Приходило ли вам в голову, что инженеры уже много сотен лет бьются над одним и тем же вопросом и вопрос этот — как достичь постоянного момента?
В настоящее время, этот вопрос легко решается электронными средствами, однако в прошлом, этот вопрос был решён множеством оригинальных способов, и, предупреждая вопросы: не все из них применимы в каждом случае, из-за чего и продолжается до сих пор эта «бесконечная гонка», имеющая (и имевшая ранее) существенные последствия, повлиявшие на всё человечество!
Итак, о чём идёт речь?
Наверняка, каждый из вас, экспериментируя с объектами мира, делал следующее наблюдение: большинство простых (то есть, специально не сконструированных для этого) предметов, если постараться их изогнуть, то есть деформировать, где при этом сам предмет предрасположен к такой деформации, будут демонстрировать изменяющийся момент, по мере деформации: например, если попробовать изогнуть ветку дерева, то можно будет наблюдать, как усилие, требующееся для деформации, будет расти, по мере увеличения изгиба.
Или же, к примеру, если попробовать растянуть резиновый предмет, то можно будет видеть, что сила его сопротивления будет нарастать, по мере растяжения (впрочем, это не является секретом для тех, кто в детстве баловался с рогатками :-)).
Казалось бы: «ну да, всё логично, и чего тут такого?» однако, есть как минимум один, широко известный объект, для которого подобное поведение «сути вещей» не является позитивным явлением и с ним стараются всячески бороться — если вы ещё не догадались, то подскажу: обычные часы!
Представьте, что механические часы (а большую часть истории человечества они были именно механическими!) вели бы себя ровно в той же логике, что и другие объекты материального мира: в самом начале, когда пружина заведена на максимум — они шли бы быстро, а когда пружина начинает приближаться к концу завода — всё более и более замедлялись!
Хорошая бы получилось картина: люди всюду бы опаздывали, времена года наступали бы «неожиданно», мореплаватели пропускали нужные координаты и т. Д. и т.п. :-D
Кто знает, оказались ли бы мы в данный момент в этой точке, если бы история пошла по другому пути? ;-)
Согласно ряду источников, появление первых носимых механических часов относится к XV веку (об этом же, кстати, говорит и Т.А.Гевондян, в своей книге «Пружинные двигатели»), где благодаря трудам нюрнбергского мастера Петера Хейнляйна, появилась первая плоская спиральная пружина, благодаря чему, часовой механизм получил компактный источник энергии, сделавший возможным носимые механизмы.
Практически сразу стало понятно, что пружинный двигатель имеет критическую проблему, по сравнению с предыдущим, гиревого типа (наподобие часов-ходиков с кукушкой, у бабушек-прабабушек).
Суть проблемы заключалась в том, что момент у взведённой пружины меняется, по мере взведения/ослабления, что отрицательно влияет на ход часов — и если не предпринять контрмер, то часы будут всё более замедляться, по мере траты завода пружины.
Кстати говоря, вы, наверное, догадались, почему подобная проблема не наблюдается у гиревых часов: источником их энергии является вес (обычно гири), подвешенный на цепи, где сила тяжести постоянна, — соответственно, сохраняется постоянным и приводящей часы в действие момент:
Впрочем, гиревые часы в кармане не поносишь, соответственно, и история пошла в другом направлении, где, зная «родовую» проблему спиральной пружины было найдено несколько решений…
Итак, прошу любить и жаловать первое решение — Фузея (от франц. Fusée — проволока, намотанная на шпиндель):
И тут, наверняка, кто-то воскликнет: «да это же… древний вариатор, разрази меня гром!» — и будет прав. В смысле, не про гром :-D, а про вариатор (показан ниже, для примера):
Таким образом, на картинке выше, где показана фузея, мы видим, что барабан (внутри него крепится пружина) и конус (который, уже в свою очередь, и вращает через зубчатую передачу остальной механизм) связаны между собой цепью или шнуром:
Итак, мы видим, что фузея на практике реализует простой принцип — по мере того, как сила пружины спадает, фузея предоставляет возможность вращать механизм часов всё легче и легче, чтобы всё более слабеющая пружина могла справляться с этим усилием; в свою очередь, часовой механизм постоянно получает один и тот же приводной момент!
На этом, чудеса механики не заканчиваются! Следующий наш претендент, если бы появился в наше время, — я бы ему, пожалуй, отдал на откуп функционал некоего FIFO — как асинхронной развязки для потоков данных из области микроэлектроники. :-D
Впрочем, наш следующий красавец появился в те года, когда даже пра-пра-пра-пра….бабушки знать не знали что такое микроэлектроника, :-D — а посему, он получил труднопроизносимое фривольное название Remontoire (даже не знаю, как это произнести правильно… Ремонтьё? Ремонтуар? :-D) — происходящее от французского «заводить».
Итак, встречайте: на сцене механический FIFO (а может, развязка между клок-доменами? Хммм…надо подумать, что сюда лучше подходит из области современной микроэлектроники…), вся суть работы которого заключается в том, что что он накапливает момент от основной пружины, вращающейся с изменяющимся моментом, после чего, передаёт всегда постоянный момент основному механизму часов.
Обычно, если вам до этого не приходилось сталкиваться с изучением механизма часов, то, кажется, что там происходит какая-то какофония и очень сложно понять, где что (причём, даже глядя на схемы! — по крайней мере, так было со мной).
Поэтому, предлагаю посмотреть на следующее видео, где показан более продвинутый вариант привода, где используется две приводные пружины одновременно — но для нас не это важно, а то, что показано на 2:00 — если поставить на паузу на этом моменте, то, видно, что главное зубчатое колесо с приводной пружиной находится в правом верхнем углу, а ремонтуар — в левом нижнем углу:
Кроме того, можно проследить, как работает ремонтуар, постепенно накапливая энергию, если перемотать на 1:20, откуда даётся подробное пояснение как это работает, с анимацией.
Как можно догадаться даже по скромным размерам ремонтуара, его основной целью не является накопление больших количеств энергии впрок — в среднем, он накапливает существенно менее 1% от энергии основной пружины, и его основной задачей является, как уже было сказано, выдача строго дозированных импульсов тяги основному механизму часов, вне зависимости от того, в каком состоянии находится основная пружина.
Ещё одним альтернативным вариантом обеспечения постоянства момента (относительного) является использование одного из старейших механизмов, носящих название «женевского стопора» в составе которого присутствует и «мальтийский крест», основной сутью которого является обеспечение прерывистого движения, что используется в кинопроекторах:
Однако, так было не всегда, и прерывистое движение подобного механизма в прошлом использовалось (да и сейчас может быть использовано) для весьма интересной задачи — отсекания области слишком сильного и слишком слабого моментов, при заводе часовой пружины, которые, соответственно, наблюдаются в самом начале и самом конце раскручивающейся приводной пружины часов:
Как можно видеть по графику выше, несмотря на отсекание начала и конца слишком крутых изменений момента, оставшаяся относительно горизонтальная часть не является идеальной и может рассматриваться только как область относительного постоянства момента, — таким образом, результат работы подобного механизма не идеален, однако, из-за простоты реализации он широко распространился.
На анимации чуть выше, мы видели, как работают механизмы подобного рода и, в реализации для часов, подобный механизм выглядит следующим образом:
Как можно видеть, механизм утоплен внутрь основной приводной шестерни, связанной с основной приводной пружиной.
Ключевыми моментами, которые мы можем увидеть на картинке выше являются три:
Основная приводная шестерня, к которой и прикреплён механизм, в процессе завода человеком/траты завода пружины делает несколько оборотов, где небольшой диск с выступом, прикреплённый к основной пружине, проходит несколько раз через вогнутые части крестовины, не встречая сопротивления;
Однако, один из лучей крестовины имеет выпуклость, в которую упирается и останавливается основная приводная шестерня, в определённый момент — этот выпуклый выступ на луче крестовины и является стопором;
Количество вырезов в крестовине (равно как и вогнутых частей) подбирается таким образом (для каждого конкретного механизма оно может быть разным — постоянным остаётся только сам принцип), чтобы основная шестерня совершила то количество оборотов, которое будет соответствовать основной пологой части графика, который мы видели выше. Наглядно это показано на модифицированном графике ниже:
На картинке выше мы видим, что пружина на заводе была подобрана такой длины, чтобы основная приводная шестерня, соединённая с ней, могла совершить 6 полных оборотов, однако, благодаря всего лишь 4 выемкам в крестовине — шестерня может совершить не 6, а только лишь 4 оборота, где по одному обороту отсекается — в самом начале и в самом конце.
Очень простая в реализации и действенная идея (но не самая эффективная)!
С исторической точки зрения, фузея (примерно XV век), мальтийский крест (примерно XVI…XVII века) и ремонтуар (примерно XVII век), появлялись именно в таком порядке, как перечислено здесь, из чего не трудно сделать вывод, что самым совершенным из механических средств выравнивания момента является именно ремонтуар и это будет правдой: в среднем, одно только его использование позволяет добиться точности хода механических часов с отклонением в 1-2 секунды в сутки ( а без него было бы многократно хуже), что является отличным показателем для механических часов.
На первый взгляд, казалось бы, вот и всё? Арсенал инженерных трюков исчерпан? :-)
А вот и нет: примерно в середине XX века появилось очередное прорывное изобретение в этой области для стабилизации момента, которого не существовало ранее: использование пружин постоянного момента.
Что это такое: если ранее инженеры использовали скручивание пружины, где сила противодействия скручиванию была равномерно распределена между всеми витками (соответственно, вызывая «плавание» момента, в зависимости от фазы скрутки), с последующими «костылями» для выравнивания проблем момента, то в 1940-1960-e годы, американский изобретатель Филипп К.Кларк (Philip C.Clarke) разработал и запатентовал следующее: а что, если, термически закалить стальную ленту таким образом, чтобы её естественным состоянием было «скрученное в плотный рулон»?
После чего, если такую ленту начать перематывать на другой рулон, то изгибные силы противодействия будут всегда постоянными! Сказано — сделано и свет увидело новое устройство, интересной конструкции:
И вот как оно выглядит в работе:
Уверен, что на этом моменте, многие снова сказали себе: «оппаньки, да это же…» — да-да, полностью согласен с вами :-) — именно так и работает ваша любимая строительная измерительная рулетка, сматывание провода внутрь пылесоса и т.д.!
Только там, это сделано в более компактном другом варианте: не так, как здесь, удобно для демонстрации: два отдельных барабана… — там всё это собрано в виде компоновки «барабан в барабане», таким образом, раскручивая внешний барабан — например, представленный намоткой провода или измерительной ленты рулетки — вы одновременно как бы стремитесь раскрутить барабан с пружинной лентой и намотать его на другой, внешний барабан! Принцип тот же самый, что и в видео выше, только реализация несколько иная…
При этом, сразу надо отметить, что самый ровный момент достигается всё-таки не в случае компоновки одного барабана внутри другого, а при перематывании в чистом виде с одного барабана на другой — и именно это является ограничителем, из-за чего подобное новое изобретение широко не распространилось в часовом деле: получаются слишком большие габариты …
Что, впрочем, не останавливает некоторых изготовителей особо дорогих часовых механизмов, где габариты это дело десятое (впрочем, как и цена)…
Не знаю как вы, но мне всегда было интересно — может быть это и не было оформлено в виде какой-то конкретной мысли, но «в виде ощущений» мне всегда казалось — «что-то не так с этим намотчиком провода пылесоса! Что-то там странное внутри творится…» :-)
И теперь я знаю что. И вы теперь знаете. Мы все теперь — Носители Главного Секрета: Как Достичь Постоянного Момента! :-)
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
