История одного изобретения. Механические маятниковые часы

На новогодних поздравительных открытках часто помещают изображение часов. И это не удивительно. Ведь момент перехода от старого к новому году фиксируют с помощью прибора для измерения времени — часов. Их история — это неотъемлемая часть истории культуры, тесно связанная с прогрессом науки и техники. Исторически совершенствование методов и средств измерения времени происходило не само по себе, а под влиянием требований к точности измерения времени на том или ином уровне развития культуры и цивилизации.

В истории невозможно указать эпоху или страну, где бы люди не обладали теми или иными способами измерять время. Однако настоящую цену времени знает только человек двадцать первого века, уже вовлечённый в водоворот сложной хозяйственной жизни, когда «механический» ритм возобладал над ритмом «природным».

А ведь первой наукой о времени была астрономия, зародившаяся ещё в доисторический период. Как писал известный историк античной техники Герман Дильс: «Начало научного мышления, извлёкшего человека из животного состояния, связано с измерением времени».

Немыми памятниками, свидетельствующими о наличии практического интереса к астрономическим знаниям у людей позднекаменного и начала бронзового века, являются мегалитические постройки, ориентированные по Солнцу и Луне.

Некоторые из них позволяли с удивительной точностью вести календарный счёт дням, отмечать наступление начала времён года и предсказывать наступление солнечных и лунных затмений.

В Древнем мире и в Средние века при господстве аграрного строя и ремесленной техники не было нужды делить время на мелкие отрезки и точно их измерять, как теперь. Люди жили и определяли время по естественному движению Солнца, по длинным летним и коротким зимним дням. Поэтому неудивительно, что одним из древнейших устройств для определения времени были солнечные часы. Их появление связано с моментом, когда человек осознал взаимосвязь между длиной и положением солнечной тени от тех или иных предметов и положением Солнца на небе. Доподлинно не известно, когда именно появились солнечные часы. Но самым древним из них более трёх тысяч лет. Они были обнаружены нарисованными на куске известняка в Египте в Долине царей возле жилища рабочих.

Ещё одним древним устройством счёта времени, известным со времён ассиро-вавилонян и Древнего Египта, были водяные часы — клепсидра. У египтян, вавилонян и древних греков промежуток времени измерялся количеством воды, вытекавшей капля за каплей из малого отверстия, сделанного на дне сосуда. А у китайцев, индусов и некоторых других народов Азии, наоборот, — пустой полушаровидный сосуд плавал в большом бассейне и мало-помалу наполнялся водой через малое отверстие.

Интересно, что из-за видимого свойства клепсидры появилось высказывание: «Время истекло».

Солнечные и водные часы, а также песочные и огненные использовались людьми вплоть до ХIII века, когда им на смену пришли первые механические часы, устройство которых было описано в альбоме французского архитектора Виллара де Оннекура. Как видно из эскиза этого устройства, здесь в качестве движущей силы применена гиря, подвешенная на конце верёвки, обмотанной вокруг оси колеса. Падение гири и относительно равномерное вращение вертикального стержня, на котором на подставке укреплена фигура ангела, регулировалось колебанием колеса взад и вперёд.

Снизу эскиза имелась надпись: «Как ангел своим пальцем покажет на Солнце». Это наводит на мысль, что фигура должна была делать один оборот за двадцать четыре часа. Хотя многие историки скептически относятся к механизму Виллара, говоря о том, что он «с трудом может быть назван часами».

Данные о ранних механических часах весьма скудны: иногда это упоминание, вкравшееся в стихотворение или прозаическое произведение. Например, первое упоминание в письменных источниках о колёсных часах в Западной Европе было сделано Данте Алигьери. В «Божественной комедии» («Рай», песнь 10) Данте свидетельствует:

И как часы, которых бой знакомый
Нас будит в миг, как к утрене встаёт
Христа невеста звать нас в божьи домы,
Часы, где так устроен ход,
Что звук: динь-динь как звуки струн на лире.

А в песне 21 «Рая» читаем:

И как в часах колёса с их прибором
Так движутся, что чуть ползёт одно,
Другое же летит пред взором…

В обоих этих случаях речь, несомненно, идёт о механических часах с боем.

Интересно, что изначально «день» подразделяли на 24 часа, считая от одного заката солнца до наступления другого. Окончание дня отмечалось 24 ударами колокола. Такой порядок счета времени в некоторых местах сохранялся вплоть до 1370 года и позже. Во второй половине XIV века постепенно переходят от этого счета времени к подразделению дня на две равные половины, каждая по 12 часов, с отсчётом от полуночи до полудня и обратно. Первым, кто сделал этот решающий шаг, был французский король Карл V. После установки дворцовых башенных часов он приказал всем церквям Парижа отбивать по ним часы и четверти часа. Так как на этих часах время отсчитывалось в равных промежутках, новый порядок исчисления времени распространился не только в Париже, но постепенно и в европейских странах.

Основным недостатком первых механических башенных часов было то, что в них, в лучшем случае, была только часовая стрелка, так как колёсный механизм не давал большой точности при измерении малых отрезков времени и не обладал постоянством хода, необходимым для ведения астрономических наблюдений.

Несмотря на это, колёсный механизм прослужил человечеству несколько столетий. Наиболее ранний из сохранившихся до наших дней башенный часовой механизм находится в соборе английского города Солсбери и относится к 1386 году. Сейчас он представлен в качестве музейного экспоната.

А, например, в Гродно, Республика Беларусь, находятся старейшие башенные часы Европы. Уже в течение более пятисот лет они исправно показывают жителям города точное время. Часовой механизм приводит в действие семидесятикилограммовая механическая гиря, которую каждый день смотритель поднимает на высоту пятиэтажного дома.

Дальнейшее развитие механики позволило создать более совершенный регулятор. Им стал маятник. Со времени изобретения маятниковых часов начинается история классической колебательной хронометрии.

Первые идеи о применении маятника в качестве регулятора хода принадлежат Леонардо да Винчи. В библиотеке Амброзиана в Милане хранится большое количество его черновиков. На листке 257 рукой учёного набросан эскиз применения маятника в качестве регулятора хода часов. Как видно, вокруг оси намотана верёвка с гирей на конце. Видно, каким образом приводится в действие зубчатая передача, а также как осуществляется связь движущей силы со спусковым устройством. Но нет никаких объяснений действия спускового устройства и регулирования зубчатой передачи.

Поэтому считается, что история происхождения маятника началась в городе Пиза. По свидетельству Вивиани, первого биографа Галилео Галилея, в 1583 году девятнадцатилетний юноша Галилей, будучи студентом медицинского факультета, обязан был посещать богослужения в Пизанском соборе. Однажды во время богослужения он случайно обратил внимание на то, что люстра, свисавшая с потолка на длинных цепочках, по какой-то причине стала медленно раскачиваться. И хотя размахи люстры постепенно ослабевали, Галилею показалось, что время одного качания остаётся неизменным. Так как точных приборов для измерения времени тогда ещё не было, хорошим секундомером ему послужил собственный пульс.

Вернувшись домой, Галилей первым делом решил проверить свою догадку. Он стал раскачивать разные предметы, попадавшиеся ему под руку: ключ от двери и камешки, пустую чернильницу, сапоги и другие предметы. Отсчёт времени он по-прежнему вёл по собственному пульсу. Удивительно, но несмотря на то, что колебания все этих маятников со временем затухали, их время одного полного колебания оставалось примерно постоянным. Эти наблюдения побудили Галилея приступить к исследованиям, в результате которых он установил главный закон колебания маятника — независимость периода колебания при малых амплитудах.

Сам Галилей сформулировал этот закон в книге «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей…» (1638) следующим образом: «Что касается отношения времени качания тел, подвешенных к нитям различной длины, то промежутки времени относятся между собой как корни квадратные из длин маятников, и обратно, длины маятников… относятся друг к другу как квадраты времени качания».

Галилей установил также и то, что маятники одинаковой длины имеют колебания одинаковой продолжительности, независимо от того, из какого материала они сделаны — из дерева, камня или металла. Такие колебания стали называть изохронными.

Размышляя о своём открытии, Галилей подумал, что оно может пригодиться врачам для того, чтобы считать пульс у больных людей. Молодой учёный придумал небольшой приборчик под названием пульсалогий, который быстро вошёл во врачебную практику. Врач приходил к больному, одной рукой щупал пульс, а другой — укорачивал или удлинял маятник своего прибора так, чтобы качание маятника совпадало с ударами пульса. Потом по длине маятника врач определял частоту биения сердца больного.

Галилей понял, что маятник — как раз тот прибор, который необходим для часовых механизмов. Но в то время он был слишком молод, чтобы думать о внедрении в жизнь своего изобретения. Только в конце своей жизни старый больной и слепой старик вспомнил о своих юношеских опытах. «В один из дней 1641 года, когда я находился в вилле Арчетри, — писал Винченцо Вивиани, — Галилей поделился со мной своими мыслями о возможности присоединить маятник к часам, приводимым в движение грузом или пружиной, и что маятник, как точный регулятор хода часов, может корректировать до известной степени действие на ход несовершенств механической конструкции». Но, будучи лишён зрения и уже слаб для того, чтобы выполнить план, созревший в его голове, Галилей ознакомил со своими мыслями сына Винченцо. После этого они не раз обсуждали вопрос о создании реальной модели маятниковых часов: в итоге был составлен чертёж конструкции этих часов.

Но через несколько месяцев Галилей — автор этого замечательного изобретения — заболел и 8 января 1642 года умер. После этого события у Винченцо пропал энтузиазм к выполнению модели, и только в апреле 1649 года он стал работать над её созданием согласно концепции своего отца.

Спусковой механизм часов Галилея состоял из двух скоб, закреплённых на оси маятника, храпового колеса со штифтами и пружины со штифтом, которая в разогнутом состоянии не давала колесу возвращаться. Когда маятник двигался влево, верхняя скоба поднимала пружину, колесо возвращалось и ударяло по нижней скобе. Маятник, получив толчок, двигался вправо, верхняя скоба отпускала пружину, храповое колесо, вернувшись на один зуб, останавливалось. Маятник, сделав одно колебание, возвращался, и цикл начинался сначала.

Изобретение Галилеем маятниковых часов держалось в строгой тайне, о нём даже не сообщалось в биографии Галилея, написанной Вивиани. Последний счёл возможным сообщить об этом изобретении лишь после того, как стало известно об изобретении маятниковых часов Христианом Гюйгенсом. В 1657 году он получил на часы патент Нидерландов. А ещё через год издал брошюру «Часы», где описал их конструкцию. В своих часах Гюйгенс использовал шпиндельный механизм, который был менее совершенным, чем механизм, предложенный Галилеем. В частности, он мог работать только в случае применения маятника с большой амплитудой колебаний.

Занимаясь этой проблемой, Гюйгенс в 1673 году издаёт свой классический труд по механике «Маятниковые часы», где, в частности, описывает устройство часов с циклоидальным маятником. Такие часы имели погрешность от 5 до 10 секунд в сутки.

Невозможность добиться стабильного хода часов с большой амплитудой колебаний маятника, которая необходима для работы шпиндельного механизма, заставила мастеров искать способы использования колебаний с малой амплитудой. Таким средством стал анкерный механизм.

Колесо с косыми зубьями (его ещё называют ходовым колесом) жёстко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепь с гирей. К маятнику приделана перекладина (анкер), на концах которой укреплены пластинки, изогнутые по окружности с центром на оси маятника. Анкер даёт возможность ходовому колесу провернуться только на один зуб за каждые полпериода маятника.

Первые часы с анкерным механизмом были изготовлены английским часовщиком Уильямом Клементом в 1671 году. А усовершенствовал анкерный механизм в 1715 году англичанин Джордж Грэхем, который изобрёл анкерный механизм, имеющий значительно меньшие потери энергии, чем механизм Клемента. Использование нового механизма позволило Грэхему создать часы, точность хода которых достигала 0,1 секунды. Механизм Грэхема применяли почти двести лет, вплоть до 1890 года.

С развитием знаний об электричестве в девятнадцатом веке появляются первые электрические часы, в которых колебаниями маятника руководит электрическая схема. Позже появляются и первые электронные часы, в основе которых лежит подсчёт числа колебаний кварцевого резонатора в электронной схеме. А в середине двадцатого века им на смену приходят атомные часы. Стабильность атомных часов, которая определяется отношением отклонения частоты от своего начального значения к самой частоте, обычно достигает 10^-15. Однако в 2018 году группа американских учёных добилась стабильности в 2,5 ∙ 10^-19, что соответствует накоплению ошибки в одну секунду за несколько сотен миллиардов лет.

Сегодня механические маятниковые часы по точности не могут конкурировать с такими приборами для измерения времени. В настоящее время механические маятниковые часы стали экзотикой. Но более двух веков они были точными приборами для измерения времени. Механические маятниковые часы стали символом своей эпохи. Их история как часть истории человеческой цивилизации всегда будет оставаться источником вдохновляющих примеров, несмотря на то, что сейчас мы воспринимаем эту историю как сказку — интересную, поучительную, но такую далёкую от современной жизни.