Вначале шли по пути поиска металлов с минимальным коэффициентом температурного расширения. И оказалось, что меньше всего температура влияет на… дерево. Мятники дешевых, но достаточно точных часов стали делать из пихты. Однако у дерева был свой недостаток: на него влияла влажность. Для часов особо высокой точности был создан компенсационный маятник, состоящий из центрального стержня с перемычкой на конце (рис. 5).
Рис. 5. Компенсационный маятник.
На ней укреплялись два стержня, идущие вверх, а к ним крепились соединенные с грузом стержни, идущие вниз. Если температура маятника снижалась, то за счет этого центральный стержень тянул груз вверх, а два ближайших к нему стержня — вниз. Подбирая сорта металла с различными коэффициентами теплового расширения, удалось получать маятники, на которые температура практически не влияла. Но проблемы оставались.
К концу завода пружины часов амплитуда и период колебаний маятника уменьшались, часы начинали отставать. В стремлении повысить точность хода изобретатели создали немало механизмов, способствующих сохранению постоянства амплитуды. Но работы шли и в ином направлении. Создавались маятники, период колебаний которых от амплитуды не зависел вообще. Их называют «таутохронными», что в переводе с греческого означает «равновременные».
Первую и самую изящную конструкцию такого маятника предложил сам X. Гюйгенс (рис. 6).
Рис. 6. Таутохронный маятник.
Такой маятник делают гибким у точки подвеса. При каждом колебании он огибает один из шаблонов особой формы. В результате груз немного поднимается и движется уже не по окружности, а по кривой, называемой циклоидой. Свойства ее удивительны. Если, например, построить снежную гору такой формы, то сани, стартующие с любой ее точки, окажутся внизу за один и тот же промежуток времени. То же самое, хоть он и не скользит, а движется под действием натяжения нити, происходит и с грузом маятника. Здесь важно лишь то, что тело движется по циклоиде. Такой маятник при любой амплитуде качается с одной и той же частотой.
Таутохронный маятник был применен в сверхточных часах, которые в 50-е годы отсчитывали время нашей страны. Сами часы размещались в подвале на глубине двадцать метров и были заключены в сосуде, из которого откачали воздух. Маятник подвесили не на шарнире, а на тонкой и гибкой металлической ленте, которая огибала два точно выполненных шаблона. Энергию маятник получал от электрического источника бесперебойного питания. Показания часов по электрическому кабелю подавались на стрелочные циферблаты, расположенные в различных учреждениях страны. Сигналы точного времени передавались по радио несколько раз в сутки.
Все эти меры оберегали часы от колебаний температуры, колебаний напряжения сети, сотрясений. Глубина подвала позволяла часам продолжать работу даже после взрыва атомной бомбы.
Любопытно, что все современные часы сохранили принцип построения, предложенный еще Галилеем. Они состоят из некоего устройства, колеблющегося с постоянной частотой, и устройства для отсчета числа его колебаний, которое выдает результаты своей работы на циферблат или другой индикатор.
Механизм часов по проекту Г. Галилея.
Сегодня маятники и балансиры заменили камертоны и пластинки кварца. Частота колебаний этих устройств в сотни и тысячи раз выше, поэтому для отсчета числа колебаний применяют не шестеренки, а электронные счетчики, показания которых выводят на цифровое табло или циферблат. Так устроены все современные часы, работающие от батареек. Производство «начинки» таких часов обходится очень дешево, а работает она точно, надежно и долго. Вполне естественно, что «начинку» ставят в красивые, порою богато оформленные корпуса.
В заключение отметим, что есть сегодня и единственные на всю страну сверхточные часы. Они также устроены по схеме Галилея — Гюйгенса, только вместо маятника в них используются колебания атомов. Точность таких часов плюс-минус одна секунда за сто лет.
А. ИЛЬИН