Балансировочное колесо - Balance wheel

Балансировочное колесо в будильнике 1950-х годов Apollo от Lux Mfg. Co. с пружиной баланса (1) и регулятором (2)
Современное колесо баланса в часовом механизме
Балансировочное колесо в каминные часы. Спиральная пружина баланса видна вверху.

А балансир, или же баланс, это устройство хронометража, используемое в механические часы и маленький часы, идентичный по назначению маятник в большем маятниковые часы. Это утяжеленное колесо, которое вращается вперед и назад, возвращаясь в свое центральное положение по спирали. торсионная пружина, известный как пружина баланса или же пружина. Это движется спусковой механизм, который преобразует вращательное движение часов зубчатая передача в импульсы, подаваемые на балансовое колесо. Каждое движение колеса (называемое «тик» или «удар») позволяет зубчатой ​​передаче продвигаться на заданную величину, перемещая руки вперед. Баланс и спираль вместе образуют гармонический осциллятор, что из-за резонанс колеблется преимущественно с определенной скоростью, его резонансная частота или «бить», и сопротивляется колебаниям с другой скоростью. Сочетание массы балансового колеса и эластичность весны соблюдайте время между каждым колебание или "тик" очень постоянный, что объясняет его почти повсеместное использование в качестве хронометриста в механических часах до настоящего времени. С момента его изобретения в 14 веке до камертон и кварц Механизмы стали доступны в 1960-х годах, практически в каждом портативном устройстве для измерения времени использовалось какое-либо колесо баланса.

Обзор

До 1980-х годов балансир был технологией хронометража, используемой в хронометры, банковское хранилище временные замки, время взрыватели за боеприпасы, будильники, кухня таймеры и секундомеры, но кварц технологии взяли на себя эти приложения, и основное оставшееся использование - качественные механические часы.

Балансирующие колеса современных (2007 г.) часов обычно изготавливаются из Глюсидур, сплав с низким тепловым расширением бериллий, медь и утюг, с пружинами из сплава с низким тепловым коэффициентом упругости, например Ниварокс.[1] Два сплава совпадают, поэтому их остаточные температурные характеристики компенсируются, что приводит к еще меньшей температурной ошибке. Колеса гладкие, чтобы уменьшить трение воздуха, а шарниры поддерживаются с высокой точностью. ювелирные подшипники. В старых балансирных колесах для регулировки равновесия (баланса) использовались утяжелители вокруг обода, но современные колеса устанавливаются на заводе с помощью компьютера, с помощью лазера для выжигания точной ямы на ободе, чтобы сбалансировать их.[2] Балансировочные колеса поворачиваются примерно на 1½ оборота при каждом повороте, то есть примерно на 270 ° в каждую сторону от своего центрального положения равновесия. Скорость балансира регулируется с помощью регулятор, рычаг с узкой прорезью на конце, через которую проходит пружина баланса. Это удерживает часть пружины за прорезью в неподвижном состоянии. Перемещение рычага перемещает прорезь вверх и вниз по пружине баланса, изменяя ее эффективную длину и, следовательно, частоту резонансных колебаний баланса. Поскольку регулятор мешает работе пружины, хронометры и некоторые прецизионные часы имеют весы со "свободной пружиной" без регулятора, такие как Гиромакс.[1] Их скорость регулируется весовыми винтами на ободе баланса.

Частота вибрации весов традиционно измеряется в ударах (тиках) в час или ДГП, хотя ударов в секунду и Гц также используются. Длина удара - это одно колебание балансового колеса между изменениями направления, поэтому в полном цикле есть два удара. Весы в точных часах разработаны с более быстрым ритмом, потому что на них меньше влияют движения запястья.[3] Будильники и кухонные таймеры часто имеют частоту 4 удара в секунду (14 400 BPH). Часы, выпущенные до 1970-х годов, обычно имели частоту 5 ударов в секунду (18 000 BPH). Текущие часы имеют частоту 6 (21 600 BPH), 8 (28 800 BPH), а некоторые - 10 ударов в секунду (36000 BPH). В настоящее время Audemars Piguet производит часы с очень высокой частотой вибрации баланса - 12 ударов в секунду (43 200 BPH).[4] Во время Второй мировой войны Элгин изготовил очень точный секундомер со скоростью 40 ударов в секунду (144 000 BPH), за что получил прозвище «Джиттербаг».[5]

Точность лучших часов с балансиром на запястье составляет около нескольких секунд в день. Самые точные часы с балансиром были изготовлены морские хронометры, которые использовались на кораблях для небесная навигация, как источник точного времени для определения долгота. К началу Второй мировой войны они достигли точности 0,1 секунды в день.[6]

Период колебаний

Балансовое колесо период колебаний Т в секундах, время, необходимое для одного полного цикла (два удара), определяется колесом момент инерции я в килограмм-метре2 и жесткость (жесткость пружины ) своего пружина баланса κ в ньютон-метрах на радиан:

Фолиот (турник с грузами) от часов Де Вика, построенных в 1379 году, Париж

История

Возможно, самый ранний из существующих рисунков баланса в Джованни де Донди с астрономические часы, построено 1364 г., Падуя, Италия. Колесо баланса (в форме короны, вверху) показало биение 2 секунды. Отслеживание иллюстрация из его трактата о часах 1364, Il Tractatus Astrarii.

Балансовое колесо появилось вместе с первыми механическими часами в Европе 14 века, но кажется неизвестным, когда и где оно было впервые использовано. Это улучшенная версия фолиот, ранний инерционный хронометрист, состоящий из поворачивающейся в центре прямой штанги с грузами на концах, которая колеблется взад и вперед. Утяжелители листов можно задвигать или выдвигать на штанге, чтобы регулировать ход часов. Первые часы в Северной Европе использовали фолианты, а в южной Европе - балансир.[7] Поскольку часы стали меньше, сначала настольные часы и фонарь часы а затем, как первые большие часы после 1500 года, балансы стали использоваться вместо листов.[8] Поскольку большая часть его веса приходится на обод вдали от оси, балансировочное колесо может иметь больший вес. момент инерции чем лист того же размера, и лучше держите время. Форма колеса также имела меньшее сопротивление воздуха, а его геометрия частично компенсировала тепловое расширение ошибка из-за изменений температуры.[9]

Добавление пружины баланса

Раннее балансовое колесо с пружиной во французских часах 18 века

Эти ранние балансовые колеса были грубыми хронометрами, потому что им не хватало другого важного элемента: пружина баланса. Ранние балансировочные колеса толкались в одном направлении из-за спусковой механизм до тех пор, пока краевой флажок, который был в контакте с зубом на спусковом колесе, не проскользнул мимо кончика зуба ("сбежал"), и действие спускового механизма изменилось на противоположное, толкая колесо назад в другую сторону. В таком «инерционном» колесе ускорение пропорционально движущей силе. В часах или часах без балансировочной пружины движущая сила обеспечивает как силу, ускоряющую колесо, так и силу, которая его замедляет и переворачивает. движущая сила увеличивается, ускорение и замедление увеличиваются, это приводит к тому, что колесо толкается вперед и назад быстрее. Это сделало хронометраж сильно зависимым от силы, прилагаемой спусковым механизмом. В часах движущая сила обеспечивается пружина, подаваемый на спусковой механизм через зубчатую передачу часов, снижался во время работы часов, когда заводная пружина раскручивалась. Без каких-либо средств уравновешивания движущей силы часы замедляли ход в период между обмотками, поскольку пружина теряла силу, что приводило к потере времени. Вот почему требуются все часы с пружиной предварительного баланса. предохранители (или в некоторых случаях stackfreeds ), чтобы уравновесить усилие от боевой пружины, достигающей спускового механизма, для достижения даже минимальной точности.[10] Даже с этими устройствами часы до балансировки были очень неточными.

Идея пружины баланса была вдохновлена ​​наблюдениями, что пружинящие бордюры из свиной щетины, добавленные для ограничения вращения колеса, увеличивают его точность.[11][12] Роберт Гук впервые применил металлическую пружину к весам в 1658 году и Жан де Отфёй и Кристиан Гюйгенс улучшил его до нынешней спиральной формы в 1674 г.[9][13] Добавление пружины сделало колесо баланса гармонический осциллятор, основа каждого современного Часы. Это означает, что колесо вибрировало с естественной резонансная частота или "биться" и сопротивляться изменениям в скорости его вибрации, вызванным трением или изменением движущей силы. Это важное нововведение значительно повысило точность часов с нескольких часов в день.[14] до 10 минут в день,[15] превращая их из дорогих новинок в полезных хронометристов.

Температурная погрешность

После добавления пружины баланса основным остающимся источником неточности было влияние температурных изменений. Ранние часы имели пружины баланса, сделанные из простой стали, а балансы из латуни или стали, и влияние температуры на них заметно влияло на скорость.

Повышение температуры увеличивает размеры пружины баланса и баланса за счет тепловое расширение. Сила пружины, возвращающая сила, которую она создает в ответ на отклонение, пропорциональна ее ширине и кубу ее толщины и обратно пропорциональна ее длине. Повышение температуры действительно сделало бы пружину более прочной, если бы это повлияло только на ее физические размеры. Однако гораздо больший эффект в пружине баланса, сделанной из простой стали, заключается в том, что эластичность металла пружины значительно уменьшается при повышении температуры, в результате чего обычная стальная пружина становится слабее с повышением температуры. Повышение температуры также увеличивает диаметр балансового колеса из стали или латуни, увеличивая его инерцию вращения, момент инерции, что затрудняет ускорение балансира. Два эффекта увеличения температуры на физические размеры пружины и баланса, усиление пружины баланса и увеличение инерции вращения баланса, имеют противоположные эффекты и до некоторой степени компенсируют друг друга.[16] Основное влияние температуры, которое влияет на ход часов, - это ослабление пружины баланса при повышении температуры.

В часах, в которых не компенсируется влияние температуры, более слабой пружине требуется больше времени, чтобы вернуть балансовое колесо обратно к центру, поэтому «биение» замедляется, и часы теряют время. Фердинанд Берту В 1773 году было обнаружено, что обычные латунные весы и стальная спираль с волосками, подвергнутые повышению температуры на 60 ° F (33 ° C), теряют 393 секунды (6 1/2 минут) в день, из которых 312 секунд связаны с уменьшением упругости пружины.[17]

Балансировочные колеса с температурной компенсацией

Потребность в точных часах для небесная навигация во время морских путешествий было сделано много достижений в технологии баланса в Великобритании и Франции 18 века. Даже ошибка в 1 секунду в день в морской хронометр может привести к 17-мильной ошибке в определении местоположения судна после двухмесячного плавания. Джон Харрисон был первым, кто применил температурную компенсацию к балансу в 1753 году, используя биметаллический «Компенсационный бордюр» на пружине в первых успешных морских хронометрах H4 и H5. Они достигли точности в доли секунды в день,[15] но компенсационный бордюр в дальнейшем не использовался из-за его сложности.

Биметаллическое колесо баланса с температурной компенсацией из карманных часов начала 1900-х годов. Диаметр 17 мм. (1) Перемещение противоположных пар грузов ближе к концам плеч увеличивает температурную компенсацию. (2) Отвинчивание пар грузов возле спиц снижает скорость колебаний. Регулировка одного груза изменяет равновесие или баланс.

Более простое решение было разработано около 1765 г. Пьер Ле Руа, и улучшено Джон Арнольд, и Томас Эрншоу: the Earnshaw или же компенсация балансовое колесо.[18] Ключевым моментом было заставить колесо баланса менять размер в зависимости от температуры. Если бы весы можно было уменьшить в диаметре при нагревании, то меньший момент инерции компенсирует ослабление пружины баланса, сохраняя период колебаний неизменным.

Для этого внешний обод баланса был сделан из «сэндвича» из двух металлов; слой стали внутри, сплавленный со слоем латуни снаружи. Полоски этого биметаллический конструкция изгибается к стальной стороне, когда они нагреты, потому что тепловое расширение латуни больше, чем у стали. Обод был разрезан в двух точках рядом со спицами колеса, поэтому он напоминал S-образную форму (см. Рисунок) с двумя круглыми биметаллическими «плечами». Эти колеса иногда называют «Z-балансирами». Повышение температуры заставляет рычаги изгибаться внутрь к центру колеса, а смещение массы внутрь уменьшает момент инерции баланса, подобно тому, как вращается фигурист может уменьшить ее момент инерции, потянув за руки. Это уменьшение момента инерции компенсировало пониженный крутящий момент, создаваемый более слабой уравновешивающей пружиной. Величина компенсации регулируется подвижными грузами на руках. Морские хронометры с таким типом весов имели погрешность всего 3–4 секунды в день в широком диапазоне температур.[19] К 1870-м годам в часах стали использоваться компенсированные весы.

Ошибка средней температуры

Балансировочные колеса морского хронометра середины 1800-х годов с различными системами «вспомогательной компенсации» для уменьшения погрешности средней температуры

Стандартные компенсационные весы Earnshaw значительно уменьшили погрешность из-за колебаний температуры, но не устранили ее. Как впервые было описано Дж. Г. Ульрихом, компенсированный баланс, настроенный для поддержания правильного времени при заданной низкой и высокой температуре, будет голодать на несколько секунд в день при промежуточных температурах.[20] Причина в том, что момент инерции весов изменяется пропорционально квадрату радиуса компенсационных плеч и, следовательно, температуры. Но эластичность пружины линейно зависит от температуры.

Чтобы смягчить эту проблему, производители хронометров использовали различные схемы «вспомогательной компенсации», которые уменьшали погрешность до менее 1 секунды в день. Такие схемы состояли, например, из небольших биметаллических рычагов, прикрепленных к внутренней части балансового колеса. Такие компенсаторы могли изгибаться только в одном направлении к центру балансового колеса, но изгиб наружу блокировался бы самим колесом. Заблокированное движение вызывает нелинейный температурный отклик, который может немного лучше компенсировать изменения эластичности пружины. Большинство хронометров, занявших первое место в ежегодном Гринвичская обсерватория Испытания между 1850 и 1914 годами были вспомогательными схемами компенсации.[21] Вспомогательная компенсация никогда не использовалась в часах из-за ее сложности.

Лучшие материалы

Весы и пружина из сплава с низким температурным коэффициентом в ETA Механизм 1280 из часов Benrus Co. 1950-х годов.

Биметаллическое компенсированное колесо баланса устарело в начале 20 века в результате достижений металлургии. Шарль Эдуард Гийом получил Нобелевскую премию за изобретение 1896 г. Инвар, никелевый стальной сплав с очень низким тепловым расширением, и Элинвар (Эльasticité инварiable) сплав, эластичность которого не меняется в широком диапазоне температур, для пружин баланса.[22] Твердые весы из инвара с пружиной Elinvar практически не зависели от температуры, поэтому они заменили трудно регулируемые биметаллические весы. Это привело к созданию ряда улучшенных сплавов с низким температурным коэффициентом для балансиров и пружин.

Перед разработкой Elinvar Гийом также изобрел сплав для компенсации средней температурной погрешности в биметаллических весах, придав ему отрицательный квадратичный температурный коэффициент. Этот сплав, названный анибалом, представляет собой небольшую разновидность инвара. Это почти полностью нейтрализовало температурный эффект стальной волосковой пружины, но все же требовало биметаллического компенсированного колеса баланса, известного как колесо баланса Гийома. Позднее эта конструкция вышла из употребления в пользу одиночных металлических весов из инвара с пружинами Elinvar. Квадратичный коэффициент определяется его местом в уравнении расширения материала;[23]

куда:
- длина образца при некоторой эталонной температуре
это температура выше эталона
- длина образца при температуре
- линейный коэффициент расширения
- квадратичный коэффициент расширения

Рекомендации

  • «Морской хронометр». Британская энциклопедия онлайн. Энциклопедия Britannica Inc. 2007 г.. Получено 2007-06-15.
  • Бриттен, Фредерик Дж. (1898). О пружинении и регулировке часов. Нью-Йорк: Спон и Чемберлен. Получено 2008-04-20.. Имеет подробный отчет о развитии пружины баланса.
  • Брерли, Гарри К. (1919). Время, говорящее сквозь века. Нью-Йорк: Doubleday. Получено 2008-04-16..
  • Глазго, Дэвид (1885). Часы и изготовление часов. Лондон: Cassel & Co. Получено 2008-04-16.. Подробный раздел по погрешности температуры баланса и вспомогательной компенсации.
  • Гулд, Руперт Т. (1923). Морской хронометр. Его история и развитие. Лондон: Дж. Д. Поттер. С. 176–177. ISBN  0-907462-05-7.
  • Хедрик, Майкл (2002). "Происхождение и эволюция спуска якорных часов". Журнал «Системы управления», Инст. инженеров по электротехнике и электронике. 22 (2). Архивировано из оригинал на 2009-10-25. Получено 2007-06-06.. Хороший технический обзор разработки часов и спусковых механизмов с акцентом на источники ошибок.
  • Милхэм, Уиллис I. (1945). Время и хронометристы. Нью-Йорк: Макмиллан. ISBN  0-7808-0008-7.. Комплексная 616 стр. книга профессора астрономии, хорошо описывающая происхождение частей часов, но исторические исследования датированы. Длинная библиография.
  • Одец, Уолт (2005). «Балансировочное колесо в сборе». Глоссарий деталей часов. Школа часового пояса. В архиве из оригинала 14 июня 2007 г.. Получено 2007-06-15.. Подробные иллюстрации деталей современных часов, на сайте ремонта часов
  • Одец, Уолт (2007). "Колесо баланса наручных часов". Часовня. TimeZone.com. Архивировано из оригинал 6 июля 2007 г.. Получено 2007-06-15.. Техническая статья о создании часовых балансов, начиная с компенсационных, от профессионального часовщика на сайте по ремонту часов.

внешняя ссылка

Сноски

  1. ^ а б Одец, Уолт (2007). "Колесо баланса наручных часов". Часовня. TimeZone.com. Архивировано из оригинал 6 июля 2007 г.. Получено 2007-06-16.
  2. ^ Одец, Уолт (2005). «Балансировочное колесо в сборе». Глоссарий деталей часов. Школа часового пояса. Получено 2007-06-15.
  3. ^ Арнштейн, Уолт (2007). "Быстрее - значит точнее ?, TimeZone.com". Архивировано из оригинал на 2007-06-08. Получено 2007-06-15.
  4. ^ "Часы Jules Audemars с Audemars Piguet Escapement". Пресс-релиз Audemars. Журнал "Профессиональные часы". 19 января 2009 г. Архивировано с оригинал на 2009-12-28. Получено 15 октября 2020.
  5. ^ Шлитт, Уэйн (2002). "Сайт коллекционера Элгина". Получено 2007-06-20.
  6. ^ «Морской хронометр». Британская энциклопедия онлайн. Энциклопедия Britannica Inc. 2007 г.. Получено 2007-06-15.
  7. ^ Уайт, Линн младший (1966). Средневековые технологии и социальные изменения. Oxford Press. ISBN  978-0-19-500266-9., п. 124
  8. ^ Милхэм, Уиллис I. (1945). Время и хронометристы. Нью-Йорк: Макмиллан. ISBN  0-7808-0008-7., п. 92
  9. ^ а б Хедрик, Майкл (2002). "Происхождение и эволюция спуска якорных часов". Журнал «Системы управления», Инст. инженеров по электротехнике и электронике. 22 (2). Архивировано из оригинал на 2009-10-25. Получено 2007-06-06.
  10. ^ "Бриттенс старые часы и часы" под редакцией Сесила Клаттона, Г. Х. Бэйли и К. А. Ильберта, девятое издание, переработанное и дополненное Сесилом Клаттоном. Bloomsbury Books, Лондон, 1986 г. ISBN  0906223695 стр.16
  11. ^ Бриттен, Фредерик Дж. (1898). О пружинении и регулировке часов. Нью-Йорк: Спон и Чемберлен. Получено 2008-04-16. п. 9
  12. ^ Брерли, Гарри К. (1919). Время, говорящее сквозь века. Нью-Йорк: Doubleday. Получено 2008-04-16. стр. 108–109
  13. ^ Милхэм 1945, стр. 224
  14. ^ Милхэм 1945, стр. 226
  15. ^ а б «Революция в хронометрии, часть 3». Прогулка во времени. NIST (Национальный институт стандартов и технологий). 2002 г. В архиве из оригинала 28 мая 2007 г.. Получено 2007-06-06.
  16. ^ А.Л. Роулингс, Тимоти Треффри, Наука о часах и часах, Издатель: BHI, ISBN  0 9509621 3 9, Издание: 1993 г., 3-е дополненное и переработанное издание.
  17. ^ Бриттен 1898, стр. 37
  18. ^ Милхэм 1945, стр. 233
  19. ^ Глазго, Дэвид (1885). Часы и изготовление часов. Лондон: Cassel & Co. Получено 2008-04-16. п. 227
  20. ^ Гулд, Руперт Т. (1923). Морской хронометр. Его история и развитие. Лондон: Дж. Д. Поттер. ISBN  0-907462-05-7. стр. 176–177
  21. ^ Гулд, 1923, стр. 265–266.
  22. ^ Милхэм 1945, стр. 234
  23. ^ Гулд, стр. 201.