«Время и часы: Описание древних и современных методов измерения времени»

Fig. 55.

Для этого требуются довольно глубокие математические познания. Но на практике часовщики не принимают это во внимание. Поправка невелика, поэтому они делают стержень как можно более точным, устанавливают на линзе винт для регулировки, а затем перемещают линзу вверх или вниз, пока на практике время колебания не окажется верным.

Fig. 56.

Способ подвеса маятника высшего класса показан на рис. 56, что позволяет маятнику занимать свое истинное положение без деформации. A — это пружина из закаленной стали, которая изгибается туда-сюда при каждом колебании. Удивительно, как долго эти пружины могут изгибаться без поломки. Поскольку удлинение маятника увеличивает время, так что время колебания t пропорционально квадрату длины маятника, очень небольшое удлинение маятника вызывает разницу во времени. На практике на каждую тысячную долю дюйма, на которую мы удлиняем маятник, мы получаем разницу примерно в одну секунду в сутки в ходе часов. Если мы нарежем винт с восемнадцатью витками на дюйм в нижней части стержня маятника и наденем на него круглую гайку с ободом, разделенным на шестьдесят частей, то каждый поворот на одно деление поднимет или опустит линзу на 1/1080 дюйма, и это вызовет изменение хода часов на одну секунду в сутки. Это удобное устройство на практике, так как оно дает простой способ регулировки маятника. Нам нужно лишь заметить, сколько секунд часы отстают или спешат за сутки, а затем повернуть гайку на соответствующее число делений, чтобы скорректировать маятник.

Fig. 57.

Еще одна необходимая поправка для маятника — это поправка на изменение температуры. Если стержень маятника сделан из тщательно высушенного красного дерева, пропитанного слабым раствором шеллака в винном спирте, а затем высушенного, то не будет большого изменения ни от тепла, ни от влажности. Но для часов, требующих высокой точности, стержень маятника обычно делают из металла. Стержень из железа расширяется примерно на 1/160000 своей длины на каждый градус по Фаренгейту; и поэтому на каждый градус по Фаренгейту стержень маятника длиной 39,14 дюйма расширится примерно на 1/4000 тысячных долей дюйма, что приведет к разнице в ходе часов примерно в одну четверть секунды в сутки. Расширение, конечно, заставит часы идти медленнее. Можно было бы исправить это расширение, если бы удалось придумать устройство, которое при каждом таком случае приподнимало бы линзу маятника на соответствующую величину, как, например, сделать линзу из материала, который расширяется от тепла гораздо сильнее, чем материал, из которого сделан стержень маятника.

Fig. 58.

Так, если мы подвесим к концу железного маятника железный сосуд длиной около семи дюймов и почти наполним его ртутью, то, как только температура повысится, железо стержня и сосуда расширится, и центр колебания маятника опустится. Но поскольку линейное расширение ртути, содержащейся в сосуде, примерно в пять раз больше, чем у железа, ртуть поднимется в сосуде, и таким образом расширение стержня маятника вниз будет скомпенсировано расширением ртути в сосуде вверх. Стержень может быть прикреплен к горлышку сосуда с помощью винта, так что при вращении сосуда его можно поднимать или опускать на стержне, и таким образом длина маятника может быть отрегулирована. Сосуд изготовлен из стальной трубки, ввинченной в тонкие точеные железные крышку и дно. Конечно, для соединения железа нельзя использовать припой, так как ртуть растворяет припой. Немного масла и белил сделают резьбовые соединения герметичными. Это отличная конструкция маятника. Другой способ — использовать цинк в качестве металла, который должен противодействовать расширению железа. Расширение цинка примерно в три раза больше, чем у железа.

Fig. 59.

Следовательно, цинковая трубка длиной около двадцати дюймов (показана заштрихованной на рис. 59) опирается на диск, закрепленный в нижней части железного стержня маятника. На вершине цинка покоится плоское кольцо A, на котором подвешена железная трубка A, несущая линзу B. Расширение цинковой трубки достаточно велико, чтобы компенсировать расширение как стержня, так и трубки, и линза, следовательно, остается на той же глубине под точкой подвеса, независимо от температуры.

Существует, однако, новый метод, который намного превосходит все эти, и он обязан открытию господином Гийомом из Парижа сплава никеля и стали, который расширяется настолько мало, что его можно компенсировать линзой из свинца вместо линзы из ртути. Этот материал продается в Англии под названием «инвар». Стержень из инвара с правильно подобранной свинцовой линзой образует почти идеальный маятник, так как расширение инвара и свинца происходит согласованно. Точное значение расширения инвара предоставляется производителями, которые также поставляют информацию о размере и подвесе линзы, подходящей для использования с ним.

Уже было показано, что равномерность времени колебания маятника справедлива только тогда, когда дуга, по которой он колеблется, очень мала. Если общее колебание из стороны в сторону составляет не более двух дюймов, то небольшое увеличение движущей гири на часах, увеличивающее дугу колебания, почти не влияет на точность хода; но когда дуга колебания становится, скажем, три дюйма, или полтора дюйма в каждую сторону от маятника, то время колебания меняется. На этом расстоянии каждые десятые доли дюйма увеличения размаха замедляют ход маятника примерно на одну секунду в сутки.

Сопротивление воздуха, конечно, оказывает большое влияние на маятник и является одной из главных причин, которые в конечном итоге приводят его к остановке. Даже изменения давления атмосферы, которые показывает барометр при изменении погоды, влияют на ход часов. Были предприняты попытки исправить это путем установки барометров на маятники с остроумной системой противовесов, но эти усовершенствования не получили широкого распространения и слишком сложны, чтобы поддаваться эффективной регулировке.

Приложение к главе IV.

Может быть полезно привести простую форму доказательства закона, который определяет время колебания маятника заданной длины.

К сожалению, невозможно привести доказательство настолько простое, чтобы его поняли те, кто совсем не знает математики. Однако можно привести доказательство, требующее очень малых математических знаний.

Мы знаем, что когда масса вещества вращается на конце нити, она стремится вырваться наружу и создает натяжение нити. Чем выше скорость, с которой вращается масса, тем сильнее будет натяжение нити. Предположим, что длина нити равна R, скорость массы при вращении равна V. Пусть a — тело, вращаемое нитью oa вокруг центра O. Тело всегда, конечно, стремится лететь по прямой линии из той точки, в которой оно находится в любой момент. Но эта тенденция сдерживается натяжением нити, которая принуждает его двигаться по круговой траектории. Конечно, не имеет значения, является ли сила, стремящаяся притянуть тело внутрь к O, нитью или силой притяжения любого рода, действующей на расстоянии без какой-либо нити. Очевидно, что если тело сохраняет свое положение на круге, это должно быть потому, что центробежная сила, стремящаяся вырвать его наружу, равна центростремительной или силе притяжения, стремящейся притянуть его внутрь.

Fig. 60.

Натяжение тела, обусловленное силой, стремящейся притянуть его внутрь, мы обозначим через F, понимая под F количество футов скорости, которое было бы сообщено телу за одну секунду силой притяжения.

Предположим, что в некоторый заданный момент времени тело находится в точке a. В этот момент его направление будет вдоль ab, касательной к кругу в точке a, и это путь, по которому оно пошло бы, если бы центростремительная или сила притяжения перестала действовать как раз в тот момент, когда тело достигло a. В этом случае тело было бы выброшено, как камень из пращи, вдоль линии ab и в конце заданного времени, допустим, одной секунды, прибыло бы в b. Но оно не выбрасывается; оно притягивается к O и тянется внутрь, и попадает в c. Следовательно, сила притяжения, действующая в течение одной секунды, должна была быть достаточной, чтобы притянуть массу из b в c. Но мы знаем, что если ускоряющая сила (F) действует на тело в течение секунды, она создает конечную скорость, равную F в конце секунды, и среднюю скорость, равную половине F в течение секунды.

Следовательно, пространство bc, на которое тело было притянуто, представлено половиной F, но ab, пространство, которое тело прошло бы вперед, будет представлено V, скоростью тела за секунду; но если движение таково, что расстояние bc, пройденное за секунду, очень мало, то треугольники abd и abc приблизительно подобны, и чем меньше ab, тем более они подобны. Откуда тогда (ab)/(bc) = (ad)/(ab), то есть (ab)² = ad × bc.

Но ab представляет пространство, которое было бы пройдено телом за одну секунду с той скоростью, с которой оно двигалось, и, следовательно, равно V; ad — это диаметр круга, и, следовательно, равен 2 R; bc — это пространство, на которое тело было притянуто за секунду силой притяжения F, и, следовательно, равно половине F.

Откуда тогда V² = 2 R × половина F = R F.

Мы взяли секунду в качестве предела времени, в течение которого должно было рассматриваться движение. Конечно, можно было взять любое другое время. Теперь то, что верно для движения тела в течение очень короткого времени, верно и для тела на всем его пути, при условии, что путь — это круг, и что F остается постоянной, как это очевидно будет, если путь — круг, а скорость равномерна. Откуда тогда мы можем в общем сказать, что если тело вращается на конце нити, натяжение F на нити прямо пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально длине нити.

Время вращения, конечно, равно = длина пути ÷ скорость

= (2πR)/V = (2πR)/√(R F) = 2π√(R/F).

Откуда тогда мы видим, что для движения по кругу массы под действием центростремительной силы или натяжения нити время вращения будет равномерным, при условии, что центростремительная сила всегда изменяется как радиус пути. Из этого очевидно, что тело, закрепленное на эластичной нити, где натяжение изменяется как удлинение, совершало бы свои вращения всегда за равные промежутки времени. Если ваша праща состоит из резинки, как бы вы ни вращали, вы можете вращать тело вокруг только определенное количество раз в секунду, и не более. Любое увеличение ваших усилий только заставляет нить растягиваться, а круг становиться больше. Скорость тела на его пути, конечно, увеличивается, но время, которое требуется для совершения одного оборота, неизменно.

Также следует, что если тело, подвешенное на нити длиной l, под действием силы тяжести движется по кругу, то, если круг мал по сравнению с длиной нити, внутреннее ускорение f к центру будет приблизительно пропорционально радиусу r круга, и время вращения будет

t = 2π√(r/f).

Но в этом случае f, внутреннее ускорение, относится к g, ускорению свободного падения вниз, как AB:AP или

f/g = (AB)/(AP) = (AP)/(OP) = r/l.

Fig. 61.

Fig. 62.

Откуда тогда время вращения этого тела было бы, если круг вращения был мал

= 2π√(l/g).

И если вы попробуете, то обнаружите, что это так. Например, возьмите нить длиной 39-1/7 дюйма, то есть 3,25 фута. Подвесьте что-нибудь тяжелое к одному ее концу и заставьте его вращаться по маленькому кругу. Теперь g, ускорение свободного падения = 32,2 фута в секунду. π, отношение длины окружности к ее диаметру = 3,14. Отсюда следует, что время вращения = 2 × 3,14√(3,25/32,2) секунды = 2 секунды. Но если мы посмотрим на вращающееся тело сбоку, оно кажется действующим как маятник; не имеет значения, вращаем ли мы его по кругу или туда-сюда. Ибо в любом случае ускоряющая сила, стремящаяся вернуть его в положение покоя, всегда пропорциональна расстоянию смещения, и, следовательно, время его движения всегда должно быть 2π√(l/g), а его движение — гармоническим.

Длина секундного маятника, то есть маятника, который совершает свое двойное колебание за две секунды, будет, следовательно,

l = 4/((2π)²) × g футов

= (g × 12)/π² дюймов

= 39,14 дюйма.

ГЛАВА V.

Я описал основные особенности обычных часов. Для изучения деталей необходимо прочитать множество трактатов и приобрести знания, которых нет ни в каких книгах.

Теперь я перехожу к часам. Напомним, что шпиндельный спуск состоит из коронного колеса с зубьями, взаимодействующего с двумя палетами, закрепленными на шпинделе, снабженном шарами на концах.

По мере того как коронное колесо подталкивалось вперед, каждая палета по очереди выталкивалась, пока не соскальзывала с зуба, который ее зацеплял. Затем зуб с другой стороны вступал в резкое столкновение с другой палетой и толкал шпиндель в другую сторону, и так далее.

Здесь у нас есть движущая сила и своего рода маятник. Но как шпиндель действовал как маятник для измерения времени? Это не тело, качающееся под действием силы тяжести или под ускорением пружины. Как же тогда он может действовать как регулятор времени, и каков период его колебания?

Ответ на это заключается в том, что он находится под ускорением силы тяжести, но сила тяжести не действует свободно на шары или грузы, а только через движущую гирю и зубья. Импульс, который приводит в движение шпиндель, на самом деле является также ускоряющей силой, действующей на него, и единственной ускоряющей силой, действующей на него.

И худшая черта этого механизма заключается в том, что по мере движения зубьев и палет рычаг действия зубьев на палеты меняется, и, таким образом, шары на шпинделе находятся под влиянием не равномерной или должным образом отрегулированной силы, а постоянно меняющейся, причем меняющейся очень сложным и беспорядочным образом. Было бы безнадежно ожидать большой точности хода от такого устройства. Максимум, на что можно было бы рассчитывать, — это установка очень большого груза, чтобы свести трение к сравнительной незначительности, и надеяться, что колебания будут равномерными, так что все, что происходило в одном колебании, происходило бы и в следующем, и, таким образом, ход часов был бы регулярным.

Но любой фактор, стремящийся уменьшить движущую силу, такой как загустение масла, сильно повлиял бы на ход. Именно по этой причине Гюйгенс превратил шпиндель в маятник, удалив один из шаров и позволив силе тяжести действовать на другой.

Для карманных часов, однако, был придуман другой план. Один конец тонкой спиральной пружины был прикреплен к шпинделю. Другой конец пружины был закреплен на раме часов. Таким образом, шпиндель теперь находился в основном под действием ускорения пружины. Чтобы сделать ускорение зубьев анкерного колеса менее обременительным, зубья были сформированы так, чтобы давать лишь короткий толчок через определенные промежутки времени и не мешать свободному колебанию шпинделя под действием чередующихся ускорений и замедлений пружины. Благодаря этому шпиндель во всех отношениях стал отличным маятником, не зависящим от силы тяжести и позволяющим держать часы в любом положении.

Шпиндель, оснащенный таким образом, был превращен в колесо и стал «балансовым колесом». Оно было скомпенсировано от теплового расширения с помощью хитроумного использования неравномерного расширения латуни и стали, способом, аналогичным тому, как это неравномерное расширение металлов использовалось для компенсации маятника, и стало прекрасным и точным измерителем времени, который мы видим сегодня, с осями, установленными в камнях для уменьшения трения, с винтами по ободу балансового колеса, позволяющими точно настроить центр тяжести относительно центра вращения, и с тонкой волосковой пружиной из закаленной стали, которая является чудом микроскопической работы.

Но спуск ранних часов оставлял желать много лучшего. Чтобы прояснить, насколько несовершенным был тот ранний спуск, мы должны вернуться назад и вспомнить, что было сказано о мертвом спуске.

Тогда будет понятно, что было показано, что для малых дуг маятник будет сохранять хорошее время при условии, что вы позволите ему иметь такой размах, какой он хочет использовать для поглощения силы, приложенной к нему спуском, но не иначе, поэтому маятники действовали действительно хорошо только тогда, когда импульс давался примерно в середине колебания, и они были свободны продолжать движение и останавливаться, когда им заблагорассудится, и поворачивать назад в конце колебания.

Это существенное условие было довольно близко реализовано в мертвом спуске часов, который оставлял их в конце колебания лишь с очень незначительным трением, препятствующим их свободному движению.

Но когда дело доходит до часов, ситуация совсем иная. Здесь спуск имеет большой размер по сравнению с балансовым колесом, и трение даже самого мертвого спуска, который можно было придумать, было настолько велико по сравнению с силами, действующими на балансовое колесо, что серьезно нарушало его движение и делало его далеко не идеальным хронометристом.

Примерно в это время — я говорю о начале восемнадцатого века — возник спрос исключительного характера на действительно идеальные часы. Спрос исходил не от джентльменов, которые хотели соблюдать время встреч для игры в омбре в своих клубах, или даже от купцов, чтобы засекать часы работы конторы. Для них старые часы вполне подходили. Спрос исходил от моряков. Но морякам нужно было знать время не просто для того, чтобы организовать часы приема пищи на корабле или определить, когда сменяется вахта, а для гораздо более важной цели, а именно, чтобы определить путем наблюдения за небесами свое местоположение в океане, когда они были далеко вне видимости земли. Будет очень интересно увидеть, как возникла эта проблема и как терпеливое трудолюбие и изобретательность человека решили ее.

Древние мореплаватели никогда не уходили далеко от берега, ибо, оказавшись вне видимости земли, корабль терял все средства узнать, где он находится. В ясные дни и ночи компас, солнце и звезды подсказывали моряку направление, в котором он плывет, но определить, где именно он находится на поверхности Земли, было настоящей проблемой.

Fig. 63.

Давайте рассмотрим проблему. Предположим для удобства, что Земля разделена на «квадраты», по крайней мере, настолько, насколько можно считать шар так размеченным. Давайте предположим, что было решено провести на нем от полюса до полюса 360 линий долготы, начиная с той, что проходит через, скажем, Гринвичскую обсерваторию в качестве отправной точки, и обойти вокруг всей Земли, пока вы снова не вернетесь в Гринвич. Также предположим, что была проведена серия кругов, параллельных экватору, но идущих вверх на равных расстояниях друг от друга к полюсам. Давайте проведем 179 таких кругов, чтобы оставить 180 пространств, от a до b, от b до c и т. д., от полюса до полюса. Это разделит Землю, как птичью клетку, на квадраты, как если бы мы одели ее в хорошо сидящую шотландскую клетку. Длина стороны pq каждого квадрата на экваторе, измеренная вдоль экватора, принимается ровно за шестьдесят морских миль (не считая небольшой ошибки измерения, которая на практике делает ее равной 59,96). Это равно шестидесяти девяти с четвертью английских уставных миль. Сторона квадрата, ведущая к полюсам qs, также была бы равна шестидесяти морским милям, если бы Земля не была не совсем сферической, что вносит небольшую ошибку. Мы можем, однако, грубо сказать, что на экваторе каждый квадрат измеряет шестьдесят морских миль в каждую сторону.

Fig. 64.

По мере приближения к полюсам квадраты становятся прямоугольными фигурами, с высотами широты все еще в шестьдесят морских миль, но ширинами, становящимися меньше. Так, в Англии наши квадраты измеряют pq = 37 морских миль и qs = 60 морских миль.

Теперь, конечно, мы сразу видим, что в любом месте на поверхности Земли легко найти свою широту с помощью простого наблюдения солнца в полдень, если вы знаете день года и у вас есть морской альманах. Ибо с помощью прибора, называемого секстантом, вы можете измерить угол, на который он кажется выше горизонта, а затем, так как вы знаете из морского альманаха угол, на который он находится выше экватора, вы можете быстро определить свое местоположение A на земном шаре. Или ночью, если вы измерите угловое расстояние, на котором полярная звезда P находится от зенита, или точки прямо над вашей головой — то есть угол POZ — вы можете вычесть его из прямого угла и сразу получить свою широту, AOE.

Fig. 65.

Но как определить свою долготу? Полярная звезда, или солнце, или любая другая звезда не помогут вам, ибо, поскольку Земля движется, они продолжают смещаться, и в то или иное время кажутся точно в одном и том же положении для всех, кто находится на одной и той же параллели широты, как легко увидеть. Дело в том, что вы находитесь на вращающемся шаре. Вы легко знаете, на какой широте находитесь, но вы не можете сказать свою долготу, если не можете сказать, сколько часов и минут вы прибываете в положение до того, как Гринвич придет в то же положение. Если бы, когда определенная звезда достигала Гринвича, звучал гонг, который можно было бы услышать по всей Земле, то, конечно, видя, какие звезды находятся над головой, каждый сразу узнал бы свою долготу. Возможно, с помощью новых электрических волн это вскоре будет сделано, и гринвичское время будет звучать по всему миру для использования моряками. Но пока это не достигнуто, все, что можно сделать, — это держать на борту точные часы, чтобы всегда знать гринвичское время.

Ранние попытки взять маятниковые часы в море, подвесив их так, чтобы избежать нарушения их движения качкой корабля, оказались тщетными.

Поэтому стало желательным создать часы с балансовым колесом, которые шли бы с точностью, в некотором отношении сравнимой с точностью маятниковых часов. Чтобы поощрить изобретателей, в тринадцатый год правления королевы Анны (глава xv.) (1713 г.) был принят акт парламента, обещающий награду в 20 000 фунтов стерлингов любому, кто изобретет метод определения долготы в море с точностью до половины градуса — то есть с точностью до тридцати географических миль.

Если определение долготы должно было быть достигнуто изобретением точных часов, то это предполагало использование часов, которые за несколько месяцев хода не имели бы ошибки более двух минут, что является временем, которое Земля затрачивает на поворот на полградуса долготы.

Это была задача, которую Джон Харрисон, плотник из Йоркшира, сделал делом всей своей жизни. Его усилия длились более сорока лет, но в конце концов он преуспел в получении приза.

Эти инструменты были значительно улучшены последующими изобретателями и привели к созданию современного корабельного хронометра, больших часов диаметром около шести дюймов, установленных на осях в ящике из красного дерева. Несколько таких часов берет с собой в море каждое судно.

Особенностью хронометра является его спуск.

Пусть AB — анкерное колесо, а CD — небольшой рычаг, прикрепленный к C, оси, на которой закреплены балансовое колесо и пружина. Пусть EG — рычаг с зубом F, который входит в зацепление с зубьями анкерного колеса и предотвращает его вращение. Пусть H — пружина, удерживающая рычаг EG в рабочем положении.

Fig. 66.

Рычаг имеет пружину KE, прикрепленную к нему в точке K. Эта пружина очень тонкая. Если рычаг CD повернут так, что небольшой выступ M на нем ударяет по пружине E слева направо, то, поскольку пружина опирается на рычаг, весь рычаг сдвигается, и зубья анкерного колеса освобождаются. В этот момент, однако, спуск устроен так, что рычаг CD находится как раз напротив зуба D анкерного колеса, так что анкерное колесо, вместо того чтобы убежать, прыгает своим зубом D на рычаг CD и раскручивает балансовое колесо. Балансовое колесо свободно вращается столько, сколько ему угодно, но как только оно повернулось настолько, что выступ M проходит мимо пружины E, рычаг GE отскакивает на свое место, и анкерное колесо снова блокируется. Тем временем балансовое колесо вращается, пока, наконец, не останавливается балансовой пружиной. Затем оно отскакивает и отправляется в обратный путь. На этот раз, однако, выступ M просто откидывает пружину E, и балансовое колесо возвращается, пока снова не остановится и не вернется. Как только рычаг оказывается напротив D, выступ M снова ударяет по пружине E и освобождает защелку в F, и проходит еще один зуб анкерного колеса.

Вот вам и полностью свободный спусковой механизм, а следовательно, и точный. Многие часы изготавливаются с такими спусками, но они дороже тех, что находятся в обычном употреблении.

В часах осталось совсем немного такого, чего нет в стенных часах, поскольку колесные передачи и общее устройство весьма схожи.

Возможно применить свободный спусковой механизм хронометра к стенным часам. Это делалось несколькими часовщиками в XVIII и начале XIX века. Один из способов сделать это выглядит следующим образом:

A — это металлический блок, прикрепленный к нижней части маятника, B — легкий рычаг, установленный на нем на оси. C — анкерное колесо с четырьмя зубьями; D — зубец анкерного колеса, который заскакивает на выступ маятника в тот момент, когда удар точки E рычага B E оттолкнул рычаг G F и тем самым освободил анкерное колесо. Преимущество заключается в том, что это очень простой в изготовлении спусковой механизм. Но в действительности это свободный (то есть полностью независимый) спусковой механизм хронометра, что легко заметить.

Fig. 67.

Башенные часы имеют существенные недостатки, поскольку ветер, дующий на стрелки, создает значительное давление, из-за чего часы иногда подталкивают стрелки против ветра, а иногда ветер помогает им. И эта неравномерность движущей силы приводит к тому, что маятник иногда совершает большую дугу колебания, чем в другое время.

Но выше мы видели, что, хотя разница в дуге колебания не должна влиять на время колебания маятника, это строго справедливо лишь в том случае, если дуга колебания представляет собой циклоиду.

Однако, поскольку для практического удобства мы вынуждены делать ее круговой, из этого следует, как мы видели, что на каждую десятую дюйма увеличения размаха обычного секундного маятника вносится погрешность около секунды в сутки. Чтобы устранить эту трудность, в XVIII веке Маджем был изобретен свободный анкерный спуск, усовершенствованный барристером Блоксамом и доведенный до совершенства покойным лордом Гримторпом. Идея заключалась в том, чтобы анкерное колесо не приводило маятник в движение напрямую, а поднимало груз, который, будучи впоследствии освобожденным, приводил бы маятник в движение. Следствием этого стало то, что неравномерность давления ветра, влиявшая на движущую силу анкерного колеса, не воздействовала бы на маятник, который всегда приводился бы в движение равномерным падением фиксированного и определенного груза. Механизм такого типа был установлен в больших часах в Вестминстере и работал превосходно. Описание его деталей можно найти в «Британской энциклопедии», написанной самим лордом Гримторпом.

Предлагались всевозможные эксцентричные часы. Например, удивительно видеть пару стрелок, прикрепленных к центру прозрачного листа стекла, которые вращаются и показывают время, при этом их, казалось бы, ничто не приводит в движение.

Но секрет прост. Кажущийся лист стекла — это не один лист, а четыре. Два центральных листа вращаются незаметно, увлекая за собой часовую и минутную стрелки, будучи подталкиваемыми маленькими роликами внизу, на которых они покоятся. Когда вы касаетесь стекла, внешние листы кажутся неподвижными, и вы не подозреваете, что это не один лист. Но берегитесь пыли, ибо если пыль попадет на внутреннюю пластину, вы обнаружите подвох. Таким способом была создана механическая рука, которая записывала ответы на вопросы. Этот план можно применить ко всевозможным фокусам.

Сэр Уильям Конгрив, изобретательный конструктор, предложил создать часы, которые измеряли бы время, позволяя шару катиться по наклонной плоскости. Когда он достигал дна, он ударял по рычагу, который освобождал пружину и снова наклонял плоскость, так что шар теперь катился в другую сторону. Это плохой хронометр, и идея не была оригинальной, поскольку ранее для той же цели уже проектировался шар.

Иногда часы конструируют, прикрепляя маятники к бронзовым фигурам, которые имеют столь малое движение, что глаз не способен его заметить. Фигура кажется неподвижной, но в действительности медленно покачивается туда-сюда. Необходимо, чтобы движение было не более одной четырехсотой дюйма за полсекунды, если оно должно ускользнуть от человеческого наблюдения. Ибо движение в одну двухсотую дюйма в секунду — это примерно максимум, который наверняка останется незамеченным.

В средневековье часы конструировали с использованием всевозможных причудливых устройств. Жители верхнего города в Базеле, поссорившись с жителями нижнего города, сразились и победили их. Чтобы увековечить эту победу, они установили на старом мосту в верхнем городе часы, снабженные железной головой, которая медленно высовывала и втягивала длинный насмешливый язык. Эти часы до сих пор можно увидеть в музее. Это все равно, что если бы городской совет Лондона установил часы насмешки у Темпл-Бар, чтобы показывать язык Совету графства.

Я не собираюсь здесь описывать механизм боя часов. Существует несколько различных способов его устройства. Они довольно сложны для понимания, но все они сводятся к нескольким простым принципам. По мере вращения часовой стрелки она несет кулачок, устроенный так, что для двенадцатого часа он вырезан глубже, для одиннадцатого — меньше, и так далее. Когда минутная стрелка доходит до часа, она освобождает механизм боя, который, приводимый в движение грузом, начинает вращаться и, приводя в движение рычаг с пальцем, поднимает молоток, который продолжает бить по мере вращения рычага. Это продолжалось бы вечно, если бы в тот же момент не освобождался рычаг, который падает на кулачок. При каждом ударе рычаг (с помощью механизма боя) немного приподнимается обратно в исходное положение. Когда он возвращается в исходное положение, он останавливает бой. Таким образом, он действует как счетчик или вычислитель нанесенных ударов, останавливая движение, когда часы пробили достаточно. Если счетный механизм перестает работать, мы сталкиваемся с явлением, которое иногда случается, когда напольные часы бьют все часы недели без остановки.

Часы с курантами еще проще. Ибо здесь у нас есть барабан, покрытый штифтами, как барабан в музыкальной шкатулке. По мере вращения штифты поднимают молоточки, которые падают на колокола. Барабан заводится и приводится в движение пружиной или грузом. Когда часы доходят до часа, барабан освобождается и, вращаясь, играет мелодию.

Если вы хотите, чтобы часы будили вас по утрам, это можно сделать, заставив механизм боя стучать без счетного механизма, который остановил бы его, пока груз не опустится. Если, не довольствуясь этим, вы хотите, чтобы простыни стаскивались с кровати, или кровать наклонялась, или ведро воды выливалось на того, кто не хочет вставать, необходимо использовать механическое устройство, известное как реле. Оно очень простое. Требуется, чтобы по истечении времени, которое должны измерить часы, была приложена значительная сила, чтобы стащить постельное белье. Было бы абсурдно заставлять часы совершать это тяговое усилие. Очевидно, лучше прикрепить белье крючком к веревке, которая проходит через блок и на которой висит груз. Штифт удерживает груз от падения, причем штифт вытягивается часами. Таким образом, работа выполняется грузом, когда он освобождается часами.

Точно так же, если у вас есть телеграф, предназначенный для печати сообщений на расстоянии, вы не посылаете по проводам всю силу, необходимую для выполнения печати. Вы посылаете только импульсы, которые, подобно спусковым крючкам, освобождают силы, с помощью которых должны быть проштампованы буквы.

Было изобретено множество видов электрических часов. Принцип электрического спускового механизма схож с принципом обычного спускового механизма.

Fig. 68.

Читатель, несомненно, знает, что когда цепь провода соединяется или замыкается, ведя к источнику электричества, электричество течет по проводу.

Если провод намотан вокруг куска железа, то всякий раз, когда цепь замыкается, приводится в движение ток, и железо становится электромагнитом. Когда цепь размыкается, железо перестает быть магнитом.

Если его поместить в надлежащее положение, он будет каждый раз, когда железный маятник приближается, давать ему небольшой импульс, при условии, что в этот момент включен ток. Это легко может быть сделано самим маятником. Ибо как только маятник возвращается в центральное положение, лапка P, прикрепленная к стержню, может быть заставлена войти в контакт с куском металла, закрепленным на его пути. Тогда электромагнит, намагничиваясь, оказывает тягу на железный маятник. На обратном ходе маятника другая сторона лапки R ударяется о препятствие. Но если эта сторона R покрыта эбонитом или каким-либо непроводящим материалом, ток не будет приведен в движение, и электромагнит не будет (как он сделал бы в противном случае) замедлять маятник. Таким образом, такому маятнику дается импульс на каждый второй такт.

Такие маятники работают не очень хорошо, потому что трудно содержать металлические поверхности, подобные Q, в чистоте, и поэтому часто происходят пропуски. Кроме того, сила тока варьируется в зависимости от качества контакта и других вещей.

Сейчас предпочтение отдается устройству, при котором электрический ток заводит часы каждую минуту или около того. Таким образом, импульс, который приводит часы в движение, является не переменным электрическим, а постоянным грузом. Самые успешные часы были созданы на этих принципах.

Преимущество электричества заключается в том, что с помощью тока, который приводит часы в действие или заводит их, можно через равные промежутки времени приводить в движение стрелки большого количества часов.

Так что нужны только одни ходячие часы с маятником. Остальные часы, распределенные по зданию, имеют только циферблаты и стрелки, а также несколько простых колес, которым электромагнит дает легкий толчок, скажем, каждую минуту или около того. Поэтому система хорошо приспособлена для офисов и отелей.

В Америке с помощью электрических контактов часы были приспособлены для приведения в действие граммофонов. Вы помните, что было отмечено: если провести проволокой по напильнику, возникнет звук из-за маленьких щелчков, возникающих при соприкосновении проволоки с грубыми насечками на напильнике, и что тон ноты зависит от тонкости насечек, а следовательно, от быстроты маленьких щелчков. Вы можете себе представить, что если бы неровности были правильно расположены, мы могли бы добиться изменения тонов и тем самым имитировать речь. Это принцип граммофона. Неровности создаются инструментом, который, вибрируя под влиянием человеческой речи, делает небольшие насечки на мягком материале. Он затвердевает, и затем, когда по насечкам проводят другой проволокой, голос воспроизводится.

Таким образом, часы заставляют говорить и сообщать детям, когда готов обед и когда пора ложиться спать. По этому простому плану можно заставить говорить и кукол.

Современные методы изготовления часов сильно отличаются от тех, что использовались в старину. В прежние времена оси обтачивались вручную на небольших токарных станках, и даже зубья колес выпиливались. Каждое отверстие в раме часов просверливалось отдельно, и каждое колесо подгонялось отдельно, так что часы постепенно собирались, как строят дом. Каждое колесо, конечно, подходило только к своим часам, и детали часов не были взаимозаменяемыми.

Теперь все это изменилось. С помощью сложного оборудования вся работа по вырезанию каждого колеса и изготовлению каждой отдельной детали выполняется инструментами, движущимися независимо от воли рабочего, чья единственная обязанность — сидеть спокойно и смотреть, как делаются вещи. Он, так сказать, раб машины, наблюдающий за ней и отвечающий на ее призывы. Или, может быть, скажем, что он — работодатель и хозяин машины? У него здесь слуга, который никогда не устает и никогда не ослушается его. Все, что требуется от машины, — это чтобы ее режущие кромки были точно выверены, остры и микроскопически совершенны; тогда она будет резать и делать колесо за колесом. Она сама себя смазывает. Ей нужно только, чтобы человек выступал в роли контролера и останавливал ее, если какая-либо режущая кромка чрезмерно износилась. Для этой цели он время от времени измеряет работу, которую она выполняет, с помощью микроскопа, чтобы убедиться, что она хороша, верна и точна.

Когда все детали таким образом изготовлены, у вас есть, возможно, сотня коробок, в каждой из которых по тысяче деталей часов, каждая деталь в точности похожа на своих собратьев. Вы берете одно колесо или деталь из каждой коробки без разбора, и у вас есть материалы для часов: винты, крепления, штифты и все остальное. Все, что вам теперь нужно сделать, — это просто скрутить их все вместе, как собирать пазл. Все подходит; нет никакой подгонки или опиливания.

В таких часах, если деталь ломается, вы просто заказываете другую деталь того же типа и устанавливаете ее на место.

Автомобили, велосипеды и многие другие машины изготавливаются или должны изготавливаться таким образом, чтобы, если водитель в Йорке сломает деталь автомобиля, он просто отправил бы запрос в Лондон за другой. Она приходит и сразу встает на свое место. Но для такого плана вы должны выполнять работу с точностью до менее чем тысячной доли дюйма, и, конечно, никто не должен стремиться потакать своей индивидуальной прихоти относительно формы или внешнего вида часов. Все преимущество заключается в строгой единообразности. Но дешевизна поразительна. Вы можете получить лучшие часы сейчас за 30 шиллингов, чем можно было получить за 30 фунтов двадцать лет назад.

Люди искусства имеют привычку осуждать эту единообразность, как будто она нехудожественна и унизительна. По правде говоря, не унизительно заставить машину делать то, что вы хотите, ценой как можно меньшего труда. Вы платите 30 шиллингов за часы, но у вас остается 28 фунтов 10 шиллингов, чтобы потратить их на картины.

Только не следует путать промышленность с искусством. Часы, сделанные таким образом, не претендуют на то, чтобы быть художественными изделиями. Они просто полезны. Покрывать их машинными линиями или наносить на них отвратительный машинный орнамент — это чисто и просто низко и унизительно. Пусть ваш орнамент будет ручной работой, а ваша полезность — машинной работой.

Таким образом, я попытался дать очень краткий очерк способов измерения времени и попутно познакомить моих читателей с теми законами движения, которые лежат в основе столь значительной части современной науки.

Остается только вкратце описать современную аппаратуру, с помощью которой можно измерять промежутки времени настолько короткие, что это кажется невозможным. Но когда вы видите, как это делается, метод кажется достаточно простым. Это все еще делается с помощью маятника, только маятника, отбивающего время не один раз, а сотни и даже тысячи раз в секунду.

И такие маятники, вместо того чтобы быть трудными в изготовлении, удивительно просты и не представляют никакой сложности. Ибо нам нужно только использовать камертон, который был описан ранее.

Камертон состоит из куска стали, согнутого в U-образную форму. Его плечи приводятся в вибрацию так, чтобы попеременно приближаться друг к другу и удаляться.

Причина, по которой есть два плеча, заключается в том, что если они сходятся и расходятся, они уравновешиваются, и, следовательно, инструмент в целом не трясется на своем основании. Этот баланс движущихся частей быстро движущейся машины очень важен. Некоторые автомобили устроены так, что двигатели «сбалансированы», и движущиеся части входят и выходят одновременно, оставляя центр тяжести неизменным, независимо от положения движения. Это делает вибрацию автомобиля очень малой.

Поэтому камертон сбалансирован. Будучи упругим, он подчиняется закону Гука: «Какова сила, такова и деформация». И поэтому, как мы видели, вибрации камертона изохронны.

Камертон с плечами длиной около шести или семи дюймов будет совершать около пятидесяти или шестидесяти вибраций в секунду. Как нам записывать эти вибрации и как поддерживать вибрацию камертона?

Fig. 69.

Колесная передача почти невозможна, может быть, не так невозможна, как можно было бы предположить, но все же очень сложна. Поэтому принят другой метод. Маленькая проволока выступает из одного плеча камертона. Кусок глянцевой бумаги слегка закопчен с помощью восковой свечи и натянут вокруг хорошо сделанного латунного барабана. Затем камертон устанавливается так, чтобы маленькая проволока едва касалась бумаги. Затем камертон заставляют вибрировать ударом, и пока он вибрирует, барабан вращается. Таким образом, на барабане проволокой камертона образуется волнистая линия. Если бы камертон совершал пятьдесят полных вибраций туда и обратно в секунду, было бы сто таких углублений, пятьдесят вправо и пятьдесят влево, и по ним можно измерить время, как вы измеряли бы длину на линейке.

Fig. 70.

Если плечо a b приспособлено двигаться вбок, когда тянут за маленькую нить c d, и также снабжено маленькой проволокой, чтобы касаться барабана, то оно также будет чертить прямую линию на барабане, так как проволока слегка царапает тонкий слой копоти. Теперь, если его внезапно дернуть и оно отскочит назад, то на линии будет сделано небольшое углубление, и если, когда нам нужно измерить быстрый промежуток времени, дается рывок в начале и еще один рывок в конце его, мы должны получить диаграмму, подобную той, что на соседнем рисунке, где a — это след камертона, b — след указывающего рычага. Время, прошедшее между рывком, который произвел углубление c, и тем, который произвел углубление d, составит около трех с тремя четвертями двойных углублений линии камертона, тем самым указывая три с тремя четвертями пятидесятых долей секунды. Легко видеть, насколько точным может быть этот способ измерения. С маленькими камертонами мы можем легко измерять время с точностью до тысячной доли секунды и даже меньше, если это необходимо.

Рывок может быть дан электричеством, если это желательно. Когда ток замыкается, маленький электромагнит тянет кусочек железа и дает рывок нити. Настолько чрезвычайно быстр полет электричества, что при его прохождении через провода не теряется сколько-нибудь заметного времени, так что импульс может быть дан на расстоянии. Таким образом, мы можем устроить так, чтобы, когда пушечное ядро покидает орудие, был дан электрический импульс. Когда оно достигает цели и ударяет в нее, дается другой электрический импульс. Они делают зарубки на линии следа на барабане, по которым мы можем легко вычислить время, прошедшее между вылетом из дула орудия и прибытием снаряда в пункт назначения.

Fig. 71.

Такой аппарат используется в современных артиллерийских экспериментах. Он сложный, но основан на описанном выше принципе.

Барабаны иногда приводятся в движение часовым механизмом, а камертоны также часто поддерживаются в состоянии вибрации электричеством, тем самым составляя очень быстро движущиеся электрические часы. Устройство простое. Электромагнит E помещается вблизи плеча камертона. Маленький кусочек проволоки от плеча находится в контакте с куском металла Q, от которого провод идет к электромагниту, оттуда к батарее, и от батареи к камертону, через который ток идет к проводу R. Когда камертон вибрирует, плечо, будучи согнутым наружу, заставляет провод R коснуться Q. Это сразу заставляет электромагнит дать небольшой рывок стальному плечу камертона и тем самым помогает взмаху плеча. Все устройство в точности аналогично электрическим часам, что можно увидеть, сравнив рис. 71 с рис. 68.

Существует еще один метод измерения быстрых интервалов времени, который также заслуживает внимания. Он заключается в том, чтобы позволить телу упасть в начале измеряемого периода времени, отметить, как далеко оно падает за это время, а затем найти время из уравнения, приведенного ранее,

S = 1/2 g t².

На практике это делается путем падения куска закопченного стекла и заставления маленького указателя сделать на нем две точки: одну в начале, другую в конце измеряемого времени.

Интересная адаптация этого метода может послужить основой для любопытной игрушки.

Возьмите арбалет с болтом, на котором есть шип; закрепите его прочно в тисках так, чтобы ствол был направлен на точку a на деревянной стене. В точке a повесьте картонную фигурку кошки на гвоздь, устроенный так, что когда действует электромагнит, гвоздь оттягивается в сторону, и кошка падает. Таким образом, пусть a — это кошка, b — петля, за которую она подвешена на гвоздь c, который прикреплен к другому куску железа, снабженному шарниром в c, так что когда включается электрический ток, гвоздь c вытягивается и кошка падает. Проведите провода от электромагнита и батареи к арбалету и расположите их так, чтобы, когда болт покидает дуло, один прижимался к другому и происходил контакт.

Теперь здесь у вас есть аппарат такой, что ровно в тот момент, когда болт покидает арбалет, кошка падает. Что же произойдет?

Fig. 72.

Когда болт покидает лук, он подвергается двум движениям: одно — движение проекции с равномерной скоростью в направлении b a от лука к цели.

Но он также подвергается воздействию другой силы, а именно силы тяжести, которая действует на него вертикально и отклоняет его в вертикальном направлении точно так же и так же быстро, как это сделало бы тело, если бы оно было сброшено из состояния покоя в тот же момент, когда болт покидает лук. Но кошка — это такое тело. Следовательно, поскольку благодаря электрическому устройству они оба отпускаются вместе, они оба будут падать одновременно и, таким образом, всегда будут на одном уровне, и когда болт достигнет деревянной стены и упадет вертикально от a до c, кошка также упадет вертикально от a до c, и болт пригвоздит ее к стене. Не имеет значения, как далеко вы отнесете лук от стены, насколько силен лук, насколько тяжел болт, насколько тяжела кошка, или направлен ли a b горизонтально, вверх или вниз.

Fig. 73.

В любом случае, если только ствол направлен прямо на кошку, болт и кошка падают одновременно и с одинаковой скоростью, и болт пригвоздит кошку к стене.

При проведении эксперимента болт должен быть довольно тяжелым, скажем, полфунта, и иметь хороший шип; но если все сделать тщательно, эксперимент будет удаваться каждый раз. Он также позволяет вам измерить скорость полета болта. Ибо если расстояние от лука до стены составляет тридцать футов, а кошка упала на три фута, когда ее поразили, то время падения равно T² = √((2S)/g) = √(6/g) = 0,43 секунды. Но болт за это время пролетел тридцать футов; следовательно, его скорость составляла тридцать футов за 0,43 секунды, или семьдесят футов в секунду.

Конечно, если вы сделаете болт тяжелее, скорость проекции станет медленнее, время — дольше, и, следовательно, кошка упадет дальше, прежде чем будет пронзена болтом.

Моя задача теперь завершена. Я стремился не просто дать описание часов и различных аппаратов для измерения времени, но и объяснить фундаментальные принципы механики, которые лежат в основе предмета.

Могу ли я закончить советом родителям?

Есть определенное количество мальчиков, но только определенное количество, которые имеют настоящую любовь к механической науке. Таких мальчиков следует всячески поощрять владением инструментами и аппаратурой, но при выборе этой аппаратуры следует иметь в виду следующие принципы:

Во-первых, что почти все, что нужно мальчику, можно сделать из дерева, металла, проволоки и веревки, если у него есть кто-то, кто даст ему немного инструкций, как это сделать. Согнутый кусок стали, зажатый в тиски, составляет отличный камертон.

Во-вторых, что ему нужны не игрушечные инструменты, а хорошие инструменты. Если эксперту нужен хороший инструмент, насколько больше он нужен начинающему.

В-третьих, что у него должно быть достаточно сухое и удобное место для работы, а также помощь и совет деревенского плотника или кузнеца.

В-четвертых, что ему не следует позволять возиться со своими инструментами, а нужно делать что-то действительно разумное и полезное, а не начинать дюжину дел и не заканчивать ни одного.

В-пятых, что изготовление аппаратов для демонстрации научных фактов более полезно, чем изготовление рожков для обуви для отца или шкатулок для рукоделия для матери.

И, наконец, что небольшая сумма денег, потраченная таким образом, убережет многих юных сорванцов от беспокойства своих сестер и забрасывания камнями кошки; и когда наступит неизбежное время, когда он должен будет встретиться с первым испытанием молодого человека, «Экзаменатором», он часто будет благодарить звезды за то, что в игре выучил фундаментальную формулу S = 1/2 g t², и что он знает природу «гармонического колебания», два самых важных принципа в измерении времени.

КОНЕЦ.

Приложение о форме зубьев колес.

Fig. 74.

Зубья колес для часов требуют особого внимания при придании им формы, и, возможно, будет интересно, если я вкратце опишу принципы, на которых изготавливаются эти колеса. Требуется, чтобы движение не передавалось рывками, когда зубья последовательно входят в зацепление друг с другом, а чтобы движение было совершенно плавным. Поэтому проблема сводится к следующему: как нам расположить зубья колес так, чтобы, когда одно из них поворачивается и приводит в движение другое, рычаг или вращательная сила, оказываемая ведущим колесом на ведомое, всегда была равномерной? Теперь, если бы зубья были простыми шипами, легко увидеть, что это было бы не так. Например, когда рычаг a c поворачивался, толкая перед собой рычаг b d, точка c скребла бы, и рычаг между двумя зубьями постоянно менялся бы. Очевидно, должна быть принята какая-то другая конструкция. Прежде чем мы сможем определить, какая она должна быть, мы должны спросить, каким был бы рычаг между двумя стержнями a c и d b, установленными на осях в a и d. Ответ на этот вопрос заключается в том, что когда такой рычаг, как a c, давит своим концом на другой, d b, сила оказывается в направлении c e под прямым углом к d b. Следовательно, рычаг между двумя плечами находится в отношении a e к d c. Система точно такая же, как если бы у нас был рычаг a e, соединенный с рычагом d c жестким стержнем e c под прямым углом к ним обоим.

Fig. 75.

Откуда тогда отношение силы равно a e к d c.

Fig. 76.

Но поскольку треугольники a e f, d c f подобны, a e относится к d c как a f к f d. Откуда тогда мы получаем это общее положение: если одно тело, установленное на оси, давит на другое тело, установленное на оси, давление, оказываемое между ними, всегда осуществляется в направлении, показанном пунктирной линией, под прямым углом к двум соприкасающимся поверхностям; и отношение рычага находится путем проведения линии от одной оси к другой так, чтобы пересечь линию направления давления в f. Рычаг одного на другое тогда относится как a f к f d. Наша проблема теперь свелась к следующему: дан стержень b d, предположим, что на него давит изогнутая поверхность, установленная на оси в a. Тогда направление давления, которое изогнутая поверхность (называемая на инженерном языке кулачком) будет оказывать на стержень b d, показано пунктирной линией; и отношение ведущей силы к ведомой равно d f к a f. Теперь как мы можем придать форму кулачку так, чтобы по мере его вращения и последовательного вступления в контакт с b c различных частей его поверхности отношение рычага всегда было одним и тем же; то есть отношение a f к f d всегда было постоянным; то есть линия, проведенная через точку контакта перпендикулярно кривой в этой точке, всегда проходила через точку f?

Fig. 77.

Fig. 78.

Очевидно, если это должно быть так, точка d должна находиться на полукруге, диаметром которого является f b, ибо в этом случае угол f d b всегда будет прямым углом.

Fig. 79.

Поверхность должна быть устроена так, чтобы, каково бы ни было положение кулачка и стержня b d, точка контакта между ними всегда должна находиться на полукруге f c d; то есть, когда кулачок вращается вокруг оси a, его форма должна быть такой, чтобы линия, проведенная от f до точки, где она пересекает круг f d b, всегда была перпендикулярна кривой.

Теперь предположим, что мы перемещаем круг, центр которого находится в a, а радиус a f, так чтобы катить круг f d b простым поверхностным трением вокруг его центра o, тогда любая точка d на нем очертила бы кривую на куске бумаги, прикрепленном к движущемуся кругу, центр которого находится в a, и направление движения кривой всегда было бы таким, что точка d на ней в любой момент описывала бы круг вокруг f, и направление кривой, таким образом, в любой точке всегда было бы под прямым углом к линии d f в данный момент времени.

Fig. 80.

Эта кривая, вызванная качением одного круга по другому, называется эпициклоидой. Следовательно, для часов, если мы сделаем шестерню с прямыми спицами, а ведущее колесо с зубьями, вырезанными в форме эпициклоид, вызванных качением круга с диаметром, равным радиусу шестерни, по ведущему колесу, мы получим равномерное отношение рычага одного на другое.

Круги с радиусами a f, b f называются «делительными кругами», и эти радиусы находятся в отношении движения, которое требуется для колес, обычно шесть к одному или восемь к одному, в зависимости от случая. Стороны зубьев шестерен — это прямые линии, исходящие из центра и закругленные на концах, чтобы избежать случайного заклинивания. Зубья зубчатого колеса имеют эпициклоидальные стороны. Кончики срезаны, чтобы не мешать, и между ними оставлены промежутки для ширины зубьев шестерни.

Fig. 81.

И шестерни, и зубчатые колеса нарезаются фрезами, вращающимися с высокой скоростью, около 3500 раз в минуту, причем фрезы тщательно формируются для шестерен с прямыми краями, для зубчатого колеса — в эпициклоиды. Красиво видеть работающий зуборезный станок, фреза летает вокруг с гулом, нарезая обод латунного колеса в зубья, латунь отлетает хлопьями тоньше тонких волос и падает мелкой пылью. Когда зубец нарезан, колесо перемещается на одно деление аппарата, называемого «делительным диском», чтобы представить новую часть колеса фрезе. Конечно, фреза и колеса должны быть правильно пропорциональны. Фрезы продаются комплектами, должным образом сформированными для работы, которую они должны выполнять. Зуборезное дело — это особая отрасль часового производства. Причина, по которой скорость резания так высока, заключается в том, что желательно снимать небольшие порции металла за один раз и, таким образом, не перенапрягать колесо и режущее оборудование. Если бы делались большие срезы, то машина должна была бы работать медленнее, ибо принцип конструкции режущего оборудования заключается в том, что скорость резания всегда должна быть пропорциональна его глубине. Если вы хотите делать глубокие срезы, вы должны перемещать режущую кромку медленно, и наоборот. Самый современный метод изготовления зубчатых колес из латуни, и лучший, — это штамповка их из цельного листового металла одним ударом штамповочного пресса, и дешевые часы всегда изготавливаются таким образом. Фактически, весь метод изготовления часов претерпевает трансформацию.

До времени великого инженерного развития, которое произошло к концу XVIII века, изготовление машин было своего рода изящным искусством. Зубчатые колеса нарезались вручную. Окружность размечалась с помощью циркулей. Затем по ободу просверливались отверстия, и зубья вырезались, ведя к ним, и формировались с помощью специальных напильников, сконструированных для этой цели (рис. 82). Большие механизмы формировались в кузнице и напильником. Инженеры жаловались, что нельзя было сделать большую работу точной даже до восьмой доли дюйма. Но часы были прекрасно сделаны, хотя и ценой часов терпеливого измерения и опиливания. Вкус к орнаменту все еще существовал. Колеса и задние крышки часов были украшены самыми красивыми узорами; рамы часов были выкованы в прекрасные фигуры и формы. Даже астрономические инструменты были украшены.

Fig. 82.

Затем наступила эра строгой точности. Люди науки взяли управление машиностроением, чьи чувства были противны искусству в любой форме. Они ненавидели видеть любые усилия, затраченные на орнамент. Со строго утилитарными целями они изгнали всякое проявление красоты из инструментов и приспособлений всех видов, так что наши современные машины, от парового двигателя до часов, теперь являются моделями точного, но совершенно неоформленного мастерства. Они являются подходящими инструментами нации, которая носит брюки и высокие шляпы. Стоит только сравнить старое военное судно с его скульптурным носом и вымпелами с современным броненосцем, чтобы заметить разницу. Искусство орнаментации сейчас — это немногим больше, чем спазматическая имитация прошлого, представляющая только исторический интерес. Как живая сущность оно почти перестало существовать.

Но в точности производства нынешний век не имеет себе равных в истории мира. Люди больше не верят в старые методы соскабливания и опиливания, и ручная работа, непосредственно применяемая к металлу, быстро приходит в упадок. Можно, конечно, с помощью напильника и скребка и дней труда получить две плоские поверхности металла настолько совершенными, что при соединении одна поднимет другую, как присоска на камне, но это напрасный труд. Маленькая машина сделает это так же хорошо за несколько минут. Больше часы не строятся, как строят дом, подгоняя деталь к детали. С помощью дорогих машин тысячи деталей часов штампуются и вырезаются по шаблону, а затем часы собираются путем взятия по одной из каждой без разбора и простого помещения их на свои места. Сравнительно неквалифицированные рабочие могут это делать. Где требуется мастерство, так это в проектировании и изготовлении оборудования и наблюдении за фрезами, время от времени измеряя их микроскопическими калибрами и немедленно исправляя их, если обнаружено, что кромка отклонилась на десятитысячную долю дюйма. Так что труд человека становится все больше и больше трудом проектирования и контроля. Машины — это рабы, которые выполняют работу, ибо в хорошей машине у нас есть глаз и рука, которые никогда не устают и нуждаются только в поддержании в рабочем состоянии. Но машины не художественны, и поэтому искусство теряется, в то время как точность приобретается. В настоящее время предпринимается отчаянная попытка удовлетворить с помощью машин тягу человеческого разума к искусству. Но она обречена на провал. Искусство такого рода обычно создается тем же мозгом, который проектирует машины, и поэтому представляет собой видимость жесткой точности и единообразия, которая, будучи необходимой для двигателя, неуместна в художественном продукте.

Великие производители наших Мидлендс, кажется, не понимают, что нет смысла делать подставку для полотенец геометрически такой же точной, как токарный станок. По-видимому, пройдут годы, прежде чем они научатся ставить искусство и точность каждое на то место, где они нужны — точность в механизме часов, искусство в циферблате и корпусе; машинная работа внутри часов, ручная работа снаружи. Когда общественный вкус будет воспитан так, чтобы видеть отвратительный характер мешанины готического, египетского и бессмысленного орнамента на таком предмете, как корпус американского органа, будет сделан один шаг к возрождению художественного вкуса.

Но предлагать в качестве средства возрождения искусства то, что мы должны прекратить использование машин или отказаться от наших современных точных фрез, чтобы вернуться к ножовке и напильнику, смешно и могло быть предложено только людьми, совершенно лишенными научных идей. Искусство и точность — у каждого свое место: есть место для обоих; пусть ни одно не вторгается в область другого.

УКАЗАТЕЛЬ.

Acceleration, 73, 77

Almagest, 53

Anchor escapement, 120

Ancient science, 50

Aristotle’s ideas, 23, 52

Attwood’s machine, 83

Babylon, temple of, 24

Balance wheel, 159

Candles to measure time, 46

Chaldean day, 15

Chaucer, 56

Chronographs, 179

Chronometer, 165

Chronometer escapement, 166

Clock movement, 123

Copernicus, 56

Crossbow experiment, 183

Crown wheel, 115

Cycloid, the, 109

Dante’s Inferno, 54

Day, length of, 29

Dead beat escapement, 135

Density, 12

Driving weight, 127, 141

Earth, a sphere, 21

Earth’s motion, 57, 69

Earth not at rest, 67

Egg-boiler, 43

Electric clocks, 179

Epicycloidal wheels, 191

Escapements, anchor, 120

crown, 115

chronometer, 166

dead beat, 135

gravity, 169

Falling bodies, laws of, 62

Force, 76

Forces, revolution of, 89

Fusee, the, 117

«Диалоги» Галилея, 58

clock, 111

Grandfather’s clock, 119

Gravity, action of, 13, 65

Gravity escapement, 169

Greek day, 16

Harmonic motion, 97

Hooke’s law, 71

Isochronism of springs, 93

Lamps to measure time, 46

Latitude and longitude, 161

finding, 163

Mass, nature of, 10

Mercury clock, 45

Modern methods, 177, 197

Moments, 101

Moon’s appearance, 17

Motion, reliability of, 57

Musical notes, 95

North pole, days at, 33

Oscillations, law of, 151

Parabola, the, 87

Pendulum, the, 103, 145

suspension, 145

mercury, 147

gridiron, 149

theory of, 155

free, 133

Pisa, leaning tower of, 61

Planets, names of, 11

Pulse measurer, 99

Ratchet wheels, 129

Roman clocks, 40

Sand-glasses, 41

Space, nature of, 8

Speed of falling bodies, 79

Spring balance, 107

Stevinus’ theory, 81

Style of sun-dials, 35

Sun-dials, 27

to make, 48

Synchronous clocks, 175

Time, 13

Toothed wheels, 125, 137

Tuning fork, 94, 181

Velocities, composition of, 85

Water pressure, 37

Water clocks, 39

Watches, 156

Week days, names of, 24

Wheels, shape of teeth, 190

Wheel-cutting machines, 193

Winding drum, 131

Winter sun, 31

Zodiac, 18

БРЭДБЕРИ, ЭГЬЮ И КО. ЛТД., ПЕЧАТНИКИ, ЛОНДОН И ТОНБРИДЖ.

Примечание транскриптора

Пунктуация, расстановка дефисов и написание были приведены к единообразию, когда в этой книге была обнаружена преобладающая предпочтительность; в противном случае они не менялись.

Простые типографские ошибки были исправлены; случайные непарные кавычки были сохранены.

Двусмысленные дефисы в конце строк были сохранены.

Квадратные корни представлены как √(значения).

Указатель не проверялся на правильность алфавитного порядка или правильность ссылок на страницы.

Страница 16: «six clock» было напечатано как «six clock»; изменено здесь.