Механика времени

Первые механические часы, в которых есть часовой механизм, а не солнечная тень, были созданы в Китае в 725 году н. э. Поначалу даже в механических часах использовали воду или песок, чтобы они показывали время. Эти системы были намного сложнее, чем обычные водяные часы, так как вода вращала механизм часов наподобие колеса водяной мельницы. В конце концов эти системы заменили более надежными и менее мокрыми системами гирь и блоков. Но настоящим механическим часам необходим источник энергии, а батарейки еще не придумали.

Так что же делать?

Давайте вспомним физику. Кинетическая энергия – это энергия движения. Потенциальная энергия – это энергия, которой объект обладает благодаря своему положению (то есть все наготове и ждет только отмашки). Натянутая тетива лука обладает потенциальной энергией, которая превратится в кинетическую энергию, когда стрела будет пущена. На вершине водопада вода обладает потенциальной энергией, которая будет выпущена при падении воды, и ее можно использовать для вращения водяного колеса.

Есть два разных вида потенциальной энергии: гравитационная (энергия при взаимном расположении тел) и энергия упругой деформации. Падающая вода, которая вращает водяное колесо, – это пример гравитационной потенциальной энергии. Она использует эффект гравитации, чтобы передвигать предмет с одного места на другое. Лук и тетива – это пример энергии упругой деформации. В систему необходимо вложить энергию, растянув или сжав ее, чтобы возникла потенциальная энергия. Когда вы натягиваете тетиву лука, вы вкладываете энергию в систему, создавая потенциальную энергию упругой деформации. Когда вы отпускаете стрелу, потенциальная энергия превращается в кинетическую.

Вне зависимости от того, какой вид потенциальной энергии использует часовщик – маятник или пружину, – необходим механизм, который будет получать эту энергию и превращать ее в кинетическую, то есть в энергию движения. В механических часах этот механизм называется спуском, или анкерным механизмом. Когда маятник раскачивается взад и вперед, соединенный с ним рычаг постоянно вращает колесико.

Маятник качается ритмично, чтобы при каждом его движении зубчатое колесико поворачивалось на одно деление. Это позволяет всем остальным, связанным между собой колесикам, вращаться в определенном ритме, поэтому стрелки часов перемещаются через определенный интервал времени. Пружина в часах служит для той же самой цели, что и гири или маятник, но позволяет сделать часы меньшего размера, которые можно носить с собой. С маятником такое невозможно.

Часы меньшего размера, которые можно было носить с собой, начали появляться в Европе в пятнадцатом веке. Они решили проблему размера и удобства, но возникла новая трудность. Когда пружина расправлялась, она теряла энергию. Сначала пружина была сжата очень туго, в ней было много энергии, а в конце расправлялась, и энергии в ней оставалось совсем мало. Часы начинали отставать. Иными словами, эти первые модели были маленькими и удобными, но не могли точно показывать время.

Решение нашлось в 1657 году, когда была изобретена балансирующая пружина – тонкая как волосок свернутая полоска металла, соединенная с зубчатым колесиком?регулятором (балансом). По мере того как балансирующая пружина раскручивается, балансирующее колесико начинает поворачиваться вперед и назад, давая энергию всему механизму. Он пульсирует словно сердце, с четким ритмом равных интервалов. Этот ритм контролирует скорость поворота колесиков и зубчатых шестеренок, равномерно распределяя энергию на определенный период времени. Поэтому часы идут верно. Для этой единственной инновации потребовалось почти пять столетий.

Часы относятся к самой древней форме технологии. Возьмите любое тысячелетие или любой век, включая наш, и вы увидите, что хронометрия и инженерная мысль старались сделать часы воплощением мастерства, механики и понимания космоса.