БАЛАНС - не просто обод

Баланс - это центральный узел, регулирующий ход колебательной системы часов. Он заменил собой маятники, которые сильно зависели от гравитации, температуры окружающей среды и атмосферного давления. По существу, до появления баланса, чтобы обеспечить точный ход, часы должны были сохранять неподвижность, т.е. быть настольными, напольными или настенными. Именно замена маятников на балансы позволила выпускать малогабаритные механизмы, открыв эру переносных часов. Баланс и спираль изобрел в 1675 году голландский математик и физик Кристиан Гюйгенс.

В жару и в холод

Система баланс-спираль состоит из баланса с осью, спирали, колодки, колонки и устройства регулировки точности хода. Баланс должен двигаться по идеальной круговой траектории, все точки которой расположены в одной плоскости. Поэтому до сих пор встречаются балансы с регулировочными винтами на ободе, задача которых - установить баланс в оптимальное положение, "сбалансировать баланс". В отличие от компенсирующих винтов, регулировочные винты после их установки никогда больше не трогают.

Для того, чтобы достичь постоянства периода колебаний баланса и, следовательно, постоянства погрешности хода, необходимо минимизировать расширение и сжатие его обода при изменении температуры окружающей среды. Это достигается путем применения специального бериллиево-бронзового сплава, известного под названием глюсидур (glucydur).

Более ранняя (но менее эффективная) альтернатива такому решению - создание баланса с разрезным биметаллическим ободом. Внешний слой его делают из стали, а внутренний - из латуни. При изменении температуры обод изгибается, меняется его размер, а, следовательно, и момент инерции. Но различие коэффициентов теплового расширения стали и латуни заставляет обод деформироваться в обратную сторону и приводит к восстановлению исходного момента инерции. Таким образом, происходит автоматическая регулировка хода часов в зависимости от изменения температуры окружающей среды.
Недостатки такой конструкции - сложность, дороговизна изготовления и большее сопротивление воздуха. Кроме того, пара сталь-латунь хороша не во всех температурных диапазонах из-за нелинейности тепловых характеристик.

Биметаллические балансы, которые начали применять в 40-х годах прошлого века, постепенно были вытеснены балансами из глюсидура. Этот тип баланса, популярный и сегодня, породил практически идеальный механизм регулировки хода часов. Комбинацию глюсидурового обода и спирали из железоникелевого сплава (ниварокса) можно встретить практически во всех механических часах высокого качества.

Прогресс в технологии изготовления материалов сделал возможным (для балансов с малым периодом колебания из глюсидура) полный отказ от регулировочных винтов. Это, сделав баланс более обтекаемым, уменьшило сопротивление окружающего воздуха. Некоторые производители продолжают использовать балансы с регулировочными винтами, но такое решение вызвано лишь желанием придать балансу более впечатляющий внешний вид.

Хочется, однако, заметить, что все вышесказанное относится к импортным часам. В нашей стране используются другие материалы. Так, обод изготовляют из латуни или нейзильбера. Трудно сказать, чем это вызвано, но, скорее всего, некоторой изолированностью СССР в период развития часового дела, а также наличием иностранных патентов, защищающих права на использование новых материалов.

Архимедово чудо

Спираль неразрывно связана с балансом. Вместе они составляют колебательную систему и являются "сердцем" наручных часов. Спираль - это тонкая выровненная полоска металла, которую раньше изготавливали из стали или из бронзы, закрученная в форме спирали Архимеда.

Вопреки своему названию, волосок (спираль) на самом деле в три раза тоньше человеческого волоса. Но, несмотря на чрезвычайную тонкость и вес, который редко превышает 0,002 г, спираль может совладать с натяжением силой до 600 г. Часовщики часто используют выражение "дыхание спирали", чтобы описать ее пульсирующие циклы сжатия и расширения. Необычайно упругий волосок скручивается в тугую спираль и раскручивается более 200 миллионов раз в год.

Исследования, проведенные еще в 30-е годы, привели к появлению сплава железа, никеля и хрома с добавлением некоторого количества магния, кремния, титана и бериллия, получившего название "ниварокс" (по первым буквам немецких слов nicht variabel, oxidabel - "не меняется, не окисляется"). Подтверждая свое название, материал отличается рядом замечательных свойств. Он имеет чрезвычайно малый коэффициент температурного расширения и обладает антимагнитными свойствами. Спираль из ниварокса, способная автоматически компенсировать изменения температуры, впервые была предложена в 1933 году. В 40-е годы качественные биметаллические балансы со спиралями из ниварокса заполонили рынок. В наши дни эти спирали используются во всех высококачественных наручных часах. Все витки современного волоска баланса лежат в одной плоскости. Спирали бывают как с правой, так и с левой навивкой.

Точность механических часов сильно зависит не только от материала, но и от формы спирали. В прошлом использовались так называемые брегетированные спирали. Абрахам-Луи Бреге улучшил свойства спирали, изменив ее геометрию путем загиба наружного витка кверху на доли миллиметра надо всей спиралью. В этом случае колонка находится не в плоскости спирали, а над ней.

Свойства спирали определяют постоянство и равномерность движения баланса, а величина активного участка спирали и момент инерции обода баланса - период его
колебания. Именно поэтому большинство часов оборудовано градусниками, поворачивая которые, можно менять активную длину спирали, т.е. ее жесткость. Удлинение приводит к замедлению хода часов, а укорачивание - к ускорению.

Дайте мне опору

Еще одна важная деталь - подшипник баланса. Баланс имеет относительно большую массу
и приобретает значительные положительные и отрицательные ускорения в моменты до и сразу после смены направления вращения. Чтобы справиться с этими силами, смягчить возможные внешние удары и сотрясения, а также уменьшить трение между цапфами оси баланса и их посадочными местами, часовые мастера были вынуждены разработать сложную двухподшипниковую систему. Сквозной камень баланса и накладной камень (подпятник) установлены с обоих концов оси баланса. Подпятник служит для
ограничения вертикальных перемещений баланса, а также для обеспечения сохранности жидкой смазки. Хвостовик каждой цапфы отполирован и имеет форму полусферы, что помогает уменьшить трение. Внутри сквозного камня имеется специальное углубление - масленка, в которой удерживается часовое масло. Более того, отверстия для цапф, просверленные в сквозном камне до подпятника, имеют не цилиндрическую, а скругленную форму, так называемый "оливаж", чтобы обеспечить наименьшую возможную зону трения цапф.

Большинство современных механизмов оборудовано противоударным устройством с фиксирующей пружинкой, которая давит на накладной и сквозной камни в соответствующем чашеобразном подшипнике, установленном в платине. Эта пружинка может компенсировать удары и тем самым предохранять цапфы оси баланса от выскакивания из подшипника или даже от их поломки.

Точность - вежливость королей

Точность часов в наибольшей степени зависит от конструкции баланса. В типичных механизмах баланс колеблется с частотой 5 полуколебаний (тактов) в секунду, или 18000 тактов в час. В более новых, более точных часах балансы колеблются с частотой 19800, 21600, 28800 или даже 36000 тактов в час. В большинстве часов - и японских, и российских, а также во многих швейцарских - используется частота 21600. Частота 28800 применяется в некоторых отечественных часах и во многих точных швейцарских механизмах с малым периодом колебания баланса. Частота 18000 применяется в классических швейцарских механизмах, а также в нашем "Востоке".

Регулировка механизма включает в себя измерение суточного хода часов и, если требуется, его оптимизацию при различных температурах и в различных позициях. В зависимости от качества механизма и желаемой степени точности, возможны различного рода регулировки. Стандартная регулировка хороших наручных часов выполняется в двух положениях (вверх циферблатом и вверх заводной головкой). Отклонения хода между этими двумя положениями не должны превышать 30 секунд в сутки. Для точной регулировки в соответствии с заводскими требованиями механизм должен регулироваться как минимум в пяти различных положениях. Если испытания проведены официально признанным учреждением, и ряд параметров механизма превосходит установленные минимальные значения, то часы могут считаться "официально сертифицированным хронометром". Подавляющее большинство механических часов имеет отклонение 30 секунд суточного хода, т.е. погрешность - всего 0,035%.

Подводя итог, мы не преувеличим, если скажем, что колебательная система, построенная на балансе в наручных часах, является одним из наиболее удачных часовых изобретений.

Андрей Бабанин
Журнал "Часовой Бизнес №4 2001"