до неї металевих кульок. Необхідно було тільки замінити рушійну силу – струмінь води – важкою гирею, з якою набагато простіше користуватися, а також додати спусковий пристрій і регулятор ходу.
Він мав всього одну стрілку – годинну, за допомогою якої люди могли визначати частини доби, свята церковного календаря, наприклад великдень і залежні від нього дні. У цьому годиннику було встановлено спеціальний механізм, що приводить в рух маленькі цимбали – струнні ударні музичні інструменти, – які відбивали час. Розвиток електроніки та радіотехніки посприяв появі кварцових годинників, які мають механізм, що складається з електронного блоку і так званого крокового електродвигуна. і на приладовій панелі автомобіля, і в мобільному телефоні, і в мікрохвильовці, і в телевізорі… такі годинники приваблюють користувачів своєю компактністю і функціональністю.
Коментарі
Дописати коментар