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技术历史、技术、我们身边的事物
机械表。 发明和生产的历史
机械表的创造对科技史具有重要意义。 关键不在于人们拥有一个方便的测量时间的设备。 本发明的影响是无比广泛的。 时钟是第一台为实用目的而制造并被广泛使用的自动机器。 整整三个世纪以来，它们一直是最复杂的技术设备，并且像磁铁一样吸引了机械的创造性思维。 没有其他技术领域能像手表机制的创造和改进那样，应用如此多的独创性、知识和智慧。 因此，毫不夸张地说，科技史上的十四至十七世纪是在时钟的标志下走过的。 对于技术本身及其创造者来说，这是一个成熟的时期。 与早期的原始设备相比，手表已经成为质的一大步。 他们的创作需要复杂的计算和艰苦的工作、特殊的工具和新材料，它们提供了一个将科学与实践相结合的绝佳机会。
许多后来在其他技术分支中广泛传播的设计理念首先在手表中进行了测试，并且对于随后创建的许多机制，手表作为模型。 可以说，它们是所有机械艺术的实验模型。 很难说出为人类思想工作提供如此丰富领域的任何其他设备。 古代创造了各种测量时间的装置。 为他们的发明做准备的机械钟的直接先驱是水钟。 复杂的水钟已经使用了带有箭头的表盘，作为驱动力的负载，轮齿轮，战斗机构和玩各种场景的木偶。 例如，当时真正的技术杰作是哈里发哈伦拉希德赠送给查理曼大帝的水钟。 装饰华丽，他们有一个小时表盘，并且每隔一小时就会用一个金属球的音爆来宣布，这个金属球会从装饰性的格栅上弹出。 中午时分，城门在这个钟声打开，骑士们从里面骑了出来。 在中世纪的编年史中，有许多关于其他诙谐设计的水钟的参考资料。 然而，如前所述，技术和计时技术的真正革命发生在轮式机械表出现之后。
欧洲第一次提到塔轮钟是在 1 世纪和 2 世纪的交界处。 这样的手表会更早出现吗？ 为了回答这个问题，让我们看一下手表机制的主要组成部分。 有六个这样的主要单元：3）发动机； 4）齿轮传动机构； 5) 产生均匀运动的调节器； 6) 分销商或血统； XNUMX) 指针机构；和 XNUMX) 小时移动和上链机构。
第一个手表机制是由下降负载的能量驱动的。 驱动机构由一根光滑的木轴和一根用石头缠绕的麻绳组成，最后是一个金属重物。 由于重物的重力，绳索开始松开并旋转轴。 一个大齿轮或主齿轮安装在轴上，与传动机构的齿轮啮合。 因此，来自轴的旋转被传递到时钟机构。 之前我们已经提到，齿轮系中车轮的旋转周期取决于其中包含的车轮直径的比率（或者，相同的是，齿数的比率）。 通过选择具有不同齿数的轮子，很容易实现，例如，其中一个轮子在 12 小时内完成一圈。 如果你在这个轮子的轴上放一个箭头，那么它会同时完成一整圈。 很明显，也可以拿起在一分钟或一小时内完成一整圈的轮子； 您可以使用它们连接秒针和分针。 但这种手表出现的时间要晚得多——仅在 XNUMX 世纪，在此之前只使用一个时针。 这种手表中的传动机构的目的是将运动从主齿轮传输并相应地转换到时轮。 然而，为了让手表能够测量时间，指针必须以相同的频率旋转。 同时，众所周知，负载在引力的作用下以加速度运动。 如果重物自由落下，那么轴将分别快速旋转，箭头将在比上一圈更短的时间内完成下一圈。 面对这个问题，中世纪的力学（虽然他们不知道加速度）意识到时钟的运动不能只取决于负载的运动。 该机制必须辅以另一种设备。 该装置必须有自己独立的“时间感”，并据此控制整个机构的运动。 于是，监管者的想法诞生了。 如果现代人被问到最简单的装置最适合用作调节器，他很可能会命名为钟摆。 事实上，钟摆最能满足设定的条件。 这可以通过一个简单的实验来验证。 如果系在足够长的螺纹上的球被偏转一个小角度并被释放，它将开始振荡。 借助秒表，您可以计算钟摆每 XNUMX 秒摆动多少次。 继续观察一分半钟到两分钟，很容易看出所有测量结果一致。 由于与空气的摩擦，球的摆动范围会逐渐减小，但是（这非常重要！）摆动的持续时间将保持不变。 换句话说，钟摆有一种奇妙的“时间感”。 然而，在很长一段时间内，机械师都不知道摆的这些显着特性，摆钟只出现在 XNUMX 世纪下半叶。 在第一款机械表中，轭（双网）用作调节器。 自古以来，摇杆就被用于秤等广泛的装置中。 如果在这种摇臂天平的每个臂上放置相等的重量，然后天平失去平衡，摇臂将像钟摆一样进行相当相等的振荡。 尽管这种振荡系统在许多方面不如钟摆，但它很可能用于时钟。 但是任何调节器，如果不不断地保持它的波动，迟早会停止。 为了使时钟工作，有必要将来自主轮的部分动力能量不断地提供给钟摆或双摆。 时钟中的这项任务由称为分配器或擒纵机构的设备执行。
擒纵系统一直是并且仍然是机械表中最困难的部分。 通过它，在调节器和传动机构之间建立了连接。 一方面，下降将来自发动机的脉冲传递给调节器，这是维持后者振荡所必需的，另一方面，它从属于传动机构的运动（因此，发动机的动作) 监管机构的运动规律。 时钟的正确运行主要取决于下降。 发明者最困惑的是它的设计。 第一次下降是带有突袭的纺锤，这就是为什么它被称为纺锤。 下面将详细介绍其工作原理。 在最初的几个小时里，没有特殊的上链机制。 因此，为工作准备手表需要付出很多努力。 我们不仅每天要多次将非常重的重物提升到相当高的高度，而且还要克服传动机构所有齿轮的巨大阻力。 （很明显，如果主轮刚性地安装在电机轴上，则在举重时将随轴旋转，其余轮子将随之旋转。）因此，已经在下半场XNUMX世纪，主轮开始固定，当轴反转（逆时针）时，它保持不动。 在我们所描述的时钟机制的六个主要部件中，其中大部分在古代已经单独使用过。 只有两项发明是新的：悬挂重物作为手表引擎的想法，以及使用主轴作为擒纵机构的想法。 奇怪的是，中世纪的传说将这两项技术发现都归功于一个人——阿夫里拉克的博学僧侣赫伯特，他后来以西尔维斯特二世的名义成为教皇。 众所周知，赫伯特一生对钟表非常感兴趣，并于 996 年为马格德堡市组装了历史上第一座塔钟。 由于这些手表没有被保存下来，问题仍然悬而未决——它们的作用原理是什么。 大多数现代研究人员都确信他们是人鱼。 这也得到了下一个塔钟的支持，它或多或少可以被认为是机械的，直到三百年后才出现在欧洲。 但是另一方面，如果赫伯特真的是他们写的那样优秀的机械师，如果他真的发明了主轴擒纵机构，如果他真的对机械表的方案想了很多，那完全无法理解有什么能阻止他从组装这样的手表，因为他有你需要的一切。 但即便如此，机械表的时代在 1288 世纪末才在欧洲开始。 1292年，英国威斯敏斯特教堂安装了一座钟楼。 1300 年，坎特伯雷的教堂增加了一个时钟。 1314年，有消息称塔钟建于佛罗伦萨（但丁的神曲中保留了对这座钟的提及）。 XNUMX年，时钟已经在法国戛纳。 这些早期的机制都没有幸存到今天，它们的创造者的名字也不得而知。 但是，我们可以相当准确地想象它们的结构。 最简单的时钟机制（如果不考虑战斗机制的话）可能只包括三个齿轮。 显然，上面提到的所有手表都是单手表盘的简单三轮机芯的例子。 从位于电机轴上的主轮，运动被传递到一个小齿轮，该小齿轮与冠（或运行）轮在同一轴上，该齿轮配备有锯齿状的齿，垂直于轮子轴。 这个轮子是擒纵机构或主轴擒纵机构的一个组成部分，其任务是调节齿轮的速度。 冠轮从齿轮接收能量，将能量消耗在主轴的旋转上，并与主轴保持持续联系。 主轴配备了两个托盘，它们靠在冠轮的下齿和上齿上。 托盘相对于彼此成 90 度角并交替啮合冠轮的齿，使带有托盘的主轴沿一个方向或另一个方向旋转。 例如，当轮子的突出齿与下托盘碰撞并撞击它时，这导致主轴绕其轴线旋转，因此，上托盘在一段时间后进入了与下托盘之间的间隙。位于车轮顶部的齿。 顶齿施加的压力使主轴反转。 主轴每转动一次，行走轮的齿就会松开。 但轮子马上又碰到了另一个托盘，整个过程又重复了一遍。 主轴每转一圈，砂轮就有时间转动一个齿。 主轴的旋转速度由调节器确定，如前所述，调节器是一个负载沿其移动的摇杆。 如果重物靠近轴，主轴开始转动得更快，时钟也加快了。 如果负载移近边缘，时钟就会减慢。 这是早期机械表的概念。 但很快他们的设备变得明显更加复杂。 首先，传动机构的轮子数量增加了。 这是因为驱动轮和从动轮之间的齿数存在显着差异，从而获得了非常大的传动比，该机构承受了很大的负载并很快磨损。 这种手表的负载下降得很快，一天要抬升五六次。 此外，为了创造大齿轮比，需要直径过大的轮子，这增加了手表的尺寸。 因此，他们开始引入中间附加车轮，其任务是平稳增加传动比。 例如，让我们看看德维克时钟的设计，它于 1370 年安装在巴黎皇宫。 一根末端带有重物 B 的绳索缠绕在直径约 30 厘米的木轴 A 上。 大约 500 磅（200 kg）的重物在 10 小时内从 24 m 的高度落下。 由于车轮接合中的显着摩擦以及重型 Bilyantse 调节器的存在，需要较大的重量。 所有手表零件都是由铁匠在铁砧上制作的。 在轴 A 上的是主轮 E，它将旋转传递给机构的其余轮子。 为了便于上链，它没有与轴刚性连接，而是通过棘爪 F 和棘轮 G。因此，顺时针旋转，轴使轮 E 运动，逆时针旋转使其自由。 为了给手表上弦，使用了齿轮 C 和齿轮 D。它有助于手柄的旋转。 大轮组使齿轮位于第二个轮子-H所在的轴上，最后一个齿轮组使位于第三个或运行轮我所在轴上的齿轮运动。这里与描述的方式相同以上。
塔钟是一个相当反复无常的机制，需要持续监控。 白天必须多次抬起负载。 手表的运行过程取决于摩擦力，因此需要不断润滑。 按照现代标准，他们每天的课程误差非常大。 但是，尽管如此，很长一段时间以来，它们仍然是测量时间的最准确和最常用的仪器。 每十年，手表机制就会变得更加复杂。 许多其他执行各种功能的设备开始与手表相关联。 最终，钟楼发展成为一个复杂的装置，有许多指针、自动移动的数字、多样的报时系统和华丽的装饰。 它们同时是技术和艺术的杰作。 例如，著名大师Junello Turriano 需要1800 个轮子来制作一个塔钟，它再现了土星的日常运动、一天中的小时、太阳的年度运动、月球的运动，以及地球上所有行星的运动。符合托勒密的宇宙体系。 在其他时间，木偶表演真正的戏剧表演。
于是，在布拉格钟楼（建于1402年）中，战斗前，表盘上方的两扇窗户被打开，12个使徒从中走出来。 死神可怕的身影，站在表盘的右侧，转动着镰刀，然后转动着沙漏，随着时钟的每一次敲击，提醒着生命的终结。 站在旁边的男人点了点头，似乎在强调致命的必然性。 表盘的另一边，还有两个人影。 其中一幅描绘了一个手里拿着钱包的男人； 他每隔一小时就敲响躺在那里的硬币，表明时间就是金钱。 另一个人物描绘了一个旅行者用他的手杖有节奏地敲击地面。 她展示了一个人如何随着时间的推移沿着生命的道路或生命的虚荣心前进。 钟声一响，一只公鸡出现了，叫了三声。 基督是最后一个出现在窗户里的，他祝福了站在下面的所有观众。 这种自动机的创建需要特殊的软件设备。 它们是由一个由发条控制的大圆盘启动的。 人物的所有活动部分都有自己的杠杆。 在圆的旋转过程中，当杠杆落入旋转盘的特殊切口和齿中时，它们会上升然后下降。 此外，塔钟有一个单独的战斗机制（许多时钟以不同的方式跳一刻钟、一个小时、中午和午夜），由其自身重量驱动，以及四个表盘（在塔的每一侧）。 在 XNUMX 世纪下半叶，第一次提到制造带有弹簧发动机的手表，这为微型手表的创作铺平了道路。 发条表的驱动能量来源是上弦并倾向于围绕发条转动，发条是一种弹性的、经过仔细硬化的钢带，绕着滚筒内的轴滚动。 弹簧的外端连接到滚筒壁上的钩子上，而内端连接到滚筒轴上。 为了扭转，弹簧使滚筒和与之相关的齿轮旋转，进而将这种运动传递到齿轮系统，直至并包括调节器。 在设计此类手表时，工匠们必须解决几个复杂的技术问题。 主要的一个与发动机本身的运行有关。 事实上，为了时钟的正确运行，发条必须长时间以相同的力作用在轮机构上。 为此，您需要使其缓慢而均匀地展开。 创造弹簧表的动力是便秘的发明，它没有让弹簧立即变直。 它是一个小插销，安装在轮子的齿中，只允许发条松开，使其整个身体同时转动，时钟机构的轮子也随之转动。
由于发条在其展开的不同阶段具有不相等的弹性力，最初的制表师不得不诉诸各种巧妙的技巧以使其走线更加均匀。 后来，当他们学会了如何为手表弹簧制造优质钢材时，就不再需要它们了。 （现在便宜的手表，发条干脆做的够长，设计运行时间约30-36小时，但建议一天同时给手表上一次发条。只在中间部分用力时它的弹性更均匀。）
XNUMX 世纪下半叶，著名的荷兰物理学家惠更斯对时钟机制进行了最重大的改进，他为弹簧钟和重量钟创造了新的调节器。 已经使用了几个世纪的轭有许多缺点。 甚至很难称他为真正意义上的监管者。 毕竟，调节器必须能够以自己的频率独立振荡。 一般来说，摇杆只是一个飞轮。 许多外在因素影响了他的工作，这反映在手表的准确性上。 当钟摆用作调节器时，该机制变得更加完美。
伟大的意大利科学家伽利略·伽利莱第一次想到在最简单的仪器中使用钟摆来测量时间。 有一个传说，1583 年，XNUMX 岁的伽利略在比萨大教堂里，引起了人们对吊灯摇摆的注意。 他注意到，数着脉搏的节拍，枝形吊灯摆动一次的时间保持不变，尽管摆动越来越小。 后来，伽利略开始认真研究摆，发现摆的摆动（幅度）很小（只有几度），摆的摆动周期仅取决于其长度，并且具有恒定的持续时间。 这种振荡被称为等时振荡。 非常重要的是，在等时振荡中，摆的振荡周期不取决于它的质量。 由于这个特性，钟摆被证明是一种非常方便的测量短时间的装置。伽利略在此基础上开发了几个简单的计数器，用于他的实验。 但由于振荡逐渐衰减，钟摆不能用于测量长时间。 摆钟的创造包括将摆锤连接到一个设备上，以保持其振荡并对其进行计数。 在他生命的尽头，伽利略开始设计这样的手表，但事情并没有比发展更进一步。 第一个摆钟是在这位伟大的科学家去世后由他的儿子创造的。 但是，这些手表的装置是严格保密的，因此它们对技术的发展没有任何影响。 独立于伽利略，惠更斯于 1657 年组装了一个机械摆钟。 在用钟摆替换摇杆时，最初的设计师面临一个难题：如前所述，钟摆仅以小幅度产生等时振荡，而主轴擒纵机构则需要大跨度。 在惠更斯的最初几个小时，钟摆的摆动达到了 40-50 度，这对机芯的准确性产生了不利影响。 为了弥补这个缺点，惠更斯不得不表现出独创性的奇迹。 最后，他创造了一个特殊的钟摆，在摆动过程中，它会改变长度并沿摆线曲线摆动。 惠更斯的时钟比摇摆钟精确得多。 他们的每日误差不超过 10 秒（在带有轭式调节器的手表中，误差范围为 15 到 60 分钟）。 1676年左右，英国制表师克莱门特发明了锚式擒纵机构，它非常适合摆钟，摆动幅度很小。 在这种下降设计中，带有托盘的锚安装在钟摆的轴上。 随钟摆摆动，托盘交替地被引入运行轮中，使其旋转服从钟摆的振荡周期。 每摆动一次，轮子就有时间转动一个齿。 多亏了这种触发机制，钟摆受到了周期性的冲击，无法停止。 每当从一个锚齿中释放出来的运行轮以一定的力撞击另一个齿时，就会发生推动。 这种推力从锚传递到钟摆。
惠更斯摆调节器彻底改变了制表技术。 后来，惠更斯努力改进口袋弹簧表。 当时制表师面临的主要问题是创建自己的怀表调节器。 如果即使在静止的塔钟中，摇杆也被认为不够合适，那么对于不断运动、摇摆、摇晃和改变位置的怀表还能说什么呢？ 所有这些波动都对时钟的运行产生了影响。 XNUMX世纪，制表师开始用圆形飞轮代替摇臂形式的两臂式bilyany。 这提高了时钟的性能，但仍然不能令人满意。 调节器的一项重要改进发生在 1674 年，当时惠更斯将一根螺旋弹簧（一根头发）连接到飞轮上。 现在，当轮子偏离中间位置时，头发会作用于它并试图将其返回原位。 然而，巨大的轮子滑过平衡点并朝另一个方向旋转，直到头发再次将其拉回。 因此，创建了第一个具有类似于钟摆特性的平衡调节器或平衡器。 脱离平衡状态后，摆轮的轮子开始围绕其轴线进行振荡运动。 平衡器有一个恒定的振荡周期，但与钟摆不同，它可以在任何位置工作，这对怀表和手表来说非常重要。 惠更斯的改进在弹簧钟中产生了与将钟摆引入固定挂钟相同的革命。
新的调节器需要新的擒纵设计。 在随后的几十年里，不同的制表师开发了几种巧妙的擒纵机构。 1695 年，托马斯·汤皮恩（Thomas Tompion）发明了弹簧表最简单的圆柱形擒纵机构。
Tompion 的启动轮配备了 15 个特殊形状的“有腿”齿。 圆筒本身是一个空心管，上下两端都紧紧地塞满了两根卫生棉条。 在下部卫生棉条上，种植了一个带有头发的平衡器。 当平衡器左右摆动时，气缸也相应地旋转。 圆柱体上有一个 150 度的切口，穿过擒纵轮齿的高度。 当轮子移动时，它的齿一个接一个地交替进入气缸切口。 正因为如此，气缸的等时运动被传递到擒纵轮，并通过它传递到整个机构，平衡器接收到支持其振荡的脉冲。 作者：Ryzhov K.V.
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