Почему положение часов влияет на точность хода

Почему положение часов влияет на точность хода

Механический часовой механизм - это маленькая, но сложная система, состоящая из компонентов, которые находятся в равновесии и работают безупречно. Но поскольку эти компоненты очень хрупкие - особенно детали, составляющие спуск, - на его работу могут влиять внешние факторы, включая удары, влажность и, чаще всего, положение часов - на запястье или без него.

Положение часов определяет, как гравитация воздействует на движущиеся части механизма. Другими словами, хронометраж часов может меняться в зависимости от того, лежат ли они на задней крышке или на боку. Такое отклонение называется позиционной погрешностью, и в значительной степени оно обусловлено воздействием гравитации на колесо баланса - осциллятор в регулирующем органе механизма.

Помимо положения часов, позиционная погрешность также определяется такими факторами, как амплитуда балансового колеса, тип волосковой пружины и положение баланса. Все они неразрывно связаны между собой и должны быть правильно отрегулированы - на языке часовых мастеров - для того, чтобы часы имели минимальную погрешность позиционирования и, следовательно, показывали точное время.

Вопрос положения

Положение часов существенно влияет на их точность; в частности, это следствие воздействия гравитации на колесо баланса - оно тянет его вниз независимо от положения часов.

Балансовое колесо часов можно представить себе как велосипедное колесо, лежащее на земле и колеблющееся взад и вперед. В его центре находится шарнир (или балансовый стержень), который опирается на подшипники с драгоценными камнями на каждом конце. Над каждым подшипником находится драгоценный камень, который служит для ограничения осевого перемещения шарнира и удержания смазки. А концевой камень, в свою очередь, фиксируется крошечной пружиной, часто производимой швейцарскими специалистами Kif или Incabloc, которая выполняет функцию амортизатора.

Поперечный разрез баланса в сборе

Поперечный разрез баланса в сборе с "лирой-пружиной" Incabloc над камнем крышки, с ювелирным подшипником, содержащим шарнир баланса в нижней части. Диаграмма - Incabloc

Часы обычно работают с максимальной производительностью, когда они установлены лицевой стороной вверх или вниз, или "циферблатом вверх" или "циферблатом вниз" на языке часовых мастеров. Это означает, что механизм расположен горизонтально или параллельно земле и имеет наименьшее трение, при этом основным контактом является кончик нижней шестерни, который опирается на нижний камень крышки - подобно вращающейся верхушке на столе.

Таким образом, практический совет для владельцев часов: когда механические часы убираются на ночь, лучше всего поместить их циферблатом вверх или циферблатом вниз, чтобы сохранить точное время. Между тем, когда часы помещаются на длительное хранение, положение не имеет значения, поскольку часы в конце концов перестанут работать, когда сядет заводная пружина.

Когда часы на браслете или с раскладывающейся застежкой лежат на боку в вертикальном положении, это называется "заводная головка вверх" или "заводная головка вниз" в часовой терминологии. В этой ситуации площадь контакта обоих поворотных точек балансового колеса намного больше, поскольку обе точки поворачиваются относительно стенок подшипников. Это похоже на то, как если бы ручка лежала ровно на столе, а не стояла на кончике, как в случае, когда часы повернуты лицевой стороной вверх или вниз.

Следовательно, трение на шарнирах всегда будет выше, когда часы лежат на боку. Однако это можно свести к минимуму, если часы чистые, хорошо смазаны и поворотные механизмы находятся в хорошем состоянии.

Четыре вертикальных положения часов приводят к расхождению показаний хронометра. Это связано с тем, что заводная пружина прикреплена к фиксированной точке балансового колеса, и на нее действует сила тяжести, направленная вниз. Таким образом, при регулировке часов часовщик должен соблюдать баланс, поскольку невозможно добиться теоретически идеального хронометража во всех положениях, приоритет отдается наиболее распространенным положениям.

Поскольку существует шесть положений - циферблат вверх и вниз и четыре вертикальные ориентации - хорошо отрегулированные часы рекламируются как отрегулированные во всех шести положениях, а некоторые отрегулированы в пяти положениях в качестве почти идеального компромисса. Наиболее важными являются положения циферблата вверх и вниз, так как они должны демонстрировать хорошее и идентичное времяисчисление, поскольку шарниры не упираются во внутренние стенки камней, и являются показателем здоровой зубчатой передачи.

Затем рассматривается заводная головка вниз, которая представляет собой свисающую вниз руку стоящего человека. Затем следует коронка влево, которая возникает при горизонтальном положении руки на столе. И наконец, корона вверх и корона вправо рассматриваются в последнюю очередь, поскольку это необычные положения, такие как поднятие руки прямо вверх или за голову.

Важно отметить, что все вышесказанное относится к большинству населения, которое является правшами - левши будут ощущать все вертикальные положения в обратном порядке. Это очевидно, если учесть, что при ношении часов на правом запястье заводная головка направлена вверх по предплечью, а не вниз по левой руке.

После всех этих рассуждений о вертикальном положении, почему трение в шарнирах балансового колеса является проблемой? В то время как длительное воздействие может привести к окончательному износу тонких шарниров, возникает более очевидная проблема - снижение амплитуды.

Для борьбы с ошибкой позиционирования различные часовые мастера создали усложнения, в том числе и дебютировавшую в прошлом году модель F.P. Journe Tourbillon Souverain Vertical. В нем колесо баланса расположено перпендикулярно циферблату, поэтому баланс всегда находится в вертикальном положении, независимо от того, находятся ли часы заводной головкой вниз или лицом вверх, что является наиболее распространенным положением. А поскольку баланс находится внутри турбийона, гравитационные погрешности усредняются.

Вопрос степени
Помимо положения часов, на их хронометраж влияют и внутренние факторы. Для работы часов требуется энергия, которая вырабатывается заводной пружиной и передается через механизм хода на балансовое колесо, заставляя его колебаться.

Величина колебаний балансового колеса вперед-назад, выраженная в градусах, называется амплитудой. В общем случае, большая мощность означает большую амплитуду; большая амплитуда означает большую инерцию и более стабильный отсчет времени. Обычно амплитуда хода здорового механизма при полном заводе составляет от 270° до 310°.

Очень большое балансовое колесо в часах Voutilainen Vingt-8

Часы с низкой амплитудой будут более подвержены остановкам и нестабильному хронометражу. Это связано с тем, что им легче передавать внешние нежелательные силы, например, удар, который прерывает малый импульс балансового колеса.

Однако слишком высокая амплитуда тоже не очень хорошо. Это иногда случается при обслуживании старинных часов с использованием лучших современных смазочных материалов и при замене заводной пружины на слишком сильную. В результате возникает овербанкинг или "стук", когда балансовое колесо хочет совершить полный оборот, но сталкивается с внешним краем вилки поддона, что может привести к повреждению роликового камня.

Хорошая позиция

Еще одним фактором, определяющим погрешность позиционирования, является положение баланса. Уравновешивание - это процесс равномерного распределения веса по ободу балансового колеса. Без баланса колесо баланса будет иметь тяжелые участки вдоль обода, которые будут подвержены влиянию силы тяжести, особенно в вертикальной ориентации.

Представьте себе езду на велосипеде с тяжелым грузом, закрепленным на одной части обода колеса - смещение веса при качении колеса приводит к изменению усилия велосипедиста при кручении педалей. По этой же причине автомобильные шины также нуждаются в балансировке, которая осуществляется путем приклеивания или закрепления крошечных грузиков на ободе колеса. То же самое относится и к балансовому колесу часов, за исключением того, что баланс колеблется вперед-назад, а не вращается в одном направлении.

Следовательно, амплитуда колебаний особенно важна для неподвешенного балансового колеса в вертикальном положении. Это связано с тем, что при разной амплитуде тяжелая точка проходит разные расстояния по дуге колебаний. В зависимости от ориентации, гравитация будет тянуть тяжелую точку вниз либо в пользу, либо против направления колебаний, что приведет к быстрому или медленному ходу часов.

Таким образом, регулировать часы с неидеальным балансовым колесом бесполезно - даже если часы идеально отрегулированы на здоровой амплитуде от 270° до 310°, их ход будет смещаться, поскольку амплитуда неизбежно падает по мере того, как заводная пружина разматывается. Не говоря уже об отклонениях, зависящих от ориентации часов относительно силы тяжести.

Поэтому, чтобы часы имели минимальную погрешность позиционирования, балансовое колесо должно быть идеально сбалансировано, или одинаково взвешено по всему ободу. Это достигается путем удаления материала с более тяжелой стороны обода с помощью сверления крошечных отверстий или путем изменения веса винтовых балансов, обычно используемых в традиционных часах.

Осмотр пружины баланса на наличие эксцентриситета после установки баланса.

Когда механизм собирается на заводе, новые балансовые колеса будут автоматически выравниваться с помощью современных компьютеризированных машин. Выравнивание осуществляется путем удаления материала с помощью лазеров, которые вытравливают крошечное отверстие или канавку в нижней части балансового колеса.

Однако если часы возвращаются в ремонт и требуется разборка балансового колеса, выравнивание выполняется часовщиком вручную. Это связано с тем, что при повторной сборке балансового колеса все предыдущие попытки выставления баланса отменяются из-за неизбежных ошибок при установке деталей обратно.

Износ
Это может произойти из-за износа деталей, требующих замены, что является еще одним источником колебаний хода и ошибок позиционирования балансового колеса, особенно в долгосрочной перспективе.

Например, при износе со временем может потребоваться замена баланса. Это происходит, когда шарниры баланса со временем изнашиваются и становятся тоньше, лишая часы здоровой амплитуды за счет трения. Чем больше трение, создаваемое изношенными шарнирами, тем больше потеря амплитуды, которая особенно заметна в вертикальном положении.

При сильном износе замена изношенных деталей является насущной необходимостью, чтобы избежать дальнейшего износа, поскольку изношенные детали в результате истирания образуют металлические опилки, которые могут переходить на другие детали механизма.

Регулировка нового баланса.

Замена изношенного баланса часто приводит к мгновенному увеличению амплитуды и повышению точности. Но при такой замене весь узел баланса должен быть снова отрегулирован, как говорилось выше.

Кроме того, шарниры и концы баланса должны быть как можно более чистыми, поскольку они соприкасаются с подшипниками - если один шарнир грязнее другого, это может привести к ошибкам позиционирования, например, между циферблатом вверх и вниз.

Заводная пружина
Неотъемлемым спутником балансового колеса является заводная пружина, которая обеспечивает контролируемые колебания, определяющие ход времени. В идеале балансовая пружина должна расширяться и сжиматься, или "дышать", концентрически. Это означает, что пружина сохраняет одинаковое пространство между витками на протяжении всего движения.

Пружины баланса обычно бывают двух видов - плоские и с навивкой. Последняя бывает разных форм, самая известная из них - катушка Бреге, названная в честь французского часовщика Абрахама-Луи Бреге (1747-1823), который изобрел ее в 1795 году.

Спиральная заводная пружина
Плоская заводная пружина именно такова - идеально плоская в профиль. Ее внешний конец неподвижен и прикреплен к корпусу баланса часов, а внутренний конец закреплен на балансовом колесе, которое может свободно колебаться. Однако с геометрической точки зрения плоская заводная пружина не "дышит" идеально концентрично - при колебаниях внутренний конец пружины поворачивается и деформирует ее эксцентрично, смещая центр тяжести пружины и изменяя восстанавливающую силу пружины на балансовом колесе.

Это нежелательно, так как приводит к изменению силы заводной пружины в зависимости от амплитуды, что нарушает изохронность - свойство, при котором время колебаний сохраняется независимо от амплитуды. Как уже говорилось ранее, изменение амплитуды влияет на хронометраж в зависимости от ориентации часов, поскольку бочка заводной пружины медленно раскручивается и постепенно подает меньше энергии на колесо баланса, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний.

Чтобы смягчить эту проблему, некоторые заводные пружины имеют виток. Проще говоря, внешний изгиб заводной пружины загибается на виток пружины по определенной кривой, чтобы обеспечить максимально концентрическое движение. Это обеспечивает лучший изохронизм, поскольку дыхание волосковой пружины центрировано на протяжении всего ее колебания.

Однако производство заводных пружин более дорогостоящее и трудоемкое, поскольку их обычно приходится гнуть вручную. Кроме того, для намотки требуется дополнительная высота, что приводит к увеличению толщины механизма, а это обычно ограничивает пространство, особенно в тонких или автоматических механизмах. Именно поэтому плоские заводные пружины являются нормой в часовой индустрии, в то время как намотка на катушку является желательной особенностью, особенно в элитных часах.

Стоит отметить, что волосяные пружины с накладными витками почти все изготавливаются из металлических сплавов, поскольку кремний недостаточно пластичен для того, чтобы его можно было согнуть в виток. Немногим специалистам удалось создать кремниевые катушки, либо соединив два отдельных куска кремния, как это сделала компания Breguet, либо обработав кремний специальным способом, позволяющим придать ему нужную форму, что впервые было сделано компанией Master Dynamic в Гонконге.

Концентричность катушки может быть также воспроизведена с помощью двойной заводной пружины, которая встречается только в нишевых часах высокого класса. Она состоит из двух плоских пружин, уложенных одна на другую в противоположных направлениях, поэтому колебания каждой пружины компенсируют друг друга.

Свободные и плавные балансы

Даже если детали механизма изготовлены и собраны идеально, часовщику часто приходится выполнять ручную регулировку, чтобы обеспечить правильную частоту биения балансового колеса. Это называется регулировкой.

Практически во всех механических часах предусмотрен способ регулировки частоты колебаний баланса. Два наиболее распространенных способа точной настройки частоты хода - это регулятор с заводной пружиной и баланс с переменной инерцией. Теоретически оба метода регулировки должны давать схожие результаты, если все сделано правильно.

Традиционный метод - это регулятор, почти универсальный элемент, который можно найти в самых доступных и самых дорогих наручных часах. Регулятор состоит из двух маленьких штифтов, которые изменяют активную длину заводной пружины.

Два латунных бордюрных штифта видны в указателе регулятора.

Эти параллельные штифты называются бордюрными и не соприкасаются непосредственно с заводной пружиной, но позволяют заводной пружине "колебаться" и отражаться от каждого штифта при расширении и сжатии. Положение бордюрных штифтов определяет эффективную длину заводной пружины - более короткая заводная пружина бьется быстрее, и наоборот.

Расстояние между штифтами должно быть тщательно отрегулировано, чтобы они были параллельны, иначе часы будут подвержены ошибкам позиционирования. Погнутые штифты приводят к изменению взаимодействия заводных пружин со штифтами, например, между положением циферблата вверх и вниз.

Напротив, баланс с переменной инерцией, или регулируемый баланс массы, является более сложной современной конструкцией и обычно встречается в часах высшего класса, наиболее известными примерами которых являются Rolex Microstella и Patek Philippe Gyromax. Тем не менее, эта технология постепенно проникает в более доступные часы, в том числе во все часы Tudor, оснащенные механизмами собственного производства.

Но тот факт, что часы подвергаются ежедневному использованию, а иногда и жестокому обращению, и при этом умудряются сохранять удивительно точное время, полагаясь на инженерные решения такого мельчайшего характера, просто поражает воображение. Несмотря на то, что базовым концепциям уже много веков, технология продолжает развиваться, хотя и постепенно, благодаря более совершенным методам производства и использованию современных материалов, таких как кремний.