Появляется вертушка – билянц

 

Как ни хороши были водяные часы, но все же они доставляли много огорчений и их владельцам, и мастерам‑часовщикам. Случится – попадет соринка – закупорится отверстие, через которое вытекает вода, и часы начинают бессовестно врать. Летом еще хуже – и пыли много, и жарко. На жаре вода в часах быстро испаряется; и бывало, что плохо закупоренные часы в жаркие дни не только отставали, они даже начинали идти назад, норовя после полудня снова показать раннее утро.

Изобретатели бились над тем, чтобы создать механизм более точный, более надежный, чем у водяных часов.

Некоторые аутоматарии клепсидрарии делали часы с поплавком и грузиком, то есть к поплавку прикрепляли не палочку с указателем, как в часах Ктезибия, а шнурок. Шнурок перекидывали через валик, а на другой конец шнурка привязывали небольшой груз – противовес. Когда вода в стакане прибывала, поплавок всплывал, гирька‑грузик тянула шнурок в свою сторону и постепенно опускалась, а шнурок поворачивал валик, на оси которого была насажена часовая стрелка.

Такие часы по внешнему виду были очень похожи на современные.

И вот кто‑то из средневековых мастеров‑часовщиков или ученых придумал, как обойтись без воды и поплавка. Пусть гирька, опускаясь, сама поворачивает валик и ось с часовой стрелкой. Надо только придумать приспособление вроде тормоза, которое мешало бы ей опускаться слишком быстро.

Такое приспособление было придумано, и появились часы с гирей, предки нынешних ходиков.

Имя изобретателя первых механических часов неизвестно. Историки предполагают, что первыми создателями часовых механизмов были арабы. В те времена, то есть 1000–1200 лет назад, арабы значительно превосходили европейцев своей культурой и образованностью. Тогда многие изобретения и технические новинки приходили из арабских стран.

Предками современных часов, по‑видимому, являлись всевозможные механизмы с зубчатыми колесами, при помощи которых арабские астрономы находили положение Солнца, Луны и планет. Эти механизмы освобождали астрономов от длинных вычислений. А если они уже существовали, то не так трудно было прийти к мысли заставить такой механизм двигаться самому, без участия человека, приделав к нему гирю и установив его на видном месте. Вот почему первые часы, появившиеся в Европе в XIII веке, были башенными часами.

Почти все они были установлены на башнях или фронтонах больших соборов. По внешнему виду они сильно отличались от современных башенных часов вроде тех, которые установлены на Спасской башне московского Кремля. У них было много циферблатов, которые движением стрелок показывали фазы Луны, движение Солнца по созвездиям Зодиака, движения планет. Словом, они должны были демонстрировать всем верующим «божественную премудрость», которая создала все эти движения небесных светил. Между всеми циферблатами, богато отделанными золотом и серебром, умещался и небольшой, скромный циферблат тоже с одной стрелкой, который показывал часы суток.

Лишь постепенно, когда башенными часами стали обзаводиться небольшие города и села, с них сняли дорогие украшения и, наоборот, сохранили часовой циферблат, прибавив к нему вторую стрелку, указывающую минуты.

В часах подобного устройства тормозом‑регулятором служит особая вертушка, называющаяся билянцем. Билянц состоит из коромысла с двумя грузиками на концах и оси, к которой прикреплены две лопатки.

Устройство необычайно простое, но оно обладает некоторой технической хитростью. Суть ее в том, что лопатки поставлены на некотором отдалении друг от друга и направлены в разные стороны.

Тяжелая гиря стремится опуститься и тянет шнур, на котором подвешена. Шнур намотан на барабан. Барабан поворачивается и приводит в движение зубчатое колесо, которое с ним соединено.

Гиря поворачивает барабан, барабан – шестеренку, а шестеренка повернуться не может – мешает лопатка на оси билянца. Она стоит между зубцами и преграждает путь. Зубец толкает лопатку вертушки. Лопатка уступает, поворачивается и пропускает зубец, но проскочить успевает только один зубец. Второй уже пройти не может, так как ось билянца успела повернуться и другая лопатка застряла между зубцами шестерни. Теперь уже она мешает шестерне вращаться. Очередной зубец нажимает на эту лопатку, поворачивает ее и проскакивает, но в этот момент первая лопатка входит в очередной промежуток и в свою очередь задерживает шестерню.

От толчков шестерни билянц крутится то вправо, то влево. При каждом его повороте проскакивает, только по одному зубцу. Гиря поэтому опускается не сразу, а постепенно– короткими, чуть заметными толчками.

Так «работает» билянц.

 

В те годы даже комнатные часы старались делать побольше размерами. Мастерам казалось, что от больших часов легче добиться нужной точности.

Когда между подмастерьями какого‑либо средневекового города случались стычки, то подмастерья часового цеха выходили на улицу, вооруженные часовыми и минутными стрелками. Стрелки были достаточно велики, чтобы служить вместо пик и копий.

Но размеры часов не оправдывали надежд часовщиков.

Чтобы регулировать ход таких часов, на коромысло билянца подвешивали грузы. Чем тяжелее были эти грузы, тем медленнее поворачивался из стороны в сторону билянц и медленнее опускалась гиря. Грузы для билянца приходилось применять изрядного веса. Например, для больших башенных часов в одном средневековом городе понадобилось несколько увесистых кирпичей. Их навалили на коромысло билянца и таким образом отрегулировали ход часов.

Конечно, часы с кирпичами или с мешками песка в регуляторе не могут отличаться ни точностью, ни надежностью. От большой нагрузки быстро снашивались оси и шестеренки. Ход часов нарушался. Весь механизм часов с билянцем был громоздок, груб, недолговечен и требовал постоянного надзора.

Так были устроены средневековые башенные часы.

 

У знаменитого датского астронома Тихо Браге в обсерватории было четверо часов с билянцем. Самыми надежными считались большие часы – у них одна шестеренка имела 1200 зубцов и была размером с тележное колесо. Около этих часов всегда лежал молоток. Когда часы капризничали, служитель подгонял шестеренки ударами молотка.

Понятно, что Тихо Браге не доверял механическим часам и предпочитал пользоваться ртутными.

Для астрономов часы с гирями были плохи. Им недоставало должной точности. Для городского же населения механические часы были достаточно удобны, и они быстро распространились по всей Европе.

Считается, что самые первые часы в Европе появились в 1233 году. Их прислал египетский султан в подарок римскому (германскому) императору Фридриху II (внуку Фридриха Барбароссы).

В России часы стали известны почти одновременно с Западной Европой. Уже в XIII веке летописцы начинают довольно аккуратно указывать не только год и день события, но и час его. Например, в 1300 году летописец отмечает: «Апреля в 18 день, в субботу Великую, в 1 час нощи загоряся на Варяжской улице… Вздвишеся буря и верзеся огнь».

Или другая запись:

«В 1299, Мая 22, в Пятницу в 7 часу дни скончася новгородский архиепископ Климент».

Записей с указанием дня и часа события – пожара, северного сияния, солнечного или лунного затмения – в наших древних исторических книгах очень много. Но ведь летописец не мог сам видеть все события; ему рассказывали о них очевидцы, и они сообщали летописцу время, когда случилось что‑либо примечательное.

Это доказывает, что часы были распространены в России и известны русским людям.

В 1404 году в Москве на дворце великого князя Василия, сына Дмитрия Донского, были установлены первые башенные часы. Их ставил сербин Лазарь, приехавший с Афона. Народ дивился княжеским часам, которые отбивали каждый час, и звон их колокола разносился по всей Москве.

Летописец отметил это событие и записал:

«Сий же часник наречется часомерье; на всякий же час ударяет молотом в колокол, размеряя и расчитая часы нощные и дневные: не бо человек ударяше, но человековидно, самозвонно и самодвижно, страннолепно, некако сотворено есть человеческой хитростью, преизмечтанно и преухишренно»[13].

То, что летописец называет: «человековидно, самозвонно и самодвижно», было механической фигурой человека с молотом в руках, которая отбивала часы.

Следуя примеру князя, многие богатые люди, а также монастыри и церкви стали ставить на башнях или колокольнях «боевые часы». Боевыми они назывались за то, что обладали боем. Иногда летописцы употребляли и другое название, например: «Постави владыка Евфий в Новегород часозвон». Новгородские «часозвоны» и поныне целы.

Русские мастера отличались большим искусством в изготовлении часов, но делали они их несколько иначе, чем в других странах. Наши часовщики считали неудобным, когда человеку приходилось искать глазами стрелку и угадывать, против какой цифры она остановилась.

Старинные русские часы имели вращающийся циферблат с семнадцатью буквами, означавшими цифры, и неподвижную стрелку. Цифра текущего часа всегда становилась на то место, где на нынешних циферблатах находится 12.

Именно такие часы были установлены на Спасской башне в Кремле. Иностранцы, бывавшие в Москве, изрядно удивлялись, глядя на часы непривычного для них вида.

Стрелка первых часов Спасской башни была укреплена над циферблатом неподвижно и всегда указывала на верхнюю цифру.

Диковинным был и бой этих курантов. Они вызванивали отдельно дневные и отдельно ночные часы, начиная счет каждый раз с начала. Первый час дня всегда начинался с восходом солнца, затем куранты отбивали часы по порядку до захода солнца.

Так как летом дни длинные, то в июле перед заходом солнца часы били семнадцать раз, оповещая москвичей, что идет семнадцатый час дня.

Мастерство московских часовщиков славилось далеко за пределами нашей Родины. Русские мастера налаживали и строили часы в Персии, Турции и других восточных странах.

 

Билянц получает отставку

 

Часы с билянцем в качестве регулятора хода прослужили человечеству несколько столетий, а затем развитие механики позволило создать более совершенный регулятор. Это важное научное открытие было сделано во время богослужения в Пизанском соборе.

В XVI веке все студенты были обязаны ежедневно посещать церковь. Этому правилу приходилось подчиняться будущему великому ученому Галилею, студенту медицинского факультета университета в городе Пизе, в Италии. Однажды во время богослужения в Пизанском соборе Галилей обратил внимание на люстру, свисавшую с потолка на длинных цепочках. По‑видимому, служители, зажигавшие в ней свечи, сделали это недостаточно осторожно, и тяжелая люстра медленно раскачивалась. Восемнадцатилетний Галилей не отличался усердием в молитвах. Его гораздо больше интересовали явления окружающей жизни. Он заметил происшествие с люстрой и следил за ее качаниями.

Наблюдательность, умение видеть в обычном необычное, в простом сложное составляет отличительную черту великих исследователей природы.

Тысячи, миллионы людей до Галилея видели, как раскачиваются люстры, лампады, качели, плотницкие отвесы и другие предметы, подвешенные на шнурках, веревках или цепочках. Но хотя это случалось наблюдать многим, никто до Галилея не заметил одной важной особенности качающихся предметов.

Галилей, приложив пальцы к пульсу, следил за все уменьшающимися размахами люстры. Удары сердца служили ему секундомером. Галилей проверял сделанное им открытие. Несмотря на свою простоту, оно казалось удивительным.

Еле дождавшись конца церковной службы, Галилей поспешил домой. Там он привязал ключ, гирьки разного веса и другие предметы к отрезкам нитки и стал их раскачивать.

Секундомером ему по‑прежнему служил пульс. С его помощью Галилей устанавливал законы качания маятника.

Прежде всего он обратил внимание на то, что гирька на нитке качалась все тише и тише и ее размахи становились все короче и короче, однако время одного качания заметным образом не уменьшалось.

Затем оказалось, что если размахи не очень велики, то и сила толчка тоже не влияет на время качания.

Не важно также, каков вес маятника. И тяжелая и легкая гирьки, подвешенные на нитках равной длины, качаются одинаково.

Значит, время малых качаний не зависит ни от размаха маятника, ни от силы толчка, ни от веса груза. Оно зависит только от длины маятника: длинный маятник качается медленнее короткого, короткий – быстрее длинного.

Так было открыто замечательное свойство маятника.

Спустя несколько лет Галилей понял, что маятник – как раз тот прибор, который необходим для часовых механизмов. Он несравненно лучше билянца. Ведь билянц зависит и от силы толчка, и от величины размаха, и от собственной тяжести. Маятник свободен от этой зависимости и может служить прекрасным регулятором для часовых механизмов.

1582 год записан в истории науки как год изобретения маятника. Галилей рекомендовал врачам пользоваться маятником при измерении пульса больных и сам постоянно употреблял его для измерения времени при различных опытах и при астрономических наблюдениях.

Поглощенный научными вопросами, Галилей не стремился к решению технических задач. Он не пытался соединить маятник с шестереночным механизмом часов и построить настоящие маятниковые часы. Только в конце своей жизни он уделил часам внимание и нарисовал чертеж будущих часов. Этот чертеж уже после смерти Галилея нашел среди его бумаг ученик Галилея, Вивиани, и опубликовал его. По этому чертежу построил первые часы с маятником сын Галилея. Однако это изобретение прошло незамеченным и изобретателем часов долгое время считался голландский ученый Христиан Гюйгенс, который взял патент на часы с маятником 16 июня 1657 года.

Устройство механизма часов с маятником понятно из чертежа. К верхней части маятника прикреплена пластинка с двумя зубцами‑лапками различной формы. Пластинка похожа на двухлопастный морской якорь; она и называется якорем.

Маятник качается, лапки якоря по очереди задерживают зубцы ходовой шестерни, пропуская их вперед по одному. Одновременно зубцы шестеренки нажимают на лапки, отталкивают их и тем заставляют маятник качаться.

Механизм часов с маятником.

 

Получается дружеское сотрудничество двух приборов. Барабан с гирей через набор шестеренок непрерывно подталкивают маятник, заставляя его качаться, а маятник, словно в благодарность за услугу, обеспечивает равномерную работу всего механизма.

Через систему шестерен, подобранных с определенным числом зубцов, движение барабана передается стрелкам, и стрелки движутся всегда одинаковыми, ровными «шажками».

Христиану Гюйгенсу принадлежит и другое важное изобретение. Он изобрел балансир – приборчик, который в карманных часах заменяет маятник.

Карманные часы существовали и раньше. Они, по‑видимому, появились на свет в самом конце XV века, когда силу тяжести гири догадались заменить спиральной пружиной. Но в качестве регулятора хода в первых карманных часах применяли маленький билянц.

Точностью они, разумеется, не отличались. Изобретение Гюйгенсом балансира позволило создать прекрасные карманные часы, а впоследствии– секундомеры и точнейшее морские и авиационные хронометры.

Балансир карманных часов представляет собой колесико с тонкой спиральной пружинкой‑волоском: время скручивания и раскручивания спиральной пружинки так же, как и качание маятника, зависит только от ее длины и размеров колесика. Но не следует называть балансир маятником. Между ними очень мало общего: маятник подчинен силе тяжести, а балансир своими свойствами обязан упругости стальной пружинки. Это совершенно разные приборы, – они только выполняют одинаковую роль.

Балансир, поворачиваясь вправо и влево на своей оси, заставляет качаться анкерную вилку, которая несет здесь обязанности якоря маятниковых часов. Она пропускает зубцы ходового колеса строго по одному, удерживая его от быстрого вращения.

Ходовое колесо в свою очередь толкает лапки анкерной вилки, заставляет ее поворачиваться и тем самым подталкивает балансир.

Вот эти‑то удары зубцов колеса по анкерной вилке и создают характерный звук: «тик‑так».

У обычных карманных часов это тик‑так раздается восемнадцать тысяч раз в час. Иначе говоря, балансир и анкерная вилка совершают пять колебаний в секунду.

За год анкерная вилка должна выдержать почти 158 миллионов ударов. Как ни слабы эти удары, но все же их миллионы. И капля, говорят, долбит камень, действуя не силой, а постоянством. Понятно, что анкерная вилка и зубцы ходового колеса должны быть очень прочны. Для этого в лапки анкерной вилки вставлены маленькие пластиночки из закаленной стали или кусочки драгоценных камней.

Механизм часов с анкерным ходом.

 

Кроме анкерной вилки или, как говорят, анкерного хода, есть и другие устройства часов. У будильников делают более простой штифтовой ход. У дешевых карманных часов бывает иногда цилиндровый ход; бывают и другие системы часов, но все они гораздо хуже анкерного хода, который был применен в первых часах, изготовленных по указанию Гюйгенса.

Для юных механиков, которые хотят познакомиться с часовым механизмом на практике, ленинградский завод металлоизделий № 4 выпускает особые часы. К ним приложены чертежи и описание. Часы нарочно сделаны так, чтобы их можно было разбирать и собирать.

Несмотря на простоту механизма, эти часы‑ходики отличаются вполне хорошим ходом.

 

Первые русские механики

 

В прошлые столетия русские часовщики достигли в своем деле большого совершенства. Механизмы, ими созданные, отличались сложностью и редким хитроумием.

Например, в середине XVIII века ржевский часовщик‑изобретатель Терентий Иванович Волосков построил замечательные астрономические часы. Они давали полную картину движения небесных светил на каждый год.

Золотое солнце плыло по голубому горизонту, который увеличивался или уменьшался в зависимости от долготы дня. Серебряная луна совершала свой путь, ежедневно меняя вид в соответствии с фазами настоящей Луны.

Стрелки часов указывали не только время суток, но и дни недели, месяцы, годы, особо отмечая високосные годы. Кроме того, в часах Волоскова помещался счетный механизм, который позволял производить сложнейшие вычисления и определять дни религиозных праздников.

Таких замечательных мастеров на русской земле всегда было много, но жили они в тяжелое время, когда на талантливых людей не обращали внимания; им негде было применить свои знания, опыт и способности.

Волосков всю жизнь провел в Ржеве; он строил телескопы и разные научные приборы. Изобрел замечательные краски, которые пригодились через сто лет после смерти изобретателя. Но при жизни Волоскова его изобретения не увидели света. Его замечательные часы стояли у стены.

В последние годы жизни изобретатель попросил жену завесить часы темным платком.

– Мне грустно на них смотреть, – говорил он.

Умер Волосков в безвестности и бедности в 1806 году.

С постройки замечательных часов начал свою деятельность знаменитый Кулибин – первый русский инженер‑механик.

Иван Петрович Кулибин родился в Нижнем Новгороде, ныне городе Горьком, 20 апреля 1735 года. Он с детства увлекался разными самоделками, строил водяные мельницы, флюгеры, трещотки и другие движущиеся игрушки.

Однажды у бродячего книготорговца мальчик приобрел книгу русского механика Ададурова – «Краткое руководство к познанию простых и сложных машин». В книге рассказывалось о рычагах и блоках, полиспастах, зубчатых колесах и шестереночных механизмах. Было там также описание часов.

Книга была написана весьма трудным языком, и не все было сразу понятно Кулибину, но он осилил ее и даже выучил наизусть. Больше всего заинтересовало Кулибина устройство часов. Он часто поднимался на колокольню нижегородского собора и подолгу простаивал там, изучая и срисовывая механизм соборных часов.

Дома он выпиливал зубчатые колеса из дерева, стараясь сделать деревянный часовой механизм. Часы он построил, но ходить они не стали: дерево – не подходящий материал для сложного механизма.

Когда Кулибину исполнилось семнадцать лет, ему случилось побывать в Москве. Там он познакомился с одним часовщиком, который рассказал ему о своем ремесле и продал испорченный токарный станок и старый, пришедший в негодность, инструмент.

Кулибин привез покупку домой, починил и наладил токарный станок, привел в порядок инструмент и принялся строить часы, вроде тех, что видел в Москве.

Часы получились удачные. Каждый час в игрушечном домике над циферблатом открывалась дверка и из домика выглядывала серенькая птичка. Она кланялась и кричала «ку‑ку». Если стрелки показывали девять часов, то и птичка девять раз кланялась и куковала. Потом она пряталась до следующего часа.

Такие часы в те годы были диковинкой, и у Кулибина от заказчиков не было отбоя.

Однажды, увидев привезенные кем‑то в Нижний Новгород телескоп и микроскоп, Кулибин немедля приступил к делу и построил эти приборы. Для изготовления металлического зеркала телескопа ему пришлось изобрести свой сплав металлов и найти способ полировки стекла.

Работая над приборами, Кулибин обдумывал устройство совершенно особых часов, каких до него никто не делал.

Над постройкой своих часов Кулибин трудился несколько лет и закончил их в 1767 году. Видом и величиной они были «между гусиным и утиным яйцом», заводились раз в сутки и вызванивали в серебряный колокольчик часы, получасы и четверти.

На исходе каждого часа сбоку золоченого корпуса часов раздвигались створчатые дверцы и в глубине, как на маленькой театральной сцене, появлялись человеческие фигурки, разыгрывавшие небольшую пьеску религиозного содержания. После представления в часах играла музыка и дверцы закрывались до следующего часа. В полдень часы играли гимн, сочиненный самим Кулибиным.

Часы «яичной фигуры» прославили нижегородского механика. В 1769 году Кулибина вызвали в Петербург и назначили заведующим мастерскими Академии наук.

В этой области он стал непосредственным преемником и продолжателем великого ученого и первого русского академика Михаила Васильевича Ломоносова, трудившегося над созданием отечественных приборов вплоть до смерти в 1765 году.

Кулибин заведовал мастерскими свыше тридцати лет. Из его рук вышли первые русские микроскопы и телескопы, барометры и термометры, геодезические инструменты, электрические машины для различных опытов, точные весы и многие другие приборы по заказам ученых.

Построил Кулибин еще одни замечательные часы, превосходившие по сложности астрономические часы Волоскова.

Их механизм имел недельный завод. Над циферблатом помещалась серебряная, величиной с голубиное яйцо, луна. Ее вид менялся каждые сутки, показывая фазы настоящей луны.

Вокруг циферблата располагались двенадцать созвездий Зодиака. Золотое солнце двигалось по Зодиаку и показывало место Солнца среди звезд. По этому же кругу двигались изображения планет.

На циферблате имелось еще два круга – черный и белый, которые сообщали продолжительность дня и ночи на каждые сутки. Стрелки часов показывали часы и минуты, дни недели, месяцы и годы; отдельные указатели отмечали дни солнечных и лунных затмений.

На минутной стрелке в дополнение к основным часам помещались удивительно маленькие часики, с гривенник величиной.

Кулибинские астрономические часы до Отечественной войны 1812 года находились в подмосковном поместье графа Бутурлина. Во время нашествия французов их для сохранности утопили в пруду. После изгнания французов из Москвы часы достали, вычистили и пустили в ход.

Последнее сообщение об астрономических часах найдено в газетах 1853 года. Граф Бутурлин продал их за 18 тысяч рублей. Что сталось с часами в дальнейшем, – неизвестно.

Первые же кулибинские часы «яичной фигуры» сохранились. Они находятся сейчас в государственном Эрмитаже.

Часы не были главной работой Ивана Петровича Кулибина. Этот гениальный инженер‑механик еще большую славу завоевал другими своими изобретениями.

К сожалению, Кулибин родился в такое время, когда игрушки ценили больше, чем настоящие полезные изобретения. Талантливому инженеру и изобретателю постоянно приходилось заниматься изготовлением всяких фейерверков, украшений, забав и фокусов с зеркалами и цветными стеклами для придворных празднеств.

Для настоящей работы у гениального русского изобретателя времени оставалось мало, да и денег на это не отпускали. Строитель первых русских телескопов, микроскопов, изобретатель‑инженер, ученый‑механик жил, еле сводя концы с концами, и был вынужден отчитываться перед академическим начальством в каждой свече, которую он сжег во время ночной работы.

В 1813 году Кулибин по старости был уволен из Академии и уехал на родину, в Нижний Новгород. Там он продолжал трудиться над своими изобретениями и умер за работой 12 июля 1818 года.

После Кулибина славу русских механиков поддерживали многие талантливые мастера часового дела.

Среди них – Яков Лебедев, управлявший часами Спасской башни в Кремле, костромские изобретатели – Красильников, который построил «славный хронометр», и Соболев, который по образцу часового механизма изобрел распиловочную машину.

Отмечен в истории и Василий Лебедев, строивший башенные часы с музыкой и боем, а также отец и сын Пушкаревы. Владимир Михайлович Пушкарев за полвека работы, к 1950 году, построил и установил более полутораста башенных часов в различных городах Советского Союза.

Часовщиков прошлых столетий неправильно называть часовщиками. Это были настоящие ученые механики, талантливые инженеры, от которых началась вся современная техника машиностроения.

Часы и мельница – вот два механизма, которые являются родоначальниками всех современных станков и машин. Первые инженеры с их постройки начинали и переходили к другим, более сложным механизмам.

Поэтому многие важные машины – прядильные, ткацкие, токарные, сверловочные и другие станки – изобретены именно часовщиками.

Часы служили учителями первых инженеров и механиков.