Как работают кварцевые часы с маятником

В этой статье мы попросили мастера ответить на вопрос: «Как работают кварцевые часы с маятником?», а также дать полезные рекомендации для наших читателей. Что из этого получилось, читайте далее.

Время – это явление, которое человек не способен воспринимать ни одним из органов чувств, поэтому чувствовать время ему помогают изменения, происходящие в природе. Земля вращается вокруг Солнца, поэтому количество света сообщает о том, день сейчас или ночь. Именно Солнце и стало первым ориентиром человека во времени. Солнечные часы – наиболее древние из всех, изобретенных человеком. Они представляли собой обыкновенный шест, воткнутый в землю, а вокруг него рисовалась временная шкала. Тень, падающая на землю от шеста, служила стрелкой. Подобные часы в настоящее время часто становятся украшением парков, а изготовить их можно и в домашних условиях – используя лист бумаги и иголку.

Чуть позже появились песочные или водяные часы – они отмеряли время, за которое песок или вода успевали полностью переместиться по узкому отверстию из верхней части часов в нижнюю. Наряду с песочными и водными использовались также огненные часы. Они представляли собой фитиль определенной длины, пропитанный медленно горящим составом. Догоревший фитиль означал окончание определенного отрезка времени.

Первыми механическими часами, по-видимому, следует считать Антикитерский механизм. То есть, он, конечно, не был первым, но это наиболее древний сохранившийся образец. Механизм был найден в 1901 году на затонувшем судне рядом с греческим островом Антикитера. Он представлял собой 37 бронзовых шестерней в деревянном корпусе, снабженном циферблатами, и предназначался, судя по всему, для расчета движения небесных тел.

Около 1000 года в Германии аббат Герберт изобрел первые маятниковые часы, которые, впрочем, не имели особого успеха.

Первые механические часы приводились в движение с помощью опускающего груза. Каменный или металлический груз, привязанный к бечевке или веревке, намотанной на вращающийся вал, опускаясь, приводил этот вал в движение. Такие часы использовались, например, на городских площадях.

Позже Галилео Галилей усовершенствовал маятник Герберта, который в последствии стали использоваться в часах. В таких часах использовались колебательные законы.

В 17 веке часовой механизм был усовершенствован настолько, что смог уместиться в карманных часах.

Механические карманные и наручные часы работают почти так же, как маятниковые. Только в действие механизм приводится не маятником, а маховым колесом – балансиром. В часах имеется туго скрученная металлическая спираль, от ее толчков балансир раскачивается из стороны в сторону, приводя в движение остальные детали. Латинское слово clocca, от которого произошло английское clock («часы») изначально обозначало «колокол», так как время отслеживалось не с помощью стрелок, а с помощью ударов колокола в определенное время суток.

Вообще, у любых механических часов строение схоже. Они имеют источник энергии, в данном случае заведенную пружину, спусковой механизм, маятник или балансир, механизм для подзавода или перевода стрелок, систему шестеренок и циферблат.

Когда крутится механизм для подзавода часов, пружина внутри скручивается плотнее, но со временем раскручивается. Именно поэтому такие часы необходимо заводить.

За несколько столетий человек смог значительно усовершенствовать наручные механические часы. Путем создания различных сложных по конструкции устройств удалось добиться точности хода до +-5 секунд в сутки. Но такие часы были сложны в изготовлении и, как следствие, очень дороги.

Электричество, все сильнее вторгавшееся во все области жизни человека, не могло обойти часовое дело. С появлением кварцевых технологий высокоточные часы стали доступны каждому жителю Земли, а качество часов стало зависеть не столько от мастерства и опыта людей, сколько от точности работы автоматических линий. Сегодня абсолютное большинство выпускаемых в мире часов относятся именно к кварцевым. Как они устроены, как работают и почему все больше людей отдают предпочтение именно кварцевым часам?

В двух словах

Основными элементами кварцевых часов являются электронный блок и шаговый электродвигатель. Электронный блок раз в секунду посылает импульс двигателю, а тот поворачивает стрелки.

Очень высокую стабильность частоты вырабатываемых импульсов, а значит, и высокую точность хода, обеспечивает кристалл кварца, из-за которого часы и получили свое название.

Батарейка, питающая электронный блок и двигатель, рассчитана на несколько лет работы и избавляет от необходимости заводить часы в течение всего этого срока. Получается уникальное сочетание высокой точности и удобства в использовании.

Иногда вместо циферблата со стрелками используется цифровой дисплей. Такие часы у нас принято называть электронными, но во всем мире их называют кварцевыми часами с цифровой индикацией. Это название подчеркивает, что, во-первых, основой часов является кварцевый генератор, а во-вторых, информация о времени в них отображается в виде цифр.

По сути, кварцевые часы являются мини-компьютером. Запрограммировав соответствующим образом микросхему, их легко превратить в многофункциональное устройство: хронограф, секундомер, добавить к ним будильник и т.д. Причем, в отличие от механических часов, их стоимость при этом возрастает не так сильно.


Зачем часам кристалл

Кристалл кварца обладает уникальными свойствами: при сжатии он порождает электрический импульс, а при воздействии электрического тока кварц сжимается. Таким образом, кристалл можно заставить сжиматься-разжиматься, т.е. колебаться, под воздействием электрического тока. Подбором размеров кристалла добиваются частоты резонанса 32768 герц.

Электронный блок кварцевых часов состоит из двух частей. Одна часть, генератор, вырабатывает электрические колебания, которые стабилизируются кварцевым кристаллом на его резонансной частоте. Таким образом, мы имеем генератор электрических колебаний, причем частота этих колебаний очень стабильна. Остается эти равномерные колебания превратить в равномерное же движение стрелок.

Генератор вырабатывает 32768 электрических колебаний в секунду. Это примерно в 10000 раз больше, чем число колебаний баланса в обыкновенных часах. Ни одно механическое устройство не может работать с такой скоростью. Поэтому другая часть электронной схемы, называемая делителем, преобразует эти колебания в импульсы частотой 1 герц. Эти импульсы подаются на обмотку шагового электродвигателя.

Двигатель состоит из статора, неподвижно закрепленной на нем катушки с обмоткой и ротора — постоянного магнита, насаженного на ось. При прохождении через катушку электрического импульса возникает магнитное поле, которое поворачивает ротор на пол-оборота. Ротор через систему шестерен вращает стрелки.

Сколько же прослужит «кварц»?

Колесный механизм у кварцевых часов имеет тот же ресурс, что и у механических. Очень долго прослужит и шаговый двигатель. Сегодня можно встретить работоспособные радиоприемники 20-х годов, т.е. ресурс электронных компонентов также велик и до конца еще не изучен. И, теоретически, хорошие кварцевые часы по долголетию не должны уступать механическим.

Статистики по «долгожительству» кварцевых часов пока не набрано, ведь они появились всего 30 лет назад. Но многие электронно-балансовые часы, выпущенные лет 40 назад, прекрасно ходят и по сей день.

С другой стороны, 100 лет назад часы передавали по наследству потому, что это была чрезвычайно редкая и дорогая вещь. Те времена давно прошли, сегодня все чаще мы покупаем новую вещь не потому, что старая испортилась, а потому, что она морально устарела. А срок, необходимый для морального устаревания, кварцевые часы выхаживают, доставляя владельцу минимум хлопот.

В нашей стране механические часы пока популярнее кварцевых. Но, по прогнозам зарубежных специалистов, в ближайшие годы ситуация будет резко меняться и через 4-5 лет доля кварцевых часов составит не менее 80% рынка.

Какие часы точнее?
У механических часов точность зависит от множества факторов: температуры, положения часов, степени завода пружины, износа деталей, регулировки. В кварцевых часах все проще: частота импульсов, вырабатываемых кварцевым генератором, практически постоянна. А двигатель и стрелки — это просто исполнительное устройство, их дело — вращаться по команде. И если для механических часов хорошим результатом считается отклонение +-20 секунд в сутки, а +-5 секунд — почти предельным, то основная масса кварцевых часов обеспечивает точность около +-20 секунд в месяц, а лучшие — до +-5 секунд в год. Даже дешевые кварцевые часы точнее механического хронометра.

Почему механизмы кварцевых часов часто делают пластмассовыми?
Все детали механических часов большую часть времени находятся под нагрузкой, которую создает заводная пружина, и только в очень малые моменты времени, когда баланс и анкерная вилка разрешают повернуться анкерному колесу, это напряжение падает. Большие нагрузки, высокое контактное давление, требуют использования твердых материалов, таких как сталь, латунь, рубин. В кварцевых же часах все наоборот: большую часть времени детали свободны. И только когда шаговый двигатель поворачивает колеса, на короткое время детали оказываются нагруженными. Это позволяет использовать более мягкие материалы. К тому же мощность, развиваемая шаговым двигателем, во много раз меньше мощности, развиваемой заводной пружиной. Чтобы двигатель смог повернуть стрелки, детали кварцевого механизма должны быть как можно легче, а трение — меньше. Пластик легче стали, а при специальном подборе пластиков удается сделать трение в паре «пластик-пластик» в несколько раз меньше, чем в паре «сталь-латунь», обычно используемой в механике. Другими словами, в кварцевых часах использование пластика по многим причинам предпочтительнее.

Кстати, у Seiko, например, состав пластмасс, используемых в механизмах, запатентован.

Почему в кварцевых часах обычно нет камней?
Потому, что они там не нужны. Вопреки распространенному мнению, камни в механических часах используются не потому, что они позволяют снизить трение, а потому, что рубин тверже и лучше выдерживает контактное давление. А в кварцевых часах оно очень мало.

Обычно в кварцевых часах ставят один камень — нижнюю опору ротора шагового двигателя. Дело в том, что статор двигателя достаточно сильно «притягивает» ротор, и эта опора единственное место в часах, где контактное давление относительно велико.

Почему кварцевые часы дешевле?
Точность хода кварцевых часов определяется только параметрами генератора. Кварцевые часы не требуют тонкой ручной настройки при сборке, в них относительно мало деталей. Это позволяет большинство операций по изготовлению деталей и сборке механизма поручить автоматике. Естественно, себестоимость таких часов ниже.

Боятся ли кварцевые часы ударов?
В кварцевых часах нет деталей, чувствительных к ударам подобно оси баланса в механических. Фактически, все кварцевые часы являются противоударными. Они почти не чувствительны к обычным в реальной жизни ударам, которые выводят из строя механику. Но экспериментировать, проверяя их на прочность, мы не советуем.

Какие часы дольше прослужат?
Многие говорят, что механические часы служат намного дольше, чем кварцевые. В пример приводят экземпляры сто и даже двухсотлетней давности. Но многие ли из часов, выпущенных 100 — 200 лет назад, работают сегодня

Журнал ЧАСОВОЙ БИЗНЕС
Автор: Вячеслав Медведев

Мы встаем, когда Солнце поднимается (или через некоторое время после) и ложимся в постель, когда оно заходит полностью. У нас есть календарь, основанный на днях, месяцах и годах — разные периоды времени, которые относятся к тому, как Луна и Земля вокруг Солнца крутятся в небе.
Люди нашли этот вид как «астрономический хронометраж» достаточно хороший для своих нужд.
Но, так как мир стал еще более безумный и сложный, люди были должны следить за часами, минутами и секундами, а также днями, месяцами и годами. Это означало, что нам стали нужны были точные способы сохранения времени. Сначала маятниковые часы и механические часы, использовались, чтобы быть лучшим способом это сделать . Сегодня многие люди используют кварцевые часы вместо механики , что они и как они работают?

Кварц — это очень дешево и часы, которые используют вряд ли в них много каких-либо движущихся частей. Вот почему он в настоящее время используется в самых недорогих часах. Потому что эти часы настолько точны и надежны.

Как обычные часы работают:

Мы все знаем, что часы показы
вать время, но вы никогда не задумывались, о том, как они это делает ? Наверное, самые простые часы вы могли бы сказать- это говорящие часы. Если вы считаете секунды, повторяя фразу, что занимает ровно одну секунду, чтобы сказать (так «слон», один «слона два», «три слона» …), вы поймете ,что можете сохранить время довольно точно. Попробуйте это. Произнесите слонов от одного до шестидесяти и увидите, насколько хорошо вы держите время на минуту, по сравнению с вашими часами.

Напольные часы, показывают качающийся маятник внутри.

Не плохо, да? Проблема в том, что у большинства из нас есть дела поважнее, чем весь день говорить «слон». Вот почему люди придумали часы. Некоторые из самых ранних часов использовали маятники, чтобы сохранить время. Маятник — длинный стержень и вес внизу , он раскачивается.
В 1583 году итальянский физик Галилео Галилей (1564-1642) обнаружил, что маятник определенной длины всегда занимает столько же времени, чтобы качаться назад и вперед, независимо от того, насколько тяжело это делают большие качели . Он понял это, наблюдая огромные лампы висящие на цепочке с потолка Пизы в соборе в Италии, и с помощью их пульсов времени как они качались туда и обратно. В часах, работа маятника является регулирование скорости передач (блокировки колес с зубьями нарезанных на краях). В шестерни подсчитали количество секунд, прошедших и конвертировали их в минуты и часы, отображая на стрелках, что обозначены вокруг циферблата. Говоря иначе: шестерни в часах маятника действительно просто считание слонов.

Маятник : Это качается стержень (с весом в нижней части) сохраняет время напольных часов. И этим одним из великих открытий мы обязаны Галилею.


Вы можете сделать часы с маятником, связывая вес куска палки. Если палка о 25 см в длину, маятник будет качаться взад и вперед примерно один раз в секунду. Более короткие палки будут качаться быстрее и более длинные палки медленнее. Беда с часами,маятник будет делать остановку. Сопротивление воздуха и трение в скором использовании превратит свою энергию и доведет ее до полной остановки. Вот почему у маятниковых часах есть пружины . Раз в день или около того, от ветра до пружины в часах превращается в потенциальную энергии, чтобы держать маятник в движении в течение следующих 24 часов.Через качели механизма, называемым спуск, маятник заставляет передачу, чтобы включить ее в точном размере, и это-то, как шестерни сохраняют время. Карманные часы, очевидно, слишком малы, чтобы иметь маятник внутри их, поэтому они использует другой механизм. Вместо того, маятник, имеет маховик, который превращает сначала в одну сторону, потом в другую, управляемый с помощью гораздо меньшего спускового механизма чем в маятниковых часах.

Как работают кварцевые часы.

Беда маятниковых часов и обычных часов является то, что вы должны держать пружину взведенной. Если вы забыли, они останавливаются, и вы понятия не имею,сколько время. Другая трудность с маятниковыми часами является то, что они зависят от силы тяжести, которая меняется очень незначительно с места на место; это означает, что часы с маятником колебаются раз по разному на больших высотах от уровня моря ! Маятникам также нужно изменить длину при изменении температуры, слегка расширяется в теплые дни и сужается в холодные дни, что делает их менее точными .

Кварцевые часы решают все эти проблемы. Они на батарейках, и, поскольку они используют так мало электроэнергии, батарея может держать несколько лет, прежде чем вам нужно заменить ее. Они также гораздо более точные, чем маятниковые часы. Кварцевые часы работают совсем по-другому, чем маятник часов и обычные часы. Они по-прежнему имеют шестерни рассчитывают секунды, минуты, часы и имеют стрелки вокруг циферблата. Но шестерни регулирует крошечный кристалл кварца вместо качающиегося маятника или движущегося колеса баланса. Гравитация не влияет вообще на кварцевые часы и они показывают время так же хорошо, когда вы поднимаетесь на гору Эверест, или, когда вы находитесь в море.

Крошечный кварцевый генератор изнутри кварцевых часов


Кварцевые — звучит экзотично»Q» и «Z», это великое слово, чтобы играть в Эрудита, но это на самом деле один из самых распространенных минералов на Земле. Он сделан из химического соединения диоксида кремния и называется (кремний также материал, из которого компьютерные чипы изготавливаются), и вы можете найти его в песке и в большинстве типов горных пород. Возможно, что самое интересное о кварце, это то что он пьезоэлектрический. Это означает, что если вы сжимаете кристалл кварца, то он генерирует в крошечный электрический ток. Обратное тоже верно: если вы проходите через электричество кварца, он вибрирует на частоте точного (он качает точное число раз в секунду).

Кварцевый генератор с часами. Вы можете видеть, как мал он.

Внутри кварцевый часовой, аккумулятор отправляет электроэнергию в кристалле кварца с помощью электронной схемы. Кристалл кварца колеблется (вибрирует назад и вперед) в точные частоты: ровно 32768 раз в секунду. Схема подсчитывает количество колебаний и использует их для генерации электрических импульсов регулярно, одно в секунду. Эти импульсы могут либо показывать ЖК дисплей (показывает время численно), или они могут управлять небольшим электродвигателем (крошечный шаговый двигатель, на самом деле), превращая шестерни, которые вращаются в секунды, минуты, часы и стрелки для часов.

Возможно у Вас есть свои мнения на тему «Как работают кварцевые часы с маятником»? Напишите об этом в комментариях.

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...
Adblock detector