Электронные часы

Наверное, почти все из вас когда-нибудь пытались починить или хотя бы разобрать старый будильник или ходики. Сколько там различных винтиков, зубчатых колес, пружинок! Разберешь часы — и вот на столе множество различных мелких деталей. Какая же из них самая «главная»? Зубчатые колеса с пружиной? Нет, не угадали.
В самом начале XVI века нюрнбергский слесарь П. Хенлейн создал такие часы, которые, кроме зубчатых колес и заводной пружины, ничего не имели. Устройство часов было хотя и очень простым, но ход был настолько неравномерным, что точность не превышала 1/2 часа за сутки. Когда пружина только что закручена, часы спешили, а спустя некоторое время начинали отставать. Ход их зависел от многих причин, и в первую очередь от натяжения пружины и трения в зубчатых колесах. Часам не хватало регулятора хода, не хватало «сердца».
«Сердце» в часы вложили великие ученые XVII века Галилео Галилей и Христиан Гюйгенс. Согласно преданию, в 1584 году, будучи студентом университета, Галилео Галилей присутствовал на богослужении в Пизанском соборе. Порывы ветра, гулявшего под высокими сводами собора, раскачивали огромные бронзовые люстры, подвешенные на длинных цепях к потолку здания. Размахи люстр временами становились все меньше и меньше, а между тем продолжительность каждого размаха казалась неизменной.

Как бы сравнить продолжительность колебаний одной из люстр?
У Галилея карманных часов не было, но он остроумно вышел из этого затруднения: стал измерять время размаха люстры ударами собственного пульса. Считая пульс в течение каждого размаха люстры, юный исследователь скоро заметил удивительное явление: когда колебания люстры затухали, то есть размах становился меньше, продолжительность их не менялась.
Это наблюдение навело Галилея на мысль использовать колебания маятника для регулирования хода часов.
Возвратившись домой, Галилей принялся за исследование открытого им явления природы. Для этого он смастерил небольшой прибор, полностью имитирующий колебания люстры. Получился простейший маятник — небольшой грузик, подвешенный на тонкой нитке. Отведенная в сторону и затем отпущенная, гирька долго совершала колебательное движение, подобно люстре в соборе.


У исследователя сразу же возник вопрос: как влияют на период размаха маятника длина подвеса гирьки и ее вес?
Удлиняя нить маятника, было нетрудно установить, что колебания его замедляются. Маятник, имеющий длину нити, равную 100 см, колебался с периодом около 2 сек,. Если увеличить длину подвески вчетверо, то есть сделать ее равной 400 см, то период качания маятника становится равным 4 сек. Следовательно, с увеличением длины маятника вчетверо, он колеблется в два раза медленнее. При увеличении длины маятника в девять раз, его период, то есть продолжительность одного полного колебания, увеличивалась в три раза. При этом размах колебаний маятника не имел никакого значения.
Когда же Галилей попробовал определить влияние веса маятника на период колебаний, результат наблюдений оказался самым неожиданным: гирька и легкая пробка на нитях равной длины колебались так же дружно, как двигаются ноги марширующих солдат. Вес маятника, как оказалось, вовсе не влияет на период его колебаний. «Сердце» часов было найдено! Оставалось только научиться считать его удары. Соединив маятник с обычным счетчиком, Галилей измерял таким образом частоту человеческого пульса. Ему же принадлежит и идея соединения пружинных часов с маятником.

После смерти Галилея его сын Винченцо вместе с учеником отца Вивиани изготовили модель первых часов с маятником. Но, к сожалению, сохранился лишь рисунок часов, а сами они вместе с другими вещами были проданы после смерти Винченцо и потеряны для науки. В средние века ученые разных стран почти ничего не знали об открытиях своих коллег. Поэтому-то голландский ученый Христиан Гюйгенс был уверен в приоритете, когда, спустя двадцать лет после Галилея, соединил маятник с пружинными часами (рис. 68). Гюйгенс правильно понял, что маятник должен лишь регулировать ход часов, а не приводить их в движение.

Часы Гюйгенса были устроены так. От пружины через ряд промежуточных зубчатых колес приводились в движение минутная и секундная стрелки. Секундное зубчатое колесо охватывалось металлической дужкой с двумя скошенными выступами, или, как’все вместе называется, — анкером. Жестко с анкером был скреплен маятник. Такое соединение показано на рисунке 69. При качании маятника выступы анкера попеременно входят в прорези секундного колеса, регулируя скорость его вращения таким образом, что при одном полном колебании маятника колесо перемещается на один зуб. Если секундное колесо будет иметь тридцать зубьев, а период маятника равен 1 сек (длина подвеса — около 25 см), то полный оборот оно совершит точно за 30 сек. Дальше все просто.
Для того чтобы получить вращение минутной стрелки, ее ось нужно связать с осью секундного колеса системой зубчатых колес с общим передаточным отношением 120 : 1. В этом случае за два оборота секундного колеса минутная стрелка переместится на 1/60 полного оборота, то есть на одну минуту.
Ось часовой стрелки связана с осью минутной стрелки всегда через зубчатые колеса с отношением 12:1.
Получились настоящие часы, регулятором хода в которых является маятник совместно с анкерным спуском. Они-то и образовали «сердце» современных часов. И как бы мы ни заводили пружину, ход часов теперь от этого не изменится, так как он полностью определяется только периодом колебаний маятника.
В дальнейшем Гюйгенс отказался от маятника и заменил его небольшой спиралькой, которая получила название — балансный маятник. Это позволило значительно уменьшить габариты часов. Сейчас такой маятник ставится во все карманные часы. В остальном же регулятор хода не претерпел существенных изменений.

Но почему колебания маятника в часах не затухают, как это было в опыте Галилея?
Да потому, что анкерная дужка связана с помощью специального валика с маятником и подталкивает его при каждом колебании. И если разобраться в работе анкерной дужки более внимательно, то окажется, что она-то и является «проводником» положительной обратной связи в часах, если рассматривать их как генератор механических колебаний.
Мы пришли к совершенно неожиданному выводу. Оказывается, маятниковые часы представляют собой не что иное, как генератор механических колебаний! На выходе такого генератора, на его циферблате, имеются: колебания с частотой в 1 гц — показания секундной стрелки, колебания с частотой в 1/60 гц — показания минутной стрелки и колебания с частотой в 1/3600 гц — показания часовой стрелки.
Не правда ли, есть над чем призадуматься?
А если это так, то нельзя ли механическое «сердце» часов заменить электронным? Оно-то ведь в работе будет более надежным и стабильным.
Оказывается, такую замену произвести несложно. Для этого достаточно взять обычный электронный генератор (см. стр 94—100). На выходе его включается электромагнитное реле, которое одновременно механически связывается с храповым механизмом.
Схематически работа храпового механизма показана на рисунке 70. Механизм состоит из храпового колеса У, собачки 2, свободно подвешенной на якоре 3, возвратной пружины 4 и ограничителя хода якоря 5. На одной 5 оси с храповым колесом жестко прикреплено зубчатое колесо 6. Все вместе называется электрическим счетчиком. Он считает импульсы тока, поступающие в обмотку электромагнитного реле.

При каждом срабатывании реле 8 собачка, нажимая на край зуба храпового колеса, поворачивает его на 1/20 оборота. При отпускании реле якорь оттягивается пружиной 4 в исходное положение, а собачка перескакивает на следующий зуб. К храповому колесу собачку постоянно прижимает пружина 7. Пластинка 9 предотвращает движение храпового колеса по часовой стрелке.
При повторном срабатывании реле храповое колесо еще проворачивается на 1/20 оборота, и т. д.
Если частота электронного генератора равна 0,33 гц, а якорь притягивается к сердечнику через каждые 3 сек, и число зубьев храпового колеса равно 20, то период его вращения будет равен 60 сек, или 1 мин. Если число зубьев будет другим, то соответственно необходимо будет изменить период колебаний генератора так, чтобы произведение числа зубьев на период равнялось 60 сек.
Разобравшись в работе схемы часов с электронным «сердцем», вы невольно удивитесь их простоте. В ней число зубчатых колес сведено до минимума, а необходимость в пружине совсем отпала: ее заменила батарейка от карманного фонаря. Маятник с анкерным механизмом тоже стал не нужен.
Теперь можете приступать к изготовлению собственных электронных часов. Их точность хода можно сделать лучше, чем у любого хронометра. К тому же потребуются совсем небольшие доделки, чтобы превратить их в отличный будильник.

Библиотечка пионера «Знай и умей»

Ю. Отряшенков “ Азбука телеавтоматики”

Крейсер

Технические данные броненосца «Потемкин»

Модели

На главную

ДРУГИЕ НАШИ ПРОЕКТЫ

 Интересные  игрушки

Поделки дома

Занимательная физика

Все сами

От дачи до дома

Что готовите?


«Ручная работа»
в Улан-Удэ
©2015
Контакты: