Станислав Михаль - Часы. От гномона до атомных часов
Рис. 39. Точность хода хронометрических приборов в период с 1930 до 1950 г.
Химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899) первым открыл цезий, атомы которого при надлежаще выбранных условиях способны поглощать электромагнитное излучение с частотой около 9192 МГц. Это свойство использовали Шервуд и Мак Кракен для создания первого цезиевого пучкового резонатора. На практическое использование цезиевого резонатора для измерения частот и времени направил свои усилия вскоре за этим Л. Эссен, работающий в Национальной физической лаборатории в Англии. В сотрудничестве с астрономической группой «Юнайтед Стейтс Нэвел Обсерватори» он уже в 1955-1958 гг. определил частоту квантового перехода цезия в 9 192 631 770 Гц и связал с действующим тогда определением эфемеридной секунды, что намного позднее, как указано выше, привело к установлению нового определения единицы времени. Следующие цезиевые резонаторы были сконструированы в Национальном исследовательском совете Канады в Оттаве, в лаборатории «Суисс де Речерс Хорлоджерес» в Невшателе и др. Первый коммерческий тип атомных часов промышленного производства выпустила на рынок в 1956 г. под названием «Атомихрон» американская фирма «Нешнл Компани Уолден» в Массачусетсе.
Сложность атомных часов заставляет предполагать, что применение атомных осцилляторов возможно лишь в области лабораторного измерения времени, выполняемого с помощью крупных измерительных аппаратов. В действительности так и было до последнего времени. Однако миниатюризация проникла и в эту область. Известная японская фирма «Сэйко-Хаттори», производящая сложные, хронографы с кристаллическими осцилляторами, предложила первые наручные атомные часы, изготовленные опять-таки в сотрудничестве с американской фирмой «Мак-Доннелл Дуглас Астронавтике Компани». Эта фирма производит также миниатюрный топливный элемент, являющийся энергетическим источником для упомянутых часов. Электрическую энергию в этом элементе размером 13 × 6,4 мм производит радиоизотоп прометия-147; срок службы этого элемента равен пяти годам. Корпус часов, изготовленный из тантала и нержавеющей стали, является достаточной защитой от бета-лучей элемента, излучаемых в окружающую среду[26].
Астрономические измерения, изучение движения планет в космосе и различные радиоастрономические исследования не обходятся теперь без знания точного времени. Точность, которая в таких случаях требуется от кварцевых или атомных часов, колеблется в пределах миллионных долей секунды. С растущей точностью подаваемой информации о времени нарастали проблемы синхронизации хода часов. Когда-то вполне удовлетворяющий всех метод передаваемых по радио сигналов времени на коротких и длинных волнах оказался недостаточно точным для синхронизации двух недалеко друг от друга расположенных хронометрических приборов с точностью большей, чем 0,001 с, а теперь и эта степень точности уже неудовлетворительна.
Одно из возможных решений — перевозки вспомогательных часов на место сравнительных измерении — дала миниатюризация электронных элементов. В начале 60-х годов были построены специальные кварцевые и атомные часы, которые можно было транспортировать на самолетах. Их можно было перевозить между астрономическими лабораториями, и при этом они давали информацию о времени с точностью одной миллионной доли секунды. Так, например, когда в 1967 г. осуществили межконтинентальную перевозку миниатюрных цезиевых часов, изготовленных калифорнийской фирмой «Хьюлетт-Паккард», этот прибор прошел через 53 лаборатории мира (он был и в ЧССР), и с его помощью был синхронизирован ход местных часов с точностью 0,1 мкс (0,0000001 с).
Для микросекундного сравнения времени можно использовать и спутники связи. В 1962 г. этот метод использовали Великобритания и Соединенные Штаты Америки путем передачи сигнала времени через спутник «Телестар». Намного более благоприятные результаты при меньших затратах дала, однако, передача сигналов с помощью телевизионной техники.
Этот метод передачи точного времени и частоты с помощью синхронизирующих телевизионных импульсов был разработан и развит в чехословацких научных учреждениях. Вспомогательным носителем информации о времени тут являются синхронизирующие видеоимпульсы, которые ни в какой степени не нарушают передачу телевизионной программы. При этом нет никакой надобности вводить в телевизионный сигнал изображения какие-либо дополнительные импульсы.
Условием для использования этого метода является возможность приема одной и той же телевизионной программы в местах нахождения сравниваемых часов. Сравниваемые часы предварительно регулируются до точности в несколько миллисекунд, а измерение должно потом производиться на всех измерительных постах одновременно. Кроме того, необходимо знать разницу во времени, потребную для передачи синхронизирующих импульсов от совместного источника, которым является телевизионный синхронизатор, к приемникам в месте нахождения сравниваемых часов.
Глава 4. Основные направления развития часового производства
Башенные часы
Исторически можно проследить развитие механических часов по отдельным типам и в связи с региональными условиями, которые имели немалое влияние на возникновение важных центров часовой промышленности, на создание школ часовщиков мирового значения и на дифференциацию уровня этой ремесленной и художественной отрасли в различных странах Европы и других частях мира.
Главным и почти единственным материалом башенных часов, особенно в ранний период их строительства, было железо, из которого изготовляли не только все части рамы, но и валы, шестерни, трибы и т.п. Средневековые кузнецы и слесари были, собственно говоря, первыми часовщиками, создавшими крупные часы. Кузнечная техника сильно влияла на конструктивные элементы механизма, например на клиновые соединения частей рамы, на закрепление шестерен поперечными клиньями на валах для защиты от осевого смещения. Неразъемные соединения бывали тогда клепаными или же сварными.
Значительные изменения формы можно проследить прежде всего по рамам часов. Несущие угловые колонки в самых старых башенных часах первоначально имели форму, подобную опорным храмовым колоннам, относительно поперечных и продольных полос рамы они обычно бывали повернутыми на 45°. Иногда рама была не массивной и напоминала скорее птичью клетку, имела легкую конструкцию. Угловые колонки, тоже из плоских металлических полос, позднее стали делать прямыми. Сверху они заканчивались орнаментально оформленными головками, а снизу — ножками. Орнаментальные элементы имели сначала форму многогранных пирамидальных или круглых головок, несомых сводчатыми хвостовиками. С начала XVII в. все чаще стали появляться на часах плоские головки из клепаного железа, свернутого в завитки. Примерно в то же время, может быть несколько раньше, появились остроконечные кованые головки, как, например, у башенного механизма, который первоначально был установлен на башне крепости Орлик в Южной Чехии. На некоторых башенных часах XVII в. встречаются несущие колонки круглого сечения. С монументальными часами на башне Вестминстерского дворца в Лондоне появились в конструкции башенных часов некоторые новые элементы. Кроме уже указанного дифференциального стопорного спуска, тут были уже существенные изменения в раме. Вместо обычной клетьевой рамы, которую использовали в течение столетий, Дент и Денисон отдали преимущество горизонтальной раме с валами, расположенными в общей горизонтальной плоскости.
Нет сомнения в том, что производство шестерен было самым сложным делом во всем строительстве часов. Большие шестерни башенных часов изготавливались отдельными частями, которые затем собирали в единое целое. Главным несущим элементом такой шестерни была ступица, как правило, с четырьмя лучевидными спицами. Концы спиц проходили через боковую сторону венца с торцовой зубчатой нарезкой. Неподвижные соединения выполнялись сваркой в кузнечном горне. Иногда сварной шов заменялся или укреплялся заклепками. Детальный осмотр венца шестерни показывает тогдашний способ изготовления зубьев. На боках венцов некоторых механизмов до сих пор видны следы размеченных окружностей впадин, показывающих высоту зубьев. Вершины зубьев часовщики размечали кернами. Линия соединения выбитого керном углубления с центром колеса показывала ось симметрии профиля зуба. Валы колес имели сечение первоначально четырехгранное, шести- или восьмигранное, а позднее часовщики стали предпочитать круглые профили. Цевочные (люцерновые) трибы, обычные для башенных часов, являются следующим примером сборных деталей часового механизма. В пробитые или просверленные отверстия в их торцах закреплялись клепками стальные трубки, выполняющие роль зубьев. Склепанный комплект насаживали на вал и закрепляли поперечными клиньями продольного смещения.
