Часовой механизм Кокса — Вечный вопрос потомкам. Вечные часы. “Вечные” часы

Йоганн Йоахим Бехер (1635...1682), основатель когда-то весьма популярной теории флогистона, выбрал для своих вечных часов в качестве источника привода воду, стекающую во время дождя с крыши дома. Нет сомнения, что все же самым благодарным и самым надежным источником силы привода были изменения барометрического давления или температуры воздуха.

Швейцарские «вечные» часы «Атмос»

Существует много типов «вечных» часов, использующих изменения температуры и давления. Вероятно, наиболее распространенным типом таких часов являются швейцарские часы «Атмос» (рис. 44). Цилиндрический сосуд в задней части прибора заполнен этилхлоридом и герметически закрыт. В сосуде находятся металлические мехи, составленные из круглых мембран, причем мехи растягиваются пружиной. Если в комнате повышается температура, то этилхлорид расширяется и сжимает мехи. При понижении температуры мембранная пружина возвращает мехи в первоначальное положение. Движение мехов передается на вал заводного механизма барабана пружины обычных часов с торсионным маятником. Изменения температуры на 1°C достаточно, чтобы завести пружину на 28 ч хода.

Часы с таким торсионным маятником, известные среди коллекционеров исторических часов под названием «годовые часы», выпускаются и в более обычном варианте с обычным пружинным двигателем. В маленькую вилку, укрепленную на струне-торсионе вблизи места ее подвески, заходило длинное плечо анкера, специально приспособленное для этой цели. Плечо при повороте вилки дает это движение на анкер спускового механизма и этим освобождает спуск часов. Спуск вследствие этого передает в обратном направлении импульсы привода вилке и струне торсионного маятника. Годовые часы производились еще совсем недавно, перед самой второй мировой войной, но их принцип весьма старый. Он разработан был уже в XVIII в. такими часовщиками, как Томпион (около 1713 г.), Деландер (1721 г.), Камю (1722 г.), Кваре (1724 г.). В промышленных масштабах такие часы стали производить в 80-х годах прошлого века. В современном исполнении такие часы появились и на нынешних зарубежных рынках.

К специальным часам относят так называемые лепестковые (календарные) часы , но теперь, в период появления и развития цифровой индикации времени такие часы почти утратили свою необычность. Необычным у них был только лепестковый часовой и минутный циферблат с механизмом для переворачивания лепестков – листочков точно через минутные интервалы. Основой таких часов опять-таки был совершенно обычный балансовый пружинный механизм, расположенный в нижней части футляра с циферблатами. В Европе такие часы распространились на рубеже XIX и XX вв.; они появились из США, где в 1902 г. их запатентовал Э.Л. Фитч. Еще перед первой мировой войной такие часы стали производить и некоторые немецкие фирмы.

"Вечные" часы

Однажды в далекие теперь годы существования Советского Союза я купил радиоконструктор для сборки электронных часов. Схема у них была такая:

Как истинный радиолюбитель, я решил, что собирать просто по готовой схеме неинтересно. Родился грандиозный замысел сделать "вечные" часы, то есть часы, которые будут точно идти всегда, несмотря ни на какие превратности судьбы в виде потери питания и отклонения частоты кварца от идеальной, причем все это без участия человека!

Для этого была собрана схема автоматической ежесуточной (в полночь) коррекции по сигналам точного времени, а также схема контроля напряжения аккумулятора 7Д-0,1 и автоматического подзаряда его в течение положенных 15 часов.

Кроме этого, был предусмотрен будильник, который мог или просто сигналить в течение одной минуты, или включать после этого встроенный приемник, или вместо этого включать какую-нибудь внешнюю нагрузку.

Схема собиралась в условиях дефицита радиодеталей, поэтому не детали доставались для схемы, а схема разрабатывалась под имеющиеся детали. Между прочим, этот подход много дал мне в плане понимания работы электронных схем и умения найти выход из любой ситуации.

Вот первый лист схемы (изменения карандашом сделаны значительно позже):

Куча переключателей здесь служит для установки времени срабатывания будильника; диоды V21-V28 входят в дешифратор автоматического корректора.

Второй лист схемы:

Здесь на микросхеме А1 собран приемник, настроенный на радиостанцию "Маяк" в диапазоне средних волн. На транзисторе V86 и элементе D3.2 собран триггер Шмитта, преобразующий сигналы точного времени (СТВ) в прямоугольные импульсы.

6-разрядный счетчик на триггерах D5-D7 выполняет две функции. Каждые сутки в 23 часа 59 минут на него подается питание и он начинает считать секунды. В 23 часа 59 минут 52 секунды он сбрасывается, а его вход (D5:11) подключается к схеме приема СТВ. По шестому СТВ происходит полный сброс часов и возврат в исходное состояние.

На транзисторах V71 и V74 собран триггер Шмитта, срабатывающий при низком напряжении аккумулятора и подающий питание на счетчик D2, отсчитывающий 15 часов заряда аккумулятора. Первоначально из-за применения 155-ой серии с большим потреблением тока был риск полного разряда аккумулятора в ожидании появления сетевого напряжения. Для исключения такой ситуации счетчик был переделан с применением 176-ой серии:

Еще позже я совсем отказался от схемы зарядки по счетчику и сделал постоянный подзаряд аккумулятора через резистор параллельно диоду V68 (см. лист 1). При этом напряжение питания схемы было поднято до 10 В.

В таком виде часы прекрасно работали лет 15 и были, естественно, самыми точными в доме.

После развала Советского Союза по не известным мне причинам постепенно стал слабеть сигнал радиостанции "Маяк" на средних волнах. Простейший приемник прямого усиления, примененный в этих часах, перестал давать удовлетворительный уровень сигнала и коррекция тоже перестала работать. Увеличение усиления промежуточного каскада на V83 выручило ненадолго. Пришлось собирать приемник, работающий на УКВ:

Дело осложнялось тем, что в диапазоне УКВ радиопередачи не прерывались для передачи СТВ, они просто накладывались друг на друга. Поэтому схема приемника получилась заметно сложнее.

Во-первых, пришлось ввести фильтр на частоту 4,1 кГц на 140УД1А.

Во-вторых, новый СТВ был одиночным длительностью около 0,25 с. Счетчик до 6 стал ненужным, а для повышения помехоустойчивости была введена схема из двух ждущих мультивибраторов на 176ЛЕ10 и 176ЛП2, которая разрешала сброс часов только в интервале 0,2-0,3 с от начала импульса СТВ.

Несмотря на все эти ухищрения, добиться нормальной работы корректора не удалось, и сейчас он не используется, но часы работают до сих пор без поломок и ремонта с 1983 года! Даже ни один электролит не был заменен - видимо, в советское время они были качественнее. Вот их теперешний вид:

Джеймс Кокс — человек, построивший действовавший вечный двигатель. А механизм, созданный им в середине 18 века, сохранился и до наших дней. Устройство под названием «Вечный Двигатель» представляло собой тщательно изготовленные и превосходно сконструированные часы, приводимые в действие за счёт перепадов атмосферного давления. Основное отличие перпетуум мобиле Кокса от всего множества иных, созданных ранее и в последующие годы, механизмов вечного движения, заключалось в следующем. Часовых дел мастер не ставил главной целью выработать энергию, так как хорошо понимал неосуществимость такой задачи, он пытался использовать ту энергию, которую возможно было получить непосредственно в самой природе и, главное, без участия человека. Его «вечный» двигатель приводился в действие с помощью природных сил. Сам Кокс описывает своё детище как механические и философские часы, которые вопреки мнению скептиков доведены до наивысшего совершенства благодаря огромному труду, бесконечным испытаниям и огромным денежным затратам.

По своему внешнему виду часы ничем не отличались от других существовавших в то время часов. Но в самом механизме имелись существенные отличия. Создан он был таким образом, чтобы свести к минимуму трение, а в последствии, и износ деталей. Механизм рассчитывался на очень долгую работу: детали не нуждались в смазке, а подшипники изготовлены на драгоценных минералах. Имелся пыленепроницаемый стеклянный колпак, который увеличивал запас долговечности, ведь трение запыленных поверхностей вызывало износ, и ускоряло порчу часов.

Для начала необходимо ознакомиться с действием барометрических сил, так как действие «вечных» часов основано на подъеме и падении ртути в необычном барометре. Ртуть — самая тяжелая жидкость на Земле. Поэтому размер ртутного барометра намного меньше размера барометра с другой жидкость. Также существует зависимость между площадью поверхности ртути в резервуаре часов и выделением энергии, которая способна совершать полезную работу: чем больше площадь, тем больше выделяется энергии при подъеме и опускании ртути. Поэтому в барометре, который приводил в действие «Вечные» часы Кокса, находилось примерно 150 фунтов ртути. Хорошо выполненный барометр может работать «вечно» (если его не уронить или разбить), так как его части не изнашиваются. Теперь обратимся конкретно к самим часам.Самозавод в часах Джеймса Кокса осуществлялся при помощи присоединенного к нему барометра. Конструкция всего механизма часов была устроена так, вне независимости от того, опускается или поднимается ртуть в барометре, колесо, которое соединяло барометр с часовым механизмом, постоянно вращалось в одном и том же направлении. Поэтому грузы всегда поднимались вверх, сообщая движение часам. Самые серьёзные проблемы при конструировании своих часов возникли у мастера с изменением атмосферного давления. Хотя оно было незначительным и едва ощутимым, но слишком большим для нормального функционирования механизма подзавода; оно могло привести к ускоренному вращению колеса, а в дальнейшем к повреждению цепи с крепящимися на ней грузами. Механик справился с задачей и довольно успешно: он добавил к механизму такое устройство, которое могло выводить колесо из заклинивания, если грузы находились в верхней точке траектории своего движения, и снова «включать» его после того, как грузы опускались на определённое расстояние.

На рисунке изображёны общего вида «Вечный Двигатель» и «барометрический механизм подзавода» (слева). Важные элементы устройства — два рычага — качения Аа и Bb. К концу каждого из этих рычагов при помощи стержней присоединена рама F, установленная на шарнире. К самой раме прикреплена колба барометра H, трубка её опущена в стеклянный сосуд К с ртутью, который подвешен на стержнях к рычагам-качения. Непосредственно сам способ соединения узлов и элементов механизма — важная часть изобретения. Стержни, которые поддерживают колбу, закреплены в точках А и b; сосуд установлен в подвешенном состоянии в противоположных концах рычагов — В и а. Такое соединение рычагов с элементами барометра приводит к подъему колбы, которая заставляет сосуд опускаться, и, наоборот, если колба опускается, сосуд поднимается, так как один конец рычага двигается вверх, а другой — вниз. Сосуд открыт сверху и под действием атмосферного давления часть ртути попадает в колбу. Тогда увеличивается вес колбы, и она движется вниз, а если ртуть течёт из колбы в сосуд — колба легчает и поднимается вверх. Рама F с присоединенной к ней рамой М (часть механизма подзавода) вместе с колбой поднимаются и опускаются. В раме М расположен прямоугольный вырез с нарезанными зубьями на его внутренних сторонах. На одной стороне выреза зубья смотрят вверх, на другой - вниз.

Когда рама опускалась, зубья, направленные вниз, зацеплялись с зубьями колеса N, когда поднималась в зацепление входили зубья, направленные вверх. Колесо при этом постоянно поворачивалось по часовой стрелке. Сама рама М двигалась между четырьмя фрикционами, поддерживающими ее в вертикальном положении. В механизме есть стопор О, предотвращающий проворот колеса в противоположном направлении. За колесом N находится звездочка или блок, который поддерживал замкнутую цепь. Цепь проходила над блоками UU, потом под блоками S и s, над блоками W и затем над осью колеса R, приводящее при помощи гири T, часы в действие. Гиря t — пустой медный ящичек, располагалась на другой стороне цепи и служила противовесом, который натягивал часть цепи. Гиря Т — тот же ящичек, но со свинцом и одна её половина силы тяжести воздействовала на часть цепи 5 и 6, вторая- на 7 и 8.

Все элементы механизма движутся таким образом, чтобы часы смогли работать без подзавода на протяжении целого года (а гиря Т при этом опускалась из верхнего положения на дна корпуса часов). Однако изменение атмосферного давления, которое приводит в действие механизм подзавода с помощью зубчатой рамы, обеспечивает постоянное движение гири вверх.

И для решения этого вопроса Кокс сконструировал колесо так, чтобы оно поворачивалось на своей оси свободно; и вращение могло начинаться, только если предохранитель (защелка) падала на храповое колесо. Предохранитель поднимался с храповика и останавливал вращение колеса тогда, когда верх рамы блока 5 прикасался к стержню X. На всех этапах работы механизма «вечных» часов необходимо было сохранение устойчивого равновесия его элементов. Поэтому рама М уравновешивалась гирей на цепи, которая проходила через блок Y , расположенного в верхней части системы.

В 1961 году часы приобрёл музей Виктории и Альберта и сделал их государственной собственностью. Сейчас они находятся в галерее музея застывшие в безмолвии, без всякой надписи, которая могла бы сообщить потомкам, какой экспонат они видят перед собой.

В этой книге мы рассмотрели уже несколько мнимых “вечных двигателей” и выяснили безнадежность попыток их изобрести. Теперь побеседуем о “даровом” двигателе, т. е. о таком двигателе, который способен работать неопределенно долго без всяких забот с нашей стороны, так как черпает нужную ему энергию из неистощимых ее запасов в окружающей среде. Все конечно, видели барометр – ртутный или металлический. В первом барометре вершина ртутного столбика постоянно то поднимается, то опускается, в зависимости от перемен атмосферного давления; в металлическом – от той же причины постоянно колеблется стрелка. В XVIII веке один изобретатель использовал эти движения барометра для завода часового механизма и таким образом построил часы, которые сами собой заводились и шли безостановочно, не требуя никакого завода. Известный английский механик и астроном Фергюссон видел это интересное изобретение и отозвался о нем (в 1774 г.) так:
“Я осмотрел вышеописанные часы, которые приводятся в непрерывное движение подъемом и опусканием ртути в своеобразно устроенном барометре; нет основания думать, чтобы они когда-либо остановились, так как накопляющаяся в них двигательная сила была бы достаточна для поддержания часов в ходу на целый год даже после полного устранения барометра. Должен сказать со всей откровенностью, что, как показывает детальное знакомство с этими часами, они являются самым остроумным механизмом, какой мне когда-либо случалось видеть, – и по идее, и по выполнению”.
К сожалению, часы эти не сохранились до нашего времени – они были похищены, и местонахождение их неизвестно. Остались, впрочем, чертежи их конструкции, выполненные упомянутым астрономом, так что есть возможность их восстановить.

Рис. Устройство дарового двигателя XVIII в.

В состав механизма этих часов входит ртутный барометр крупных размеров. В стеклянной урне, подвешенной в раме, и в опрокинутой над ней горлышком вниз большой колбе заключается около 150 кг ртути. Оба сосуда укреплены подвижно один относительно другого; искусной системой рычагов достигается то, что при увеличении атмосферного давления колба опускается и урна поднимается, при уменьшении же давления – наоборот. Оба движения заставляют вращаться небольшое зубчатое колесо всегда в одну сторону. Колесо неподвижно только при полной неизменности атмосферного давления, но во время пауз механизм часов движется прежде накопленной энергией падения гирь. Нелегко устроить так, чтобы гири одновременно поднимались вверх и двигали своим падением механизм. Однако старинные часовщики были достаточно изобретательны, чтобы справиться с этой задачей. Оказалось даже, что энергия колебаний атмосферного давления заметно превышала потребность, т. е. гири поднимались быстрее, чем опускались; понадобилось поэтому особое приспособление для периодического выключения падающих гирь, когда они достигали высшей точки.
Легко видеть важное принципиальное отличие этого и подобных ему “даровых” двигателей от “вечных” двигателей. В даровых двигателях энергия не создается из ничего, как мечтали устроить изобретатели вечного двигателя; она черпается извне, в нашем случае – из окружающей атмосферы, где она накопляется солнечными лучами. Практически даровые двигатели были бы столь же выгодны, как и настоящие “вечные” двигатели, если бы конструкция их была не слишком дорога по сравнению с доставляемой ими энергией (как в большинстве случаев и бывает).
Немного далее мы познакомимся с другими типами дарового двигателя и покажем на примере, почему промышленное использование подобных механизмов оказывается, как правило, совершенно невыгодным.

мускулов, легкий прыжок уносил бы его высоко над Землей, откуда он в безветренную погоду плавно опускался бы обратно*) .

«Вечные часы»

В этой книге мы рассмотрели уже несколько мнимых вечных двигателей и выяснили безнадежность попыток их изобрести.

Теперь побеседуем о даровом двигателе, т. е. о таком двигателе, который способен работать неопределенно долго без всяких забот с нашей стороны, так как черпает нужную ему энергию из неистощимых ее запасов в окружающей среде. Все, конечно, видели барометр – ртутный или металлический. В первом барометре вершина ртутного столбика постоянно то поднимается, то опускается, в зависимости от перемен атмосферного давления; в металлическом – от той же причины постоянно колеблется стрелка. В XVIII веке

один изобретатель использовал эти движения барометра для завода часового механизма и таким образом построил часы, которые сами собой заводились и шли безостановочно, не требуя никакого завода (рис. 71).

Известный английский механик и астроном Фергюссон видел это интересное изобретение и отозвался о нем (в 1774 г.) так:

«Я осмотрел вышеописанные часы, которые приводятся в непрерывное движение подъемом и опусканием ртути в своеобразно устроенном барометре; нет основания думать, чтобы они когда-либо остановились, так как накопляющаяся в них двигательная сила была бы достаточна для поддержания часов в ходу на целый год даже после полного устранения барометра. Должен сказать со всей откровенностью, что, как показывает детальное знакомство с этими часами, они являются самым остроумным механизмом, какой мне когда-либо случалось видеть, – и по идее, и по выполнению».

К сожалению, часы эти не сохранились до нашего времени – они были похищены, и местонахождение их неизвестно. Остались, впрочем, чертежи их конструкции, выполненные упомянутым астрономом, так что есть возможность их восстановить.

Рис. 71. Устройство дарового двигателя ХУШ века.

*) Подробно о шарах-прыгунах рассказано в гл. 4 моей «Занимательной механики».

механизм часов движется прежде накопленной энергией падения гирь. Нелегко устроить так, чтобы гири одновременно поднимались вверх и двигали своим падением механизм. Однако старинные часовщики были достаточно изобретательны, чтобы справиться с этой задачей. Оказалось даже, что энергия колебаний атмосферного давления заметно превышала потребность, т. е. гири поднимались быстрее, чем опускались; понадобилось поэтому особое приспособление для периодического выключения падающих гирь, когда они достигали высшей точки.

Легко видеть важное принципиальное отличие этого и подобных ему «даровых» двигателей от «вечных» двигателей. В даровых двигателях энергия не создается из ничего, как мечтали устроить изобретатели вечного двигателя; она черпается извне, в нашем случае – из окружающей атмосферы, где она накопляется солнечными лучами. Практически даровые двигатели были бы столь же выгодны, как и настоящие «вечные» двигатели, если бы конструкция их была не слишком дорога по сравнению с доставляемой ими энергией (как в большинстве случаев и бывает).

В следующей главе мы познакомимся с другими типами дарового двигателя

и покажем на примере, почему промышленное использование подобных механизмов оказывается, как правило, совершенно невыгодным.

ГЛАВА ШЕСТАЯ

ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Когда Октябрьская железная дорога длиннее – летом или зимой?

На вопрос: «Какой длины Октябрьская железная дорога?» – кто-то ответил:

– Шестьсот сорок километров в среднем; летом метров на триста длиннее, чем зимой.

Неожиданный ответ этот не так нелеп, как может показаться. Если длиной железной дороги называть длину сплошного рельсового пути, то он и в самом деле должен быть летом длиннее, чем зимой. Не забудем, что от нагревания рельсы удлиняются – на каждый градус Цельсия более чем на одну 100 000-ю своей длины. В знойные летние дни температура рельса может доходить до 30-

40 °С и выше: иногда рельс нагревается солнцем так сильно, что обжигает руку.

В зимние морозы рельсы охлаждаются до – 25 °С и ниже. Если остановиться на разнице в 55 °С между летней и зимней температурой, то, умножив общую длину пути 640 км на 0,00 001 и на 55, получим около 1/3 км! Выходит, что и в самом деле рельсовый путь между Москвой и Ленинградом летом на треть километра, т. е. примерно метров на триста, длиннее, нежели зимой.

Изменяется здесь, конечно, не длина дороги, а только сумма длин всех рельсов. Это не одно и то же, потому что рельсы железнодорожного пути не примы-

кают друг к другу вплотную: между их стыками оставляются небольшие промежутки – запас для свободного удлинения рельсов при нагревании*) . Наше вычисление показывает, что сумма длин всех рельсов увеличивается за счет общей длины этих пустых промежутков; общее удлинение в летние знойные дни достигает 300 м по сравнению с общей длиной всех рельсов в сильный мороз. Итак,

железная часть Октябрьской дороги действительно летом на 300 м длиннее, нежели зимой1) .

*) Зазор этот, при длине рельсов 8 м, должен иметь при 0 °С размер 6 мм. Для полного закрытия такого зазора нужно повышение температуры рельса до 65 °С. При укладкетрамвайных рельсов нельзя, по техническим условиям, оставлять зазоров. Это обычно не вызывает искривления рельсов, так как вследствие погружения их в почву температурные колебания не так велики, да и сам способ скрепления рельсов препятствует боковому их искривлению. Однако в очень сильный зной трамвайные рельсы все же искривляются, как наглядно показывает рис. 72, исполненный с фотографии.

То же случается иногда и с рельсами железнодорожного пути. Дело в том, что на уклонах подвижной состав поезда при движении увлекает рельсы за собой (иной раз даже вместе со шпалами), в итоге на таких участках пути зазоры нередко исчезают и рельсы прилегают друг к другу концами вплотную.

Безнаказанное хищение

HHНа линии Ленинград – Москва каждую зиму пропадает совершенно бесследно несколько сотен метров дорогой телефонной и телеграфной проволоки, и никто этим не обеспокоен, хотя виновник исчезновения хорошо известен. Конечно, и вы знаете его: похититель этот – мороз. То, что мы говорили о рельсах,

Рис. 72. Изгибание трамвайных рельсов вследствие сильного нагревания.

вполне применимо и к проводам, с той лишь разницей, что медная телефонная проволока удлиняется при нагревании в 1,5 раза больше, чем сталь. Но здесь уже нет никаких пустых промежутков, и потому мы без всяких оговорок можем ут-

верждать, что телефонная линия Ленинград – Москва зимой метров на 500 коро-

че, нежели летом . Мороз безнаказанно каждую зиму похищает чуть не полкилометра проволоки, не внося, впрочем, никакого расстройства в работу телефона или телеграфа и аккуратно возвращая похищенное при наступлении теплого времени.

Но когда такое сжатие от холода происходит не с проводами, а с мостами, последствия бывают подчас весьма ощутимы. Вот что сообщали в декабре 1927 г. газеты о подобном случае:

«Необычайные для Франции морозы, стоящие в течение нескольких дней, послужили причиной серьезного повреждения моста через Сену, в самом центре Парижа. Железный остов моста от мороза сжался, отчего вздулись и затем рассыпались кубики на покрывающей его мостовой. Проезд по мосту временно закрыт».

Высота Эйфелевой башни

Если теперь вас спросят, какова высота Эйфелевой башни, то, прежде чем ответить: «300 метров», вы, вероятно, осведомитесь:

– В какую погоду – холодную или теплую?