19-05-2010

У даній статті увазі читачів пропонується докладний опис принципів роботи механічних і кварцових годин, а також їх порівняльна характеристика, опис переваг і відповіді на найбільш актуальні питання, що виникають під час прийняття рішення про покупку цього аксесуара. Дана стаття рясніє технічними подробицями, тому цікава буде, перш за все, тим, хто зацікавлений в максимально повної інформації про «начинку» годин і принципах роботи годинникових механізмів.

Отже, почнемо з азів. Механізм всіх сучасних годин складається з чотирьох основних частин:

• Двигуна, який забезпечує енергією і пускає в хід інші
компоненти механізму
• Регулятора, який виробляє коливання певної частоти і задає тим
самим точність ходу годинника
• Лічильника, який вважає коливання РЕГУЛЯТОРА і переводить їх на зрозумілий
людині мову; і
• Індикатора, що відображає час

Залежно від особливостей пристрою основних вузлів годинник можна розділити на кілька видів. В першу чергу, за типами використовуваного РЕГУЛЯТОРА годинник можна класифікувати на механічні та кварцові.

Механічний годинник - це годинник, в яких час вимірюється за механічними колеба¬ніям маятника або системи баланс-спіраль. Джерелом енергії в такому годиннику зазвичай є пружина або гирі.

У кварцових годиннику еталоном часу є електромагнітні коливання, вираба¬тиваемие генератором на основі кварцового резонатора. Як правило, джерелом енер¬гіі в них є батарейка.

У свою чергу, механічний годинник діляться по типу регулятора коливальні системи і за типом приводу, а кварцові - за типом індикації і джерела енергії.

Як працюють наручні механічні годинники

Принцип роботи балансових годин такої ж, як і гирьових маятникових: є двигун (пружина), який змушує обертатися зубчасті колеса і стрілки, і є пристрій, який регулює швидкість їх обертання. У наручних годинниках як джерело енергії використовують скручену пружину, яка і рухає колеса і стрілки годинника. Пружину і баланс можна переносити, трясти, обертати і навіть перевертати.

Пружина в годиннику є стрічкою зі сталі або спеціального сплаву, згорнуту усередині металевого барабана. На зовнішній циліндричній поверхні барабана нарізані зуби, і вона є одним з зубчастих коліс механізму годинника. Барабан одягнений на вал, щодо якого може вільно обертатися. Внутрішній кінець пружини зачеплений за гачок на валу, а зовнішній - тим чи іншим способом закріплений на внутрішній стінці барабана. Якщо обертати вал при нерухомому барабані, пружина буде закручуватися. Якщо потім зафіксувати вал, пружина, розвиваючись, буде прагнути обертати барабан. Це обертання передається на центральний триб, а через триб хвилинної стрілки, вексельне колесо і триб вексельного колеса - на годинне колесо, на втулці якого закріплена годинникова стрілка. Число зубів в цій колісної передачі підібрано так, що годинна стрілка обертається е 12 разів повільніше хвилинної.

Кінематична схема наручних годинників

з бічної секундною стрілкою

Якщо пружину завести і відпустити, вона розкрутиться майже моментально. Але від годин ми хочемо отримати строго рівномірне обертання стрілок протягом тривалого часу. Для цього необхідно пристрій, який за рівні проміжки часу буде дозволяти барабану (і відповідно стрілкам) повертатися на строго певний кут. Пристрій, що задає ці проміжки часу, в годиннику називають регулятором. У настінних годиннику їм зазвичай є маятник і спуск. У наручних і кишенькових годинниках замість маятника використовується система баланс-спіраль.

Баланс - це важкий круглий обід, маховик, закріплений на осі за допомогою декількох перекладин. Як і будь-який маховик, він володіє певним моментом інерції. Спіраль - це вузька смужка спеціальної пружинної стали, згорнута в формі спіралі Архімеда. Через дуже малої товщини її іноді називають волоском. Внутрішній кінець спіралі кріпиться на осі балансу, а зовнішній кріпиться до однієї з нерухомих деталей каркаса годинникового механізму. Якщо баланс повернути в будь-яку сторону, то в спіралі виникне напруга, яке тим сильніше, чим більше кут повороту. Якщо тепер відпустити баланс, він під дією пружної спіралі повернеться назад, в положення рівноваги. У цьому положенні напруга спіралі зникне, але баланс за інерцією повернеться далі майже на такий же кут, на який він був відхилений, знову напружуючи пружину.

Регулятор баланс-спіраль

Якби не було тертя і інших зовнішніх впливів, то ці коливання повторювалися б нескінченно. Більш того, частота коливань системи баланс-спіраль не залежить від амплітуди, тобто максимального кута, на який був відхилений баланс. Про таку систему говорять, що вона ізохронними. Час, за яке баланс здійснює повне коливання, залежить тільки від пружності спіралі, діаметра і ваги самого балансу. Таким чином, система баланс-спіраль робить коливання з постійною частотою. Отже, ми можемо використовувати її для стабілізації швидкості обертання колісної передачі.

На жаль, в реальному житті виникає ряд проблем, По-перше, через тертя і інших чинників баланс з часом зупиниться. Для підтримки коливань необхідно періодично «підштовхувати» баланс, передаючи йому енергію. Крім того, коливальний рух балансу необхідно якось перетворити в рівномірне обертання коліс стрілочної передачі.

Для вирішення цих проблем служить пристрій, що називається спуском або ходом. Анкерний хід (спуск) - це частина механізму годинника, у якій два завдання: перетворення рівномірних коливань балансу в обертання зі стабільною швидкістю системи зубчастих коліс, включаючи стрелочную передачу, і передача енергії від двигуна балансу для підтримки його коливань. За допомогою ходу система баланс-спіраль управляє обертанням зубчастої передачі так, що за одне коливання балансу колеса повертаються на певні малі кути.

Відомо безліч різних конструкцій спускових механізмів, але в даний час майже всі механічні наручні годинники забезпечені спуском одного типу, званого швейцарським анкерним спуском. Характерною рисою цього спуску є наявність елемента, схожого на корабельний якір, званого анкерної виделкою, яка розташована між балансом і останнім з зубчастих коліс. Анкерная вилка має два плеча, в яких закріплені рубінові камені, звані палети, і роздвоєний хвіст, кінці якого називаються ріжками. Вилка насаджена на вісь, яка дозволяє їй повертатися з боку в бік.

До складу спуску входять також колесо із зубами особливої ​​форми, зване анкерним колесом, і імпульсний ролик з імпульсним каменем, що знаходяться на осі балансу. Деталі спуску зображені на малюнку 5. Заводна пружина через зубчасту передачу постійно прагне повернути анкерне колесо проти годинникової стрілки. Але цьому перешкоджає анкерная вилка. Велику частину часу одна з палет анкерної вилки «замикає» зуб анкерного колеса, не даючи тому повернутися.

Баланс більшу частину часу рухається вільно і не має контакту з анкерної виделкою. Повертаючись в своєму коливанні з крайньої точки, він б'є імпульсним каменем по ріжку і повертає анкерну вилку. При цьому палета, замикали зуб анкерного колеса, піднімається і звільняє зуб. Як тільки зуб виявляється вільним, анкерне колесо під впливом заводний пружини починає повертатися, і тепер уже зуб анкерного колеса «підштовхує» палету і повертає анкерну вилку. Рожок анкерної вилки наздоганяє імпульсний камінь і б'є по ньому, повідомляючи балансу додаткову енергію.

Анкерне колесо повертається ще на деякий кут, і тепер уже інший його зуб впирається в протівопо¬ложную палету анкерної вилки. При зворотному русі балансу все повториться знову, але з іншого боку вилки, За одне повне коливання балансу анкерная вилка дозволяє анкерного колеса повернутися на один зуб. У момент, коли анкерне колесо повертається і вдаряється зубом про палету анкерної вилки, ми чуємо звуки «тік-так».

Чим вище частота коливань балансу, тим менше на нього впливають тряска і інші зовнішні впливи. В даний час в наручних годинниках використовуються баланси, які вчиняють коливання за 0.4 с, 0.33 с, а в особливо точних - 0.2 с. Частота коливань балансу в кілька тисяч разів більше швидкості обертання барабана і, щоб узгодити швидкості їх руху, між барабаном і анкерним колесом поміщають ще ряд коліс і трибов, званих основний колісної системою.

Зубчаста передача від барабана до анкерного трибу збільшує число обертів, пропорційно знижуючи передачі потужності. Основну колісну систему зазвичай проектують так, щоб перший після барабана триб здійснював оборот за 1 годину, а його вісь проходила через центр годин, тому він отримав назву «центральний триб». На вісь центрального триба встановлюють триб хвилинної стрілки із закріпленою на ньому хвилинною стрілкою. Ось триба, що здійснює один оборот за одну хвилину, часто виводять на циферблат вище позначки «6 годин" і кріплять до неї секундну стрілку.

Як працюють кварцові годинники

За кілька століть людина змогла значно вдосконалити наручні механічні годинники. Шляхом створення різних складних за конструкцією пристроїв вдалося домогтися точності ходу до +/- Ь секунд в добу. Але такий годинник були складні у виготовленні і, як наслідок, дуже дорогі. З появою кварцових технологій високоточні годинники стали доступні кожному жителю Землі, а якість годин стало залежати не стільки від майстерності і досвіду людей, скільки від точності роботи автоматичних ліній, Сьогодні абсолютна більшість що випускаються в світі годин відносяться саме до кварцовим. Пропонуємо детально розглянути їх внутрішній устрій, принципи роботи і причини, за якими досить багато покупців віддають перевагу саме кварцовим годинах.

Основними вузлами кварцових годин є електронний блок і кроковий електродвигун. Електронний блок раз в секунду посилає імпульс двигуну, а той повертає стрілки.

Високу стабільність частоти вироблюваних імпульсів, а значить, і високу точність ходу, забезпечує кристал кварцу, через якого годинники і отримали свою назву. Джерелом енергії є батарейка, вона живить електронний блок і двигун, розрахована на кілька років роботи і позбавляє від необхідності заводити годинник протягом усього цього строку. Виходить унікальне поєднання високої точності і зручності у використанні. Іноді замість циферблата зі стрілками використовується цифровий дисплей. Такі годинники у нас прийнято називати електронними, але у всьому світі їх називають кварцовими годинниками з цифровою індикацією. Ця назва підкреслює, що, по-перше, основою годинників є кварцовий генератор, а по-друге, інформація про час в них відображається у вигляді цифр.

Схема кварцових годин

По суті, кварцові годинники є міні-комп'ютером. Запрограмувавши відповідним чином мікросхему, їх легко перетворити в багатофункціональний пристрій: хронограф, секундомір, додати до них будильник і т.д. Причому, на відміну від механічних годинників, їх вартість при цьому зростає не так сильно.

Кристал кварцу має п'єзоелектричні властивості: при стисканні він породжує електричне поле, а при впливі електричного поля кварц стискається. Таким чином, кристал можна змусити стискатися-розтискати і коливатися під впливом електричного поля. Кожен кристал має деяку резонансну частоту. Підбором розмірів кристала домагаються частоти резонансу 32768 герц. В електронний блок кварцових годин входить генератор електричних коливань. Він виробляє електричні коливання, які стабілізуються кварцовим кристалом на його резонансної частоті. Таким чином, ми маємо генератор електричних коливань з дуже стабільною частотою. Залишається ці рівномірні коливання перетворити в рівномірний же рух стрілок.

Генератор виробляє 32768 електричних коливань в секунду. Це приблизно в 10000 разів більше, ніж число коливань балансу в звичайних годинах. Жодне механічний пристрій не може працювати з такою швидкістю. Тому інша частина електронної схеми, яка називається дільником, перетворює ці коливання в імпульси частотою 1 герц. Ці імпульси подаються на обмотку крокового електродвигуна. Двигун складається з статора, нерухомо закріпленої на ньому котушки з обмоткою і ротора - постійного магніту, насадженого на вісь. При проходженні через котушку електричного імпульсу виникає магнітне поле, яке повертає ротор на півоберта. Ротор через систему шестерень обертає стрілки.

Порівняння різних типів годинникових механізмів

Якщо історія механічних годинників налічує близько 400 років, то кварцові годинники з'явилися лише 40 років тому. Ще 2-3 роки тому в нашій країні механічний годинник був популярнішим кварцових. Але сьогодні ситуація змінюється, і по, прогнозами зарубіжних фахівців, через кілька років частка кварцових годин складе не менше 80% ринку.

З самого моменту їх появи не припиняється суперечка про те, який годинник краще: кварцові або меха¬ніческіе. Однозначної відповіді на це питання не існує. Нижче представлені порівняльні характеристики кварцових і механічних годинників, а також описані їх переваги.

Порівняння характеристик механічних і кварцових годин

Переваги кварцових годин

Переваги механічного годинника

Таким чином, Неможливо однозначно відповісті на питання, Який годинник краще - механі¬ческіе або кварцові. Зазвічай при віборі типу механізмів годин покупець виходом зі своих особістом перевага. Тому для того, щоб визначити, який тип годинника вам необхідний, слід чітко визначитися зі своїми уподобаннями та відповідно до них виділити для себе переваги годин з тим чи іншим типом механізму.

Приймаючи рішення на користь покупки кварцових або механічного годинника, як правило, покупців цікавлять одні і ті ж основні питання, відповіді на які пропонуються нижче в якості заключної частини даної статті:

Який годинник точніше?
У механічних годинників точність залежить від безлічі факторів: температури, положення годинника, ступеня заводу пружини, зносу деталей, регулювання. У кварцових годиннику все простіше: частота імпульсів, вирабати¬ваемих кварцовим генератором, практично постійна. А двигун і стрілки - це просто ісполнітель¬ное пристрій, їх справа - обертатися по команді. І якщо для механічних годинників хорошим результатом вважається відхилення +/- 20 секунд на добу, a +/- S секунд - майже граничним, то основна маса квар¬цевих годин забезпечує точність близько +/- 20 секунд в місяць, а кращі - до + / -Ь секунд в рік. Навіть дешеві кварцові годинники точніше механічного хронометра.

Чому механізми кварцових годин часто роблять пластмасовими?
Всі деталі механічного годинника більшу частину часу перебувають під навантаженням, яку створює заводна пружина, і тільки в дуже малі моменти часу, коли баланс і анкерна вилка дозволяють повернутися анкерного колеса, це напруга падає. Великі навантаження, висока контактна давле¬ніе вимагають використання твердих матеріалів, таких як сталь, латунь, рубін, В кварцових ж годиннику все навпаки: більшу частину часу деталі вільні. І тільки коли кроковий двигун поворачі¬вает колеса, на короткий час деталі виявляються навантаженими. Це дозволяє використовувати менш зносостійкі матеріали. До того ж потужність, що розвивається кроковим двигуном, у багато разів менше потужності, що розвивається заводний пружиною. Щоб двигун зміг повернути стрілки, деталі кварцового механізму повинні бути якомога легше, а тертя - менше. Пластик легше стали, а при спеціальному підборі пластиків вдається зробити тертя в парі «пластик-пластик» в кілька разів менше, ніж в парі «сталь-латунь», що зазвичай використовуються в механіці. Іншими словами, в кварцових годинниках використання пластику з багатьох причин краще. Наприклад, у Seiko складу пластмас, які використовуються в механізмах, запатентований.

Чому в кварцових годиннику зазвичай немає каменів?
Тому, що вони там не потрібні. Всупереч поширеній думці, камені в механічному годиннику іспользу¬ются не тому, що вони дозволяють знизити тертя, а тому, що рубін твердіше, більш зносостійкий і краще витримує контактний тиск, А в кварцових годинниках воно зовсім невелике. Зазвичай в кварцових годинниках ставлять один камінь - нижню опору ротора крокового двигуна. Справа в тому, що статор двигуна досить сильно «притягує» ротор, і ця опора єдине місце в годинах, де контактний тиск відносно велике.

Чому кварцові годинники дешевше?
Точність ходу кварцових годин визначається тільки параметрами генератора. Кварцові годинники не вимагають тонкої ручної настройки при збірці, в них відносно мало деталей. Це дозволяє більшість опера¬цій з виготовлення деталей і збірці механізму доручити автоматиці. Природно, собівартість такого годинника нижче.

Чи бояться кварцові годинники ударів?
У кварцових годиннику немає деталей, чутливих до ударів подібно осі балансу в механічних. Фактично, всі кварцові годинники є протиударними. Вони майже не чутливі до звичайних в реальному житті ударам, які виводять з ладу механіку. Але експериментувати, перевіряючи їх на міцність, ми не сове¬туем.

Який годинник довше прослужать?
Багато хто говорить, що механічний годинник служать набагато довше, ніж кварцові. У приклад наводять екземп¬ляри сто і навіть двохсотлітньої давності. Але чи багато хто з годинника, випущених 100-200 років тому, працюють сьогодні? Колісний механізм у кварцових годин має той же ресурс, що і у механічних. Дуже довго прослужить і кроковий двигун. Сьогодні можна зустріти працездатні радіоприймачі 20-х років, тобто ресурс електронних компонентів також великий і до кінця ще не вивчений. І, теоретично, хороші кварцові годинники по довговічності не повинні поступатися механічним.
Статистики по «довгожительства» кварцових годин поки не існує, адже вони з'явилися всього 30 років тому. Але багато електронно-балансові годинник, випущені років 40 назад, прекрасно ходять і по сей день. З іншого боку, 100 років тому годинник передавали у спадок тому, що це була надзвичайно рідкісна і дорога річ. Ті часи давно пройшли, і сьогодні все частіше ми купуємо нову річ не тому, що стара зіпсувалася, а тому, що вона морально застаріла.

| на гору