Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2007 № 04

Гюйгенс построил двое часов, ход которых за сутки расходился всего лишь на 5 секунд. Получение столь высокой точности навело ученого на мысль о пригодности его часов для определения координат кораблей. В самых общих чертах это можно пояснить так.

Предположим, направление движения корабля совпадает с направлением движения Земли. За время движения корабля земной шар совершает поворот, который складывается с движением корабля. В результате восход Солнца наступит для него несколько раньше. По различию этого времени можно определить перемещение корабля вдоль параллели в градусах. Это и будет изменением его географической долготы.

Мореплавание в те годы набирало силу. Точное определение координат кораблей стало одной из главных проблем, сдерживавших его развитие. Естественно, что после открытия X. Гюйгенса спрос на часы резко возрос. Поскольку маятниковые часы не могут работать на корабле из-за качки, Гюйгенс решил использовать балансирный механизм — крутильный маятник, представлявший собою колесо с плоской спиральной пружиной на оси. Он получал энергию от зубчатого колеса при помощи такой же практически скобки, как применялась на маятниках (рис. 4).

Рис. 4. Балансирный механизм Гюйгенса.

По такой схеме английский часовых дел мастер Гаррисон в 1761 году изготовил судовой хронометр, который после полугодового плавания дал отклонение всего в 90 секунд.

Дальнейшее повышение точности морских часов требовало устранить влияние качки. Этого достигли, установив их в подвесе Кардана. В этом устройстве часы в силу своей инерции оставались в покое, а палуба корабля при качке как бы поворачивалась вокруг них по трем осям. При повышении точности стационарных часов большие трудности создавали колебания температуры, которые изменяли длину маятника и соответственно период его колебаний.

Вначале шли по пути поиска металлов с минимальным коэффициентом температурного расширения. И оказалось, что меньше всего температура влияет на… дерево. Мятники дешевых, но достаточно точных часов стали делать из пихты. Однако у дерева был свой недостаток: на него влияла влажность. Для часов особо высокой точности был создан компенсационный маятник, состоящий из центрального стержня с перемычкой на конце (рис. 5).

Рис. 5. Компенсационный маятник.

На ней укреплялись два стержня, идущие вверх, а к ним крепились соединенные с грузом стержни, идущие вниз. Если температура маятника снижалась, то за счет этого центральный стержень тянул груз вверх, а два ближайших к нему стержня — вниз. Подбирая сорта металла с различными коэффициентами теплового расширения, удалось получать маятники, на которые температура практически не влияла. Но проблемы оставались.

К концу завода пружины часов амплитуда и период колебаний маятника уменьшались, часы начинали отставать. В стремлении повысить точность хода изобретатели создали немало механизмов, способствующих сохранению постоянства амплитуды. Но работы шли и в ином направлении. Создавались маятники, период колебаний которых от амплитуды не зависел вообще. Их называют «таутохронными», что в переводе с греческого означает «равновременные».

Первую и самую изящную конструкцию такого маятника предложил сам X. Гюйгенс (рис. 6).

Рис. 6. Таутохронный маятник.

Такой маятник делают гибким у точки подвеса. При каждом колебании он огибает один из шаблонов особой формы. В результате груз немного поднимается и движется уже не по окружности, а по кривой, называемой циклоидой. Свойства ее удивительны. Если, например, построить снежную гору такой формы, то сани, стартующие с любой ее точки, окажутся внизу за один и тот же промежуток времени. То же самое, хоть он и не скользит, а движется под действием натяжения нити, происходит и с грузом маятника. Здесь важно лишь то, что тело движется по циклоиде. Такой маятник при любой амплитуде качается с одной и той же частотой.

Таутохронный маятник был применен в сверхточных часах, которые в 50-е годы отсчитывали время нашей страны. Сами часы размещались в подвале на глубине двадцать метров и были заключены в сосуде, из которого откачали воздух. Маятник подвесили не на шарнире, а на тонкой и гибкой металлической ленте, которая огибала два точно выполненных шаблона. Энергию маятник получал от электрического источника бесперебойного питания. Показания часов по электрическому кабелю подавались на стрелочные циферблаты, расположенные в различных учреждениях страны. Сигналы точного времени передавались по радио несколько раз в сутки.