01
Вісім ударів щосекунди завдяки одній пружині
Перед вами механічний годинник, що стоїть на ребрі, як на підставці у вітрині. У корпусі є циферблат і три стрілки, а збоку заводна головка, якою годинник заводять. Справжня робота відбувається за циферблатом, у частині, яку годинникарі називають механізмом. У ньому немає ні батарейки, ні мікросхеми. Усе працює завдяки закрученій сталевій пружині, ланцюжку маленьких коліс і крихітному колесу, яке гойдається туди й назад.
Механізм виконує три завдання. Спершу він запасає енергію: коли ви крутите головку, заводна пружина закручується. Потім він віддає цю енергію малими рівними кроками. Це робота спуску та балансу. Нарешті він рахує ці кроки й показує їх як час, і для цього є колісна передача та стрілки. Шлях енергії показує, як сила йде від пружини через колеса до балансу. Кожен розділ нижче розповідає про одну з цих частин.
Усе рухається лише тому, що баланс пропускає анкерне колесо на пів зубця за раз. Кожне таке звільнення дає один удар, і ви чуєте його як «тік» або «так». Цей годинник робить 28 800 ударів за годину: 8 щосекунди, 691 200 за добу. Баланс гойдається туди й назад 4 рази на секунду. Кожне повне коливання триває 250 мс і містить два удари: «тік», коли баланс проходить центр в один бік, і «так», коли повертається. Шкала часу під моделлю показує одне повне коливання.
Числа в цих розділах узято з механізму з ручним заводом, як-от ETA 2801-2. Його заводять, обертаючи головку. Він має 25,6 мм у діаметрі, 3,35 мм завтовшки і 17 каменів. Модель показує типове підручникове компонування такого механізму. Вона розсуває деталі по висоті, щоб ви бачили кожен шар. Перетягніть модель, щоб повернути її, і погляньте на бік циферблата. У реальному часі баланс зливається в розмиту пляму, тож сповільніть відтворення й подивіться, як він гойдається.
02
Сорок дві години в сталевій спіралі
Енергія зберігається в заводній пружині. Це довга сталева стрічка, згорнута всередині барабана. Коли ви крутите головку, обертається заводний вал. Через маленькі триби він обертає коронне колесо і храпове колесо, яке сидить на центральному валу барабана. Вал барабана тугіше закручує внутрішній кінець пружини, а сам барабан тим часом стоїть. Коли зубці храпового колеса проходять повз маленьку собачку, вона западає між ними. Тому пружина не може провернути вал назад.
Якщо цю пружину розпрямити, вона матиме 420 мм завдовжки, але лише 0,125 мм завтовшки і 1,23 мм заввишки. Її обертальна сила, крутний момент, за повного заводу становить близько 11,3 мН·м. Через добу він падає приблизно до 9,1 мН·м, тобто десь на 19 відсотків. Тож сила, від якої працює годинник, ніколи не буває зовсім сталою. Повний завод запасає близько третини джоуля, а годинник витрачає цю енергію дуже ощадно: приблизно від 2 до 3 мікроватів.
Розкручуючись, пружина обертає барабан, а зубці на його краю приводять у рух колеса. Повного заводу цьому механізму вистачає на 42 години. Це і є його запас ходу. У підручниковій колісній передачі моделі барабан робить один оберт за 8 годин, тож повний завод дорівнює приблизно п’яти з чвертю обертів пружини. Потягніть повзунок до нуля: витки пружини розходяться до стінки барабана, крутний момент падає, а баланс гойдається менше.
У годиннику з ручним заводом пружину тримає собачка, і коли завод повний, головка просто перестає обертатися. Автоматичний годинник заводить коливна маса, а вона не відчуває, коли треба зупинитися. Тому його пружина закінчується ковзною накладкою. Накладка прослизає вздовж стінки барабана, і пружина не перекручується. Автоматична версія цього механізму, ETA 2824-2, має 4,6 мм завтовшки замість 3,35 мм і працює 38 годин. Заведіть модель повністю, щоб почати знову.
03
Прискорювати, а не сповільнювати
Від барабана сила йде ланцюжком коліс, який називають колісною передачею. Кожне колесо велике й обертає маленький триб на наступному валу, тож кожен ступінь крутиться швидше за попередній. Пружина повільна й сильна, а спуску потрібен швидкий і легкий рух, тому передача прискорює, а не сповільнює. Наприкінці передачі повільний рух барабана перетворюється на 12 обертів за хвилину на анкерному колесі.
Годинникарі називають маленьку ведену шестерню трибом. У моделі стоїть підручникова передача. 80 зубців барабана обертають триб із 10 зубцями, і швидкість зростає у 8 разів. Наступні ступені множать її на 8, 7,5 і 12. Тож центральне колесо робить один оберт за годину. Четверте колесо обертається раз на хвилину, а анкерне робить 12 обертів за хвилину. Кожен із його 20 зубців дає два удари: 12 × 20 × 2 = 480 ударів за хвилину, або 28 800 за годину.
У цьому підручниковому компонуванні центральне колесо стоїть посередині механізму й робить оберт за годину, тому несе хвилинну стрілку. Четверте колесо обертається раз на хвилину й несе малу секундну стрілку на позначці 6. Анкерне колесо в середньому робить 12 обертів за хвилину, але більшість часу стоїть і рухається короткими стрибками по 9°, по одному на удар. Виберіть колесо нижче, і камера стежитиме за ним.
Цапфи коліс обертаються в каменях. Це крихітні опори зі штучного рубіна заводського виробництва, а не коштовне каміння. Сталева цапфа в рубіні зазнає лише частки того тертя, що виникає між двома металами, і її ще й змащують. У цьому механізмі 17 каменів. Його автоматична версія має 25, але ще 8 каменів стоять у вузлі автопідзаводу й ніяк не впливають на точність. Тож більше каменів не означає, що годинник кращий. Бурштинові точки показують шлях енергії від барабана до балансу.
04
Відпускати по пів зубця
Пружина весь час тисне на анкерне колесо, і саме по собі воно вмить би розкрутилося. Його стримує анкерна вилка. На вилці є два рубінові камені, вхідна й вихідна палети. Вони охоплюють два з половиною зубці, і між ударами одна з них блокує зубець. Площина спокою палети скошена. Цей нахил називають притягуванням: тиск зубця затягує вилку всередину й притискає її до обмежувального штифта. Колесо заблоковане.
Потім баланс повертається. Рубіновий штифт на його ролику, імпульсний камінь, заходить у паз вилки й штовхає її, доки палета не зісковзне із зубця: колесо розблоковане. Зубець ковзає по скошеному кінцю палети й штовхає вилку, а вилка штовхає камінь. Цей поштовх і є імпульс. Його дають разом скіс булавоподібного зубця і палета. Колесо вільно падає, наступний зубець блокується на другій палеті, і колесо повертається на 9°. Пройдіть це крок за кроком кнопками нижче.
Камінь торкається вилки лише на 50° коливання навколо центру. Цей відрізок називають кутом підйому. Коли баланс відхиляється приблизно на 280° в кожен бік, контакт триває близько 7 мс із кожних 125 мс удару. Приблизно 94 відсотки часу баланс рухається вільно, а притягування тримає вилку притиснутою до її штифта. Це вільний спуск. Якщо від удару вилка спробує зрушити, поки камінь далеко, запобіжний штифт на вилці впреться в малий ролик і втримає її.
Тік, який ви чуєте, складається з трьох коротких стуків, а не одного. Спершу камінь б’є у вилку, потім зубець наскакує на скошену грань палети. Найгучніший стук буває, коли зубець блокується і вилка б’ється об обмежувальний штифт. «Так» на зворотному шляху звучить так само. Томас Мадж винайшов цей анкерний спуск у 1750-х роках, і приблизно з 1900 року його використовує майже кожен механічний годинник. Повільно протягніть шкалу часу через тік і подивіться, як колесо чекає, стрибає й зупиняється.
05
Колесо, яке вирішує, скільки триває секунда
Баланс схожий на маленьке колесо: обідок діаметром 10,6 мм повертається туди й назад на цапфах завтовшки лише 0,08 мм. Спіральний волосок завжди тягне його назад до центру, тож баланс проскакує центр і гойдається в інший бік, як дитина на гойдалці. Тривалість коливання залежить лише від двох речей. Перша: наскільки важкий обідок і як далеко від центру ця вага. Друга: наскільки жорсткий волосок. Що більше ваги далеко від центру, то повільніше гойдання. Що жорсткіший волосок, то воно швидше. Тут одне повне коливання триває 250 мс. Християн Гюйгенс сконструював спіральну пружину для балансу 1675 року.
Наскільки далеко відхиляється баланс, показує його амплітуда: близько 280° в кожен бік у заведеному годиннику, тобто понад повний оберт від краю до краю. Sellita, яка випускає механізми за тією самою конструкцією, допускає щонайбільше 315° за повного заводу і щонайменше 200° через добу. Якщо амплітуда перевищить приблизно 335°, імпульсний камінь зробить повне коло й ударить у вилку ззаду. Баланс має близько 12 мкДж енергії, і кожен удар поповнює лише кілька відсотків від неї.
Щоб налаштувати хід, годинникар пересуває градусник. Два його крихітні упори, штифт і замочок, обхоплюють зовнішній виток волоска й визначають, яка його частина може вільно згинатися. Скоротіть цю робочу довжину, і годинник поспішатиме; подовжте, і він відставатиме. Навіть малі зміни важать багато: якби волосок був жорсткішим лише на 1 відсоток, годинник поспішав би приблизно на 7 хвилин на добу. Трохи посуньте повзунок і подивіться, як мало треба, щоб годинник помилявся на кілька хвилин за добу.
Тепло, магнетизм і удари збивають баланс. Волоски зі сплаву Nivarox, створеного для них у 1930-х роках, майже не реагують на температуру. Кремнієві волоски не намагнічуються. Від ударів захищає протиударний пристрій, у якому стоять камені для цапф балансу. Пружинка дає каменю зміститися, товстий уступ осі приймає удар, а потім пружинка знову центрує цапфу. Один із таких пристроїв, Incabloc, з’явився на початку 1930-х. У цій родині механізмів його ставлять лише на кращі версії, а решта має власний пристрій ETA під назвою Etachocs.
06
Від ударів до годин
Тепер подивіться на бік циферблата. Під циферблатом є невеликий набір коліс, який називають стрілочним механізмом. Поки хвилинна стрілка робить дванадцять обертів, він повертає годинну лише на один. У цьому підручниковому компонуванні хвилинний триб із 10 зубцями обертає вексельне колесо з 30 зубцями. Триб вексельного колеса з 8 зубцями обертає годинне колесо з 32 зубцями. Разом 3 × 4 дає співвідношення 12 до 1. Хвилинний триб тримається лише завдяки тертю. Тому, коли ви переводите стрілки, вони обертаються, а колісна передача стоїть на місці.
Четверте колесо несе малу секундну стрілку на позначці 6. Вона проходить 6° за секунду, але не плавно, а 8 крихітними кроками, по одному на удар. Тому секундна стрілка механічного годинника ніби пливе. Сам ETA 2801-2 влаштований інакше: його секундне колесо стоїть у центрі механізму й обертає центральну секундну стрілку, а хвилинна стрілка сидить на трубці навколо неї.
Не кожен годинник робить 8 ударів за секунду. До 1970-х звичними були 18 000 ударів за годину, а сьогодні поширені 21 600. Grand Seiko досягла 36 000 у 1968 році, а Zenith зі своїм El Primero досягла цього в 1969-му. За вищої частоти хід менше збивається від ударів і змін положення. Але за це доводиться платити енергією. За того самого балансу й тієї самої амплітуди енергія зростає пропорційно квадрату частоти. Тож пружина розкручується раніше або деталі швидше зношуються. Перемкніть частоту й порівняйте числа нижче.
Що ж означає «точний»? Сертифікований хронометр у випробуваннях COSC має в середньому триматися в межах від −4 до +6 секунд на добу. Це лише один із семи критеріїв. Їх перевіряють на механізмі без корпусу впродовж 15 днів, у 5 положеннях і за трьох різних температур. METAS перевіряє вже готовий годинник у корпусі, зокрема після магнітного поля в 15 000 гаусів. Тут допуск від 0 до +5 секунд на добу, а для механізму такого розміру від 0 до +6. Для кварцових годинників COSC встановлює межу близько ±0,07 секунди на добу. І все ж 2025 року Швейцарія експортувала 5,2 мільйона механічних годинників, які дали 86 відсотків вартості її годинникового експорту.