§ 1. Классификация бытовых приборов определения времени
Приборы определения времени, применяемые в быту и технике, отличаются большим разнообразием не только конструктивных форм, принципиальных схем построения, но и принципами действия. Разнообразие конструктивных форм, схем и принципов построения приборов определения времени объясняется различным их назначением и условиями, в которых этим приборам приходится работать.
В зависимости от привода применяемого в приборах времени, они подразделяются на следующие группы:
а) с механическим приводом, в которых основной движущей силой является пружина любой формы или гиря; завод пружины или поднятие гири производятся рукой;
б) с электромеханическим приводом, в которых основной движущей силой также являются пружина или гиря, которые периодически в строго установленные моменты времени с помощью автоматически действующих электромагнитных систем возвращаются в исходное рабочее положение;
в) с электрическим приводом, в которых применяются различные формы электромагнитов периодического действия или с постоянно вращающимися якорями.
К этим группам относится подавляющее большинство приборов определения времени. В них для отсчета времени используются колебания различной частоты.
В бытовых часах для отсчета времени используются колебания маятника или баланса частотой от 0,5 до 3 гц.
В секундомерах и многих специальных технических приборах отсчета времени частота колебаний баланса находится в пределах от 2,5 до 200 гц. В зависимости от назначения приборы определения времени подразделяются на следующие группы:
а) для показа текущего значения времени; к этой группе относится все часовые приборы вне зависимости от принципа их действия, в задачу которых входит отсчет и показание текущего значения времени в секундах, минутах и часах;
б) для отсчета заранее заданных промежутков времени; сюда относятся приборы, производящие отсчет различных отрезков времени, и многие технические приборы, применяемые для регулирования технологических процессов.
По типу колебательных систем, являющихся основой отсчета времени, приборы могут быть подразделены на следующие группы:
а) с маятниковой колебательной системой; к этой группе относятся все типы часовых приборов, имеющих маятник в качестве регулятора;
б) с балансовой колебательной системой; к этой группе относятся все типы наручных, карманных, настольных, настенных и других типов часовых приборов, в которых баланс является регулятором хода; особенностью этой группы часовых приборов является то, что колебательная система с регулятором может работать при любом положении прибора;
в) приборы с электромагнитной колебательной системой; к этой группе преимущественно относятся электрические часы, синхронные часы, (различные электрические хроноскопы, различные реле времени.
Особенностью этих приборов является высокая точность отсчета времени при самых различных отсчитываемых промежутках.
Приборы данной группы получают все большее распространение как в технике, так и в быту.
§ 2. Гармонические колебания
Время измеряется путем регистрации периодически повторяющихся действий элементов приборов времени.
В современных приборах времени такие периодически повторяющиеся действия совершаются специальными элементами, способными при определенных условиях производить гармонические колебательные движения.
Для того чтобы уяснить работу часов, необходимо проследить за работой этих элементов.
На фиг. 1 показан пружинный маятник, с помощью которого можно пояснить гармоническое колебательное движение.
Фиг. 1. Пружинный маятник
Верхний конец пружины жестко закреплен, а к нижнему подвешен груз А.
Под действием груза пружина получит некоторое растяжение.
Если груз, находящийся в состоянии покоя, толчком переместить в направлении вертикали, как указано штриховой стрелкой, то груз переместится на некоторое расстояние.
Величина перемещения груза будет зависеть от силы полученного толчка и сопротивления пружины. В нижней точке В эти две силы будут уравновешивать друг друга. Возврат груза происходит за счет упругой реакции пружины.
Сила реакции пружины может быть столь значительной, что груз не только будет возвращен в исходное положение, но и поднят выше. Груз, переместившись выше положения покоя, остановится в положении Б и под действием силы тяжести устремится опять вниз, вызвав при этом растяжение пружины, и вновь пройдет положение покоя и т. д. Под действием толчка возникает гармонический колебательный процесс перемещения груза на какой-то период времени. По мере прохождения времени путь перемещения груза будет уменьшаться и в конечном счете он займет положение, из которого был выведен толчком. Процесс затухания колебательного движения происходит в результате затраты энергии пружины на преодоление сопротивления воздуха перемещению груза и преодоление внутренней реакции самой пружины.
Затухание колебаний груза может и не произойти, если толчок или так называемый импульс силы, выводящий груз из состояния покоя, периодически будет повторяться. Если повторяющийся импульс силы по своей величине не будет превышать сил трения, противодействующих перемещению груза, то в этом случае груз будет колебаться, перемещаясь между двумя точками — верхней Б и нижней В.
Путь перемещения груза между этими точками, или размах, принято называть амплитудой колебания. Время, прошедшее от начала перемещения груза до его возврата в исходную точку, принято называть периодом колебания Т.
Перемещение между двумя крайними точками Б к В происходит за половину периода — Т/2.
Аналогичное явление можно наблюдать, если на одном конце нерастяжимой нити (фиг. 2) подвесить небольшой груз А, а второй конец закрепить неподвижной точке О. Нить под действием груза займет вертикальное положение. На нить будет действовать сила тяжести Р. Такое состояние подвешенного груза называют состоянием покоя. Отведя груз на некоторый угол от положения покоя и отпустив его, последний начнет колебаться.
Фиг. 2. Схема колебания маятника
Груз А под действием силы тяжести Р будет стремиться занять наинизшее положение. При своем движении груз получит ускорение и, достигнув точки покоя, не остановится, а будет двигаться дальше. Удерживаемый нитью, он при этом переместится вверх. Затрачивая полученное ускорение на подъем, груз вновь остановится в какой-то крайней точке.
Совершив некоторое количество перемещений, груз остановится и займет исходное положение, т. е. положение покоя. Процесс перемещения груза будет гармоническим колебательным движением.
Наблюдая за колебательными движениями подвешенного груза, можно установить, что крайние точки отклонения его будут каждый раз смещаться к вертикали, т. е. колебания будут затухать. Затухания происходят из-за того, что груз испытывает сопротивление воздуха и сопротивление в точке подвеса. На преодоление этих сопротивлений он теряет энергию, полученную при первом толчке. Если толчками извне будет компенсироваться потеря энергии на преодоление сопротивлений, то колебания груза не будут затухать аналогично тому, как это было рассмотрено в случае с пружинным маятником.
Импульсы, сообщаемые внешней силой, по своему значению должны быть равны затратам энергии на преодоление трения. В этом случае груз будет перемещаться между крайними установившимися точками, т. е. будет сохраняться его амплитуда колебания.
Рассмотренные колебания груза, подвешенного на нерастяжимой нити, известны в теории как колебания математического маятника (предполагается, что вес груза сосредоточен в одной точке). Такая схема удобна для анализа сущности процесса и вывода основных зависимостей.
В природе имеют место аналогичные системы с колебаниями тел, называемых физическим маятником. К таким телам, в частности, относятся маятники настенных и напольных часов.
Физическим маятником называется твердое тело, имеющее неподвижную горизонтальную ось (ось подвеса) и могущее под действием собственного веса совершать вокруг этой оси вращательные движения колебательного характера.
Мы будем рассматривать маятник, который колеблется вокруг неподвижной горизонтальной оси в одной плоскости. Такой маятник называют обыкновенным или круговым. Круговые маятники применяются в настенных напольных и отдельных типах настольных часов, т. е. в стационарных приборах времени, и называются регуляторами хода.
Для того чтобы колебания маятника могли служить для целей измерения времени, период их должен быть строго постоянен и не зависеть от амплитуды. Время одного полного колебания при большой и малой амплитудах должно быть одно и то же, т. е. должна сохраняться изохронность колебаний.
Известно, что колебания маятника не строго изохронны, поэтому в часах применяются специальные устройства для того, чтобы, с одной стороны, обеспечить постоянство амплитуды, а с другой — уменьшить влияние изменения ее на период колебаний.
Более подробно о работе маятника в часах будет рассказано в § 6 гл. III. По аналогии с пружинным маятником периодом колебания кругового маятника называется время, которое необходимо на перемещение его из положения равновесия в одну сторону и возвращение его в прежнее положение.
Амплитудой колебания такого маятника называется угол его наибольшего отклонения от положения равновесия.
В часах настенных, напольных и в отдельных типах настольных в качестве регулятора хода применяют маятник.
Маятник, а также некоторые связанные с ним детали играют существенную роль в работе часового механизма.
Если механических часах маятник является только регулятором хода, то в часах с электрическим приводом он, кроме того, является двигателем для механизма, выполняющего функции включения тока.
В зависимости от типа часов маятник на свободном своем конце имеет груз в виде линзы или цилиндрической гири. В отдельных типах часов груз может быть в виде двух цилиндрических гирь. Линзы применяются в целях уменьшения сопротивления воздуха. Стержень маятника часов, как правило, бывает легким, но жестким, груз тяжелым и сосредоточенным.
Маятник, не связанный с двигателем, после вывода из состояния покоя, совершив некоторое количество колебаний, останавливается. В рабочем состоянии маятник получает часть энергии двигателя, за счет чего поддерживается постоянство его колебаний.
Период колебания маятника зависит от амплитуды (размаха). При уменьшении амплитуды период колебания маятника уменьшается, и наоборот. Амплитуда колебания маятника в часах зависит от изменения плотности и влажности воздуха, от температуры окружающего воздуха, от изменения сил трения в самом часовом механизме, вследствие износа зубьев колес и, цапф осей, а также загустевания масла и т. д.
Период колебания маятника определяется его приведенной длиной, т. е. расстоянием между точкой подвеса и центром его качания. Центр тяжести маятника лежит выше центра качания.
Маятник в часах особенно чувствителен к резким изменениям температуры, вызывающим изменение длины стержня маятника. При повышениях температуры маятник удлиняется, период колебания увеличивается, часы отстают, и наоборот. Разность в показаниях между эталоном и проверяемыми часами называется поправкой. Среднесуточное отклонение часов называется вариацией. Чем точнее работают часы, тем меньше их вариация.
В процессе ремонта часов возникает необходимость регулировки их хода. Регулировка, как правило, связана с регулировкой приведенной длины маятника. Изменение приведенной длины производится смещением маятника вверх или вниз в зависимости от результатов их суточных показаний.
Перемещение центра тяжести маятника вниз вызывает отставание в показаниях часов, перемещение вверх — опережение.
Работы по регулировке маятника необходимо производить остановив его. Неосторожное обращение с маятником (резкие толчки и повороты) приводят к поломке подвесной пружины последнего. Маятники точных часов снабжаются специальными делениями на их регулировочных гайках.
В зависимости от длины стержня маятника поворот гайки в ту или иную сторону на одно деление вызывает соответствующие изменения в показаниях часов. Такие маятники снабжаются также специальными устройствами для компенсации изменений в показаниях часов при колебаниях температуры. Амплитуда колебания маятника является переменной, регулируемой величиной. В часах переносного типа — наручных, карманных и т. д. применяется иная колебательная система, воспроизводящая аналогичные гармонические колебания.
Эта система из маховика 1 (фиг. 3), укрепленного на оси 2, и спиральной пружины 3, один конец которой закреплен на оси маховика, а другой — к неподвижному основанию 4.
Фиг. 3. Колебательная система баланс-спираль.
Ось маховика свободно вращается в опорах. В изображенном на фигуре положении маховик, или, как его называют в часах, баланс, находится в состоянии покоя. Спиральная пружина (далее для краткости будем называть ее спиралью) не деформирована.
Внешним воздействием баланс может быть выведен из состояния покоя, т. е. его можно повернуть на некоторый угол по часовой или против часовой стрелки. При повороте баланса спираль будет закручиваться или раскручиваться. В спирали будут накапливаться силы противодействия, она будет стремиться принять первоначальное состояние. Повернув баланс на некоторый угол и отпустив его, мы будет наблюдать колебательный процесс.
Перемещение баланса будет происходить под воздействием сил, возникших в спирали при повороте баланса. Поворачиваясь под воздействием сил спирали, баланс будет двигаться с увеличивающейся скоростью, стремясь к положению равновесия. В своем движении баланс будет наращивать силу инерции движение и, достигнув положения равновесия (начального положения), пройдет его с наибольшей скоростью. С прохождением положения равновесия пружина полностью расходует накопленную энергию сопротивления, движение баланса за положение равновесия будет происходить под действием накопленной силы инерции, которая теперь сама будет закручивать или раскручивать спираль (в зависимости от начальной фазы).
Спираль, раскручиваясь или закручиваясь, будет накапливать силу противодействия. Скорость движения баланса при этом будет замедляться. Баланс, достигнув крайнего положения, когда сила инерции уравновесится противодействующей силой, остановится. В этом положении его скорость будет равна нулю. В последующий момент баланс начнет свое движение в обратную сторону под воздействием силы пружины. С каждым движением баланса в обе стороны угол поворота его будет уменьшаться. Уменьшение угла поворота происходит в результате сопротивления воздуха движению баланса, трения в опорах оси и внутреннего молекулярного трения в самой спирали.
Угол, на который максимально откланяется баланс от положения равновесия, называется амплитудой колебания баланса.
Процесс колебания баланса схематически изображен на фиг. 4.
Фиг. 4. Схема колебания баланса.
Ориентиром приняты перекладина баланса и точка на его ободе. В положении I баланс находится в состоянии покоя. Вращая баланс в направлении, указанном стрелкой (положения II–V), повернем его на угол порядка 300°. При этом пружина будет раскручиваться. Как только баланс будет отпущен, он устремится в исходное положение. При своем обратном движении он последовательно пройдет положения V, IV, III и II и достигнет положения I. Под действием силы инерции баланс будет вращаться дальше (положения VI-IX), а затем вновь остановится и начнет движение, повторяя весь цикл в обратном порядке. Стрелками указано направление движения.
Время, в течение которого совершается одно полное колебание баланса (перемещение из положения равновесия до крайнего положения вправо и обратно через положение равновесия до крайнего положения влево и вновь до положения равновесия), называется периодом колебания баланса.
Для получения незатухающих колебаний баланса с заданной в известных пределах амплитудой колебаний необходимо периодически сообщать ему дополнительный импульс, способный компенсировать потери, на преодоление трения.
Отличительной чертой этой колебательной системы является то, что период свободно колеблющегося баланса не зависит от величины амплитуды, т. е. эта система является изохронной.
Рассмотренные круговой маятник и баланс являются основными системами, применяемыми в приборах времени для создания периодически повторяющихся процессов, с помощью которых осуществляется измерение времени.