Как выглядит механический абсолют?


«...Часы АЧФ являются лучшими из всех существующих типов маятниковых часов. Они по крайней мере на порядок превосходят по точности лучшие в прошлом маятниковые часы Шорта. Они во многих случаях могут заменить кварцевые часы средней точности, значительно превосходят их по надежности работы и простоте эксплуатации. Многолетняя их работа в Пулкове с I960 года прошла практически без единого нарушения по вине часов, в то время как с часами Шорта имелось их довольно много, а кварцевые часы, пожалуй, даже трудно в этом отношении сравнивать с АЧФ.

Директор Главной астрономической обсерватории, профессор В.А. Крат».

Этот отзыв я читал в лаборатории ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФ-ТРИ), где на стенах бесшумно качаются маятники АЧФ – астрономических часов Федченко – и где попрежнему работает изобретатель, подыскивая для своего маятника новые применения.

С чего все началось? Когда? Может быть, тогда, когда Ф.М. Федченко, будущий преподаватель физики, был студентом педагогического института в Кривом Роге, в далеком 1934 г.? Там учили не только теории, но И практике: каждый будущий учитель обязан был уметь делать приборы для демонстрации опытов. Ведь физических кабинетов, к каким мы привыкли в школе сейчас, не было даже во многих городах, не говоря уже о сельской местности, где предстояло работать молодым преподавателям. И Федченко, став учителем, конструировал со своими учениками из подручных материалов многое, в том числе маятники Фуко, Максвелла и другие приборы.

Или «первотолчок» был дан во время войны, когда Федченко служил в танковой части механиком по точным приборам, в том числе и танковым часам? Приходилось работать на разных станках, вытачивать и фрезеровать сложные детали. Бывший учитель оказался незаурядным механиком, которому подчинялись самые капризные приборы. Он отпраздновал в своей части разгром фашистской Германии, потом разгром милитаристской Японии, в Мукдене демобилизовался и вернулся в родные места, в Харьков.

Там он впервые узнал, кто такой Шорт.

Научно-исследовательской темой лаборатории времени, куда его направили, среди прочих была и такая – «Изыскание возможности увеличения точности хода часов со свободным маятником типа Шорта».

– Первое, с чего пришлось начать, – рассказывает Ф.М. Федченко, – это были книги. Читал все подряд, начиная с Гюйгенса. И среди разных трудов попалась одна статья, которая меня просто поразила. Написал ее немецкий астроном Хойн, и рассказывал в ней он, как исследовал подвесы маятников. Подвес, надо вам сказать, это одна из сложнейших деталей, хотя внешне она очень проста. Стальная полоска или две полоски, зажатые по концам металлическими щечками. Один конец подвеса прикрепляется тем или иным образом к корпусу часов, к другому концу подвешивается маятник. Вот и все. Маятник качается, пружина (или пружины) изгибается, – потери на трение минимальны, а это для астрономических часов только и требуется.

Так вот, была с пружинным подвесом связана одна легенда: считалось, что он способствует изохронности маятника, то есть делает период его колебаний менее зависимым от амплитуды. Мол, сопротивление пружины как бы отталкивает маятник назад, к положению равновесия, и чем больше отклонение, тем значительнее усилие. Это якобы должно улучшать изохронность. Так думали, и Хойн так думал. Однако если пружины подвеса действительно помогают изохронности, то более толстые должны оказывать и большее действие. Между тем все у него получилось наоборот: подвес с двумя тонкими пружинами у Хойна не только обеспечил полную изохронность, но даже перегнул палку, так сказать, в другую сторону: при увеличении амплитуды период уменьшался! Выходит, можно подбором пружин добиться полной изохронности маятника? Я не поверил Хойну и стал повторять его эксперименты.

Федченко проделал – без преувеличения – тысячи опытов. С сорок седьмого по пятьдесят второй год он перепробовал буквально все мыслимые типы пружин: и короткие, и длинные, и толстые, и тонкие, и с переменным сечением по длине, и строго плоские, – все впустую, все оборачивалось зря потраченным временем. Хотя нет, не зря. Без этого сонма опытов не было бы уверенности, не отточилось бы мастерство, не изощрилась бы способность быстро оценивать возможный результат очередного нововведения.

И он наступил, – день, когда труд оказался вознагражденным.

Один из подвесов вдруг действительно оказался необычным; маятник с ним получился, как у Хойна, перекомпенсированным! Что случилось? Федченко вынул подвес и машинально отверткой попробовал винты, которыми стягивались щечки: винты подались. И тут же маятник превратился в обычный неизохронный, подчиняющийся всем законам. Что ж, Хойн действительно заблуждался. Дело, выходит, только в щечках, крепко ли они стянуты. А что значит – «стянуты»? Это значит, что пружина изгибается не у корня своего, а немного выше или ниже.

Сразу же у Федченко родилась идея: сделать подвес не из одной пружины, не из двух, а из трех – двух коротких и между ними поставить длинную. Тогда в положении, близком к равновесию, длину маятника определят не длинная и не короткие пружины, а нечто среднее между ними; зато на краях качания – короткие, средняя же как бы выключится. Исчезнет элемент случайности, свойственный плохо затянутым винтам. Подвес можно будет настроить так, чтобы качание маятника происходило по циклоиде, как того требует Гюйгенс. Первая же проверка показала, что идея верна. Маятник действительно получился изохронным: при изменении амплитуды с 30 до 150 угловых минут его период оставался неизменным. Часы, в которых был он поставлен, обеспечили вариацию хода в 1...2 десятитысячные секунды, а обычные астрономические в тех же условиях показывали результаты в 50...100 раз худшие.

Исчезли прочные, неколебимые стены, мощные фундаменты: часы Федченко к сотрясениям мало чувствительны. Вопреки всем канонам они висят в лаборатории на втором этаже – и дают ту же точность, что и часы Шорта, спрятанные в подвале.

Все крупные обсерватории СССР снабжены сейчас часами АЧФ, но не только они. Когда вы смотрите телевизор и на экране появляется циферблат часов с прыгающей секундной стрелкой, знайте: этот механизм работает от часов Федченко, висящих в одной из комнат Общесоюзного телецентра. Это действительно точное время...

О часах АЧФ можно рассказывать и рассказывать. О том, как Ф.М. Федченко разрабатывал систему электромагнитного привода своего маятника, – сначала на обычных реле, потом на транзисторах, которые только-только появились. О том, как исследовал влияние формы груза на точность хода часов (размеры груза ведь изменяются при изменении температуры!), как нашел, что Шорт чисто интуитивно выбрал более удачные соотношения высоты и диаметра груза, чем Рифлер, и тем самым улучшил температурную компенсацию своего маятника, – и как потом Федченко рассчитал оптимальную форму: обыкновенный шар. Но, пожалуй, интереснее всего рассказать, как часы АЧФ уловили притяжение Солнца и Луны.

Наш вес зависит от того, с какой силой притягивает нас Земля. Притяжение Луны и Солнца изменяет земную силу тяжести: дважды в сутки она достигает максимума и столько же раз – минимума. Разница ничтожна, гиря в 1 килограмм меняется в весе на 0,4 миллиграмма. Часы Федченко улавливают в 40 раз меньшие изменения. Но, конечно, не потому, что способны что-то взвешивать, а потому, что из-за разной силы тяжести начинают спешить или отставать.

Нужно только сравнить ход АЧФ с ходом кварцевых или атомных часов.

Такие тонкие эффекты раньше улавливали гравиметрами, основа которых – груз, подвешенный на пружине. Она растягивается или сокращается в такт с изменениями силы тяжести – т.е. веса гири. При той чувствительности, которой достигли эти приборы, они ощущают уже не только вариации силы тяжести, но и «старение» металла пружин. Всем гравиметрам свойствен крайне серьезный недостаток: «сползание нуля». Отсчеты, сделанные сегодня и через десяток дней, могут отличаться друг от друга, хотя притяжение Земли осталось неизменным. «Могут» – в этом слове кроется неопределенность. Ученый не знает причины, вызвавшей изменение показаний, и вынужден то и дело заниматься кропотливой проверкой – калибровкой. Вести наблюдения непрерывно в течение многих недель и месяцев практически невозможно, хотя именно такие измерения наиболее ценны. А часам Федченко все эти неприятности не, грозят. С 1968 г. с их помощью исследуют вариации силы тяжести в Астрофизической обсерватории Института физики Земли АН СССР, и очень довольны результатами.

Маятниковые часы сегодня сменили профессию. Это уже не столько устройство для измерения времени (его гораздо лучше хранят атомные, квантовые генераторы), сколько точнейший гравиметрический прибор. А измерение силы тяжести – это более точная фигура Земли, более верные карты, новые месторождения полезных ископаемых, разгадка внутреннего строения нашей планеты...

Английский журнал «Хоролоджикл джорнэл» издается уже сто двадцать лет. На его страницах появлялись описания самых знаменитых часов XIX и XX вв., и конечно, часов Рифлера и Шорта. В сентябрьском номере за 1973 г. – статья «Часы Федченко». Ее автор французский физик М. Плежэр пишет: «Появление часов Федченко является очень важным событием, свидетельствующим о том, что искусство создания астрономических часов еще не окончательно изжило себя, что и здесь еще возможны новые изобретения и находки.

Поэтому инженер Федченко и его коллеги в России заслуживают благодарности от всех часовщиков мира».

Академик С.А. Христианович, крупный специалист в области механики, по поводу часов АЧФ сказал как-то: «Подвес Федченко мог быть изобретен и во времена Гюйгенса. Его создание не потребовало никаких новейших научных достижений, а только поразительно глубокой мысли».

Часовщики и кристалл


Что можно увидеть в кристалле кварца?

Минералог скажет: это твердый, тугоплавкий материал; сделанные из него предметы почти не изменяются в размерах при колебаниях температуры.

Физик добавит: ему свойствен пьезоэффект; на гранях сжатой кварцевой пластинки появляются электрические заряды и, наоборот – когда к ее граням подведен электрический ток, она сжимается.

Историк техники вспомнит: Пьер Кюри в 1880 г. превратил вырезанную из кристалла кварцевую пластинку в изящный генератор электрических зарядов. А профессор Поль Ланжевен вывел кварц из тиши лаборатории и сделал в 1916 г. средством борьбы с подводными лодками. В акустическом гидролокаторе Ланжевена кварцевые пластины были излучателями звука и приемниками эхо-сигналов, отраженных от стального корпуса лодки.

Радист назовет 1923 г., когда в журналах появились первые статьи о кварце как идеальном «якоре» для частоты передатчика. Кварц прочно удерживает радиостанцию в заданной точке на шкале частот.

Хранители же времени снимут с полки статью американского физика В.А. Мэррисона, датированную 1930 г., «Кристаллические часы». Тогда это было сенсацией: легкое дрожание кварцевой пластинки можно превратить в движение секундной стрелки часов. Точность их оставит далеко позади любые достижения часов механических.

Идея кварцевых часов очень проста. Кварцевую пластинку, брусок или диск подключают к радиолампе или полупроводниковому триоду. Пластинка играет роль маятника, лампа и транзистор – это механизмы, передающие «маятнику» энергию, нужную для поддержания колебаний. Вот и все. Радистов не смущает, что кварцевая пластинка колеблется очень быстро, с частотой в десятки и сотни тысяч герц. Они умеют делить частоту во сколько угодно раз. Получить 1 герц, а значит, и секунду – дело техники.

Вместе с тем высокочастотные колебания – это «микроскоп времени». Без особого труда можно получить тысячные, миллионные, миллиардные и еще более мелкие доли секунды. Единственное, чего нужно добиться, – это чтобы генератор частоты работал стабильно. И опять начинается погоня за точностью, попортившая столько крови часовщикам на протяжении последних четырех столетий. Защищать кварц требуется от изменений температуры и атмосферного давления, от ударов и вибраций. Сложности возрастают тем быстрее, чем к большей точности мы стремимся.