Измерение времени между секундами: вся правда о высокочастотных механизмах

В спецификации современных механических часов почти всегда упоминается частота баланса механизма, измеряемая в Герцах (Гц) или полуколебаниях в час (пк/ч). Обычно ее значение находится в пределах от 2,5 до 5 Гц (или от 18 000 до 36 000 пк/ч). Бытует мнение, что чем выше частота, тем точнее механизм. Если это так, то зачем выпускаются механизмы с частотой ниже 5 Гц и что произойдет при ее увеличении до 10 Гц или выше?

В этой статье мы разберем некоторые вопросы о высокочастотных механических часах. Но сначала немного теории.

Что такое частота баланса?

Часовой механизм включает в себя источник энергии (заводная пружина), средства ее передачи (набор зубчатых колес) и регулятор точности (узел «баланс-спираль»). Энергия пружины поступает через набор зубчатых колес и анкерное колесо на балансовый узел.

Timegrapher

Анкерная вилка входит в зацепление с анкерным колесом с помощью двух рубиновых палет, осуществляя таким образом разделение непрерывного потока энергии на равные интервалы и ее передачу на импульсный камень. В конечном итоге энергия высвобождается через колебания колеса баланса в двух направлениях: поворачиваясь в одну сторону, оно закручивает спираль, затем останавливается и под воздействием силы упругости спирали, стремящейся придать ей первоначальную форму, совершает движение в обратную сторону.

Число полных колебаний баланса за одну секунду называется частотой колебаний (Гц). В часовом мире значение частоты принято указывать в  полуколебаниях в час (пк/ч). Для примера рассмотрим механизм с паспортной частотой 28 800 пк/ч (4 Гц). Поскольку каждое колебание состоит из двух полуколебаний, баланс с частотой 4 Гц совершает 8 полуколебаний в секунду (спираль баланса при этом сжимается и разжимается по 4 раза), что равно 480 полуколебаний в минуту или 28 800 полуколебаний в час. Каждое полуколебание сдвигает секундную стрелку на 1/8 деления. Таким образом, чем выше частота, тем плавнее движется секундная стрелка.

Кварц против механики: частота в кварцевых часах

Большинство современных механических часов работают на частотах от 2,5 до 4 Гц. Очевидно, что с увеличением частоты наступает некий предел в связи с повышением вероятности энергетической асфиксии, при которой анкерное колесо и вся колесная передача полностью сбиваются с такта и заданной скорости.

Кварцевые часы лишены подобных недостатков. Вместо пульсирующей спирали механического баланса в кварцевых механизмах регулятором точности является кристалл кварца, генерирующий электрический импульс благодаря своим уникальным пьезоэлектрическим свойствам. Электронный блок, стабилизированный кварцевым резонатором, вырабатывает 32 768 колебаний в секунду и преобразует их в импульсы частотой 1 Гц, которые подаются на обмотку шагового электродвигателя, а он в свою очередь передвигает стрелки на циферблате.

Bathys Hawaii Cesium-133

Наручные атомные часы американской компании Bathys Hawaii

Стандартная частота кварцевых часов равна 32 768 Гц, что примерно в 10 тысяч раз больше, чем число колебаний баланса в механических часах. Существуют и более высокочастотные кварцевые механизмы на 144 и 262 кГц. Но настоящим чемпионом следует считать высокоточные атомные часы на цезии-133 с величиной частоты, похожей на телефонный номер с кодом страны: 9 192 631 770 Гц.

Повышается ли точность с увеличением частоты?

Механический калибр класса хронометр сохраняет точность в пределах -4 / +6 секунд в сутки, или около 36 минут в год.

Кварцевый механизм отклоняется всего на 0,007 секунды в сутки, или 25 секунд в год.

Погрешность атомных часов составляет 1 секунду за 300 миллионов лет.

Из приведенных примеров можно сделать вывод, что чем выше частота, тем точнее ходят часы, однако это верно лишь отчасти. Дело в том, что именно стабильный колебательный узел, а не самый быстрый, позволяет часам демонстрировать оптимальную точность.

Разница в точности между кварцевыми и механическими часами зависит не столько от частоты, сколько от факторов, негативно влияющих на ход механизма: сил тяжести и трения, перепадов температуры и внешних физических воздействий вроде тряски или ударов.

В теории при постоянной температуре и неизменной энергии заводной пружины, нулевой силе тяжести, отсутствии силы трения и намагниченности механический калибр с любой частотой способен конкурировать с кварцевым механизмом. В реальных же условиях кварцевый механизм выигрывает за счет превосходной стабильности, лежащей в основе кварцевого генератора. Сила тяжести не оказывает заметного влияния на колебания кварца, батарейка постоянного тока обеспечивает стабильное электропитание, и даже температурные перепады можно компенсировать.

Теперь затронем другой вопрос — в чем разница между механическими калибрами с частотами 2,5 и 5 Гц? Оба механизма могут работать очень точно. Наибольшее значение имеют особенности их конструкции, используемые материалы, качество изготовления и обработки деталей, а решающее влияние на точность оказывают равновесие колеса баланса и изменения амплитуды, вызванные неравномерностью крутящего момента заводной пружины.

Leroy Chronometre Observatoire

Leroy Chronomètre Observatoire

Приведем несколько примеров хронометров и высококлассных часов, работающих на частоте ниже 4 Гц: Observatoire Leroy Chronomètre и Ferdinand Berthoud Chronomètre FB 1 (2,5 и 3 Гц соответственно).

Ferdinand Berthoud Chronometre FB 1

Ferdinand Berthoud Chronomètre FB 1

Antoine Martin Slow Runner

Antoine Martin Slow Runner

Antoine Martin Slow Runner

Массивное колесо баланса Antoine Martin Slow Runner

В некоторых из этих часов размер балансового колеса значительно увеличен: таким способом часовщики добиваются повышения момента инерции. Это особенно заметно в авангардных часах Antoine Martin «Slow Runner» с гигантским 24-миллиметровым колесом баланса, «тикающем» на рекордно низкой частоте всего в 1 Гц!

Чем хороши высокочастотные механизмы?

Если механизмы с частотой 4 Гц и ниже способны демонстрировать идеальную точность, то почему главный упор в рекламе часов с высокочастотным балансом вроде Grand Seiko Hi-Beat (5 Гц) или Chopard L.U.C. 8HF (8 Гц) делается на повышенную точность?

Это связано с тем, что высокая частота обеспечивает немного более стабильный ход.

Как уже упоминалось, часовщики находятся в постоянной борьбе с различными факторами, вызывающими колебания стабильности. Механические часы в состоянии показывать отличную точность с умеренной или низкой частотой, и ее повышение — последний аргумент, который можно бросить на алтарь точности. Однако в часовом деле всегда важно найти компромисс: высокочастотные часы имеют сокращенный межсервисный интервал из-за повышенного трения, ведущего к преждевременному износу. За год постоянного ношения механизм на 5 Гц совершает на 63 миллиона колебаний больше аналогичного калибра на 4 Гц.

Breguet Classique Chronometrie 7727

Breguet Classique Chronométrie Reference 7727

Проблема трения заставляет часовщиков прибегать к инновационным решениям. Например, в часах Breguet Classique Chronométrie 7727 (10 Гц) спираль баланса, анкерная вилка и анкерное колесо изготовлены из кремния, а на концах оси колеса баланса установлены два мощных микромагнита. Поле, создаваемое микромагнитами, преодолевает гравитацию, что существенно снижает силу трения и позиционную погрешность хода.

Кремний обладает малым весом и низким коэффициентом трения, что позволяет создавать высокочастотные механизмы с минимальным износом деталей.

Итак, часы с высокочастотным балансом имеют чуть более стабильный и точный ход, но при этом стоят ужасно дорого. Получается, что хорошо сконструированный и настроенный механизм на 4-5 Гц представляет собой золотую середину между точностью и ценой.

Улучшается ли противоударность с повышением частоты?

Благодаря отличной стабильности высокочастотным часам часто приписывают повышенные противоударные свойства. Это связано с тем, что они лучше справляются с эффектом силы тяжести, давящей на баланс под разными углами, или в случае падения или удара.

Представим два автомобиля, проезжающих по одной и той же выбоине на дороге: один из них едет со скоростью 30 км/ч, а другой — 80 км/ч. Оба автомобиля подвергаются встряске, однако автомобиль, двигающийся медленнее, испытывает ее дольше по времени. Аналогичным образом следует, что чем выше частота баланса, тем быстрее он восстанавливается после встряски или удара.

Хотя состояние высокочастотного механизма меньше зависит от физического воздействия по сравнению с низкочастотным аналогом, следует сделать три важных оговорки. Во-первых, как и с точностью, увеличение балансовой частоты является лишь одним из нескольких способов противодействия ударным нагрузкам на часы.

Incabloc

Противоударная система Incabloc

Противоударная система Incabloc, повсеместно используемая в современных механических калибрах («часовой парашют», изобретенный Авраамом-Луи Бреге в 1790 году) и другие подобные амортизаторы, размещаемые на балансовом мосту, в наибольшей степени способствуют ударопрочным качествам часов.

Во-вторых, стоит помнить, что главная цель противоударного устройства — защита деталей от повреждений. Очевидно, что сбой нескольких вибраций из-за удара не приводит к таким же ощутимым потерям точности, как погнутые или сломанные цапфы оси баланса.

В-третьих, еще одним способом усиления противоударных качеств баланса является повышение момента инерции. Как мы уже говорили, это достигается за счет увеличения веса и/или размера балансового колеса, что, в свою очередь, приводит к снижению частоты.

На данный момент не существует объективной статистики по результатам физического воздействия на механизмы в частотном диапазоне от 2,5 до 5 Гц. Речь может идти лишь о неких неуловимых различиях, на которых не стоит заострять внимание: их лучше использовать в маркетинговых целях, чем на практике.

Audemars Piguet Royal Oak Offshore Diver

Audemars Piguet Royal Oak Offshore Diver

Именно по этой причине по-прежнему выпускаются такие часы, как «дайвер» Audemars Piguet Royal Oak Offshore на калибре AP3120, оснащенном балансом Gyromax с частотой всего 3 Гц, но имеющим восемь инерционных грузиков для тонкой регулировки.

Повышается ли точность хронографа с увеличением частоты?

Здесь все предельно ясно: чем выше частота баланса, тем точнее показания хронографа.

Возьмем две измерительные линейки длиной один метр: одна имеет шкалу делений на 100 см, а другая – на 1000 мм. Обе линейки измеряют метр с равной точностью, как и расстояние до ближайшего сантиметра. Но только одна из них способна измерить расстояние с точностью до миллиметра. Эта логика применима и к частоте механизма: любой механический хронограф можно настроить на измерение часов, минут и секунд. Но когда дело доходит до максимально точного измерения отрезка времени между секундами, на первый план выходит значение частоты баланса.

Баланс на 4 Гц совершает 8 пк/с, соответственно каждое полуколебание сдвигает секундную стрелку на 1/8 деления. Аналогично, баланс на 5 Гц делит промежуток между секундами на 10 делений.

Zenith El Primero Striking Tenth

Zenith El Primero Striking Tenth

Например, Zenith El Primero Striking Tenth на основе легендарного калибра El Primero (5 Гц), в котором центральная секундная стрелка хронографа совершает полный оборот за 10 секунд и замеряет время с точностью до десятых долей секунды.

A. Lange & Söhne Datograph Up/Down

A. Lange & Söhne Datograph Up/Down

В обычных низкочастотных хронографах часовщики иногда добавляют соответствующие деления между секундными метками.  A. Lange & Söhne Datograph Up/Down имеет пять промежуточных делений между секундными метками, позволяя считывать время до 1/5 секунды – неплохо для 2,5 Гц.

Каков предел повышения частоты?

Чем выше частота, тем выше нагрузка на анкерное колесо, и ему все сложнее выдерживать задаваемый темп. Предельной частотой традиционного швейцарского анкерного спуска считается 3 600 000 пк/ч, при достижении которой наступает энергетическая асфиксия. Поэтому крупным компаниям приходится разрабатывать собственные решения.

TAG Heuer Mikrotimer Flying 1000

Например, модель TAG Heuer Mikrotimer Flying 1000 оснащена модулем хронографа, способным замерять время с точностью до 1/1000 секунды (500 Гц). Балансовое колесо в нем отсутствует, а сверхскоростная спираль запускается и останавливается напрямую стыковочной втулкой, расположенной в нижней части ее оси.

TAG Heuer Mikrotimer Flying 1000

Спусковой механизм TAG Heuer Mikrotimer Flying 1000

В своей следующей концептуальной модели Mikrogirder компания полностью отказалась от элементов традиционного анкерного спуска в пользу фирменного изобретения — стержневого регулятора, что позволило развить частоту до фантастических 1000 Гц (7 200 000 пк/ч).

Вам может также понравиться...

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Вы не можете скопировать содержимое этой страницы

Яндекс.Метрика