Принцип действия турбийона
by 蒙提．赫爾曼Значимость изобретения безусловно определяется его долговечностью и количеством его воспроизведений.
Изобретенный Абрахамом-Луи Бреге в 1801 году турбийон полностью соответствует этим двум критериям. С одной стороны, его популярность нисколько не уменьшается спустя более двух веков после создания. С другой стороны, проведенный недавно анализ показал, что более 100 часовых брендов заявили о наличии турбийона в их коллекциях, при этом большинство доверяют его разработку и производство сторонним компаниям.
Слава турбийона также обусловлена самим его названием, значение которого в часовой среде сложно переоценить. Выбранное изобретателем А.-Л. Бреге название tourbillon, которое в переводе с французского означает «вихрь» или «круговорот», говорит о сходстве движения конструкции с вращением планет вокруг своей оси.
Эта отсылка к астрономии и картезианской философии прошла испытание временем столь же успешно, как само изобретение.
Up:
Выдержка из патента Breguet на турбийон 1801 года.
Даже если это одно из выдающихся достижений часового искусства пользуется невероятной популярностью среди коллекционеров со всего мира, многие ли действительно понимают его принцип действия?
В большинстве определений турбийона упоминается конструкция, призванная компенсировать воздействие сил земного притяжения на точность хода часов, и, зачастую, на этом пояснения заканчиваются. В чем заключается воздействие гравитации? Как оно влияет на работу часов? И наконец, как турбийон справляется с данным воздействием?
Чтобы разобраться с вызванными гравитацией проблемами и тем, как механизм турбийона позволяет их решить, начнем с краткого обзора основополагающих принципов.
Карманные часы, а впоследствии и наручные часы появились благодаря одной ключевой инновационной разработке – системе «баланс-спираль», изобретенной в 1675 году физиком, математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом.
Данная находка, основанная на исследованиях Галилея, берет свое начало в проводимом Гюйгенсом изучении маятниковых часов. Исследование физических свойств маятников привело к созданию спиральной пружины, позднее использованной изобретателем для разработки карманных часов.
В ходе анализа маятник и спиральная пружина рассматривались как колебательные системы. Главным объектом исследований Гюйгенса стали изохронные свойства, точнее то, как период колебаний (другими словами – их частота) изменяется в зависимости от амплитуды колебаний.
В результате ему удалось разработать теорию относительно свойств возвращающей силы обоих видов колебательных систем: маятников и спиральных пружин.
При смещении маятника относительно центра (его самого низкого положения) под действием сил земного притяжения он вновь возвращается в центр. Гравитационная сила возвращает маятник из места его смещения в центр.
Поскольку тангенциальный потенциал влияния гравитационной силы на маятник зависит от угла смещения, если угол смещения (угол, определяемый с учетом положения относительно центрального расположения) увеличивается, возвращающая сила возрастает.
Иными словами, возвращающая сила маятника имеет нелинейный характер и изменяется в зависимости от угла.
Таком образом, на возвратно-поступательное движение маятника влияет угол колебания. Чем больше угол колебания, тем ниже скорость.
Up:
Изучение маятников привело к созданию баланса колеса и спиральной пружины. Поскольку возвращающая сила тяжести изменяется в зависимости от угла движения, скорость маятника также изменяется в зависимости от угла.
В идеале скорость колебаний не должна зависеть от угла колебания. Такие колебательные системы называются изохронными.
Поскольку нелинейная скорость колебаний маятника изменяется в зависимости от угла, маятник не является изохронным осциллятором. Идеальная же изохронная колебательная система сохраняет постоянную скорость даже при малом угле колебаний.
Гюйгенс пришел к заключению, что баланс со спиральной пружиной приближаются к совершенной модели. Идеальная спиральная пружина обеспечивает пропорциональность возвращающей силы размеру угла.
Другими словами, при повороте баланса на определенное количество градусов момент идеальной спиральной пружины теоретически должен быть пропорционален градусам вращения. Чем больше угол вращения, тем выше значение возвращающей силы.
Одним словом, при идеальной комбинации баланса и спирали теоретически можно получить абсолютно изохронный осциллятор, частота которого не изменится в зависимости от угла вращения, который часовые мастера называют «амплитудой».
Как мы увидим позже, теоретически безупречный изохронный осциллятор Гюйгенса, тем не менее, имеет некоторые недостатки, которые становятся очевидными на практике.
В современной стандартной конструкции баланс закреплен на оси. Такая ось, как правило, опирается на два камня с выемками. Эти камни называются «накладными».
Данная система гарантирует свободное колебание баланса с минимальным трением.
Up:
Теоретически, при идеальной комбинации баланса и спирали частота может оставаться неизменной при изменении угла вращения. В действительности же возмущающие моменты возникают из-за смещения центра тяжести по отношению к центру вращения.
Чтобы понять принцип действия турбийона, необходимо прежде всего изучить влияние гравитации на функционирование баланса часов. В ходе изучения баланса Абрахам-Луи Бреге выявил три основных причины возникновения погрешностей, вызванных силой земного притяжения: возмущающие моменты, износ или трение и смазка.
Фрагмент его заявки на оформление патента 1801 года:
«С помощью этого изобретения мне удалось компенсировать отклонения, вызванные перемещением центра тяжести относительно положения регулятора, распределить трение по всей полукруглой поверхности опор данного регулятора и выемок, в которых они перемещаются, обеспечить неизменное качество смазки в точках соприкосновения, независимо от сгущения смазки, с целью устранить множество других причин возникновения погрешностей, которые в той или иной степени влияют на точность хода механизма, что до настоящего времени удавалось достичь исключительно методом проб и ошибок, без какой-либо надежды».
Его чрезвычайно обширные знания по сей день служат ориентиром в работе часовых мастеров. Изучим каждый фактор.
Возмущающие моменты. Данный феномен связан с особенностями конструкции баланса и его спиральной пружины. У каждой спирали два конца, один из которых прикреплен к оси баланса с помощью муфты, а другой зафиксирован на колонке.
Два аспекта данной конструкции могут стать причиной незначительного смещения центра тяжести, в идеале совмещенного с осью вращения. Первый аспект связан с креплением внешнего конца спирали. Поскольку данное крепление не всегда позволяет сформировать завершенную окружность, центр тяжести смещается относительно оси баланса (центра вращения).
Отдавая себе отчет в том, что такое смещение нарушает гармонию, Абрахам-Луи Бреге внес усовершенствование, применив еще одно из своих изобретений – концевую кривую, которая теперь носит его имя. Вместо крепления внешнего конца спирали к расположенной рядом с внешним витком спице А.-Л. Бреге филигранно доработал спираль, загнув конец вверх относительно основной части спирали и сместив место крепления внутрь.
Приподнятое положение внешнего конца спирали призвано максимально совместить центр тяжести спирали с центром вращения, определяемым осью баланса.
Сам баланс может стать причиной смещения центра тяжести. Это случается, когда не достигнуто идеальное равновесие баланса: его центр тяжести смещается от центральной оси.
Изобретение концевой кривой Breguet.
Чтобы приблизить центр тяжести пружины баланса к центру вращения и, тем самым, уменьшить возмущающие моменты, возникающие в результате земного притяжения, нужно поместить внешний конец спирали поверх ее основной части и перенести точку крепления внутрь.
Что означает смещение центра тяжести?
Представьте вертикально расположенные часы. Если центр тяжести спирали находится ниже оси, то возникающее в результате такого смещения движение будет противоречить теоретически идеальному возвратному движению самой спирали, поскольку инициированное силой земного притяжения движение будет сокращать возвращающую силу спирали на 180 первых градусах вращения баланса до тех пор, пока смещенный центр тяжести не достигнет максимально высокого положения над траекторией.
Данные моменты притяжения также вступят во взаимодействие с энергией импульса, поставляемой спусковым механизмом для вращения баланса.
Одним словом, данные моменты усиливают или уменьшают естественное движение спирали и энергию импульса спускового механизма, таким образом ускоряя или замедляя вращение, которое в свою очередь замедляет или ускоряет частоту колебаний.
В обоих случаях речь идет об отклонениях относительно идеальных показателей баланса, выполняющего роль колебательной системы.
Также стоит отметить, что смещение центра тяжести может в конечном итоге сбить настройки самого баланса. Это вызовет те же последствия, что и смещение центра тяжести спирали.
Износ/трение. Ось баланса с двух сторон фиксируется накладными камнями. И хотя они позволяют значительно сократить трение по сравнению с предшествующими конструкциями, такие опоры не дают возможности полностью избавиться от трения, особенно когда часы находятся в вертикальном положении.
На интенсивность трения влияет ряд факторов. В частности, это может быть незначительная деформация самой оси или опор, а также их неравномерный износ. В положении с наименьшим трением амплитуда увеличивается по сравнению с положением, в котором трение более значительное.
Смазка. Со временем распределение масла в накладных камнях может стать неравномерным. Как и в случае с износом/трением, такая неравномерность может привести к повышению трения в определенных вертикальных положениях и более низкому уровню трения в других положениях, что в свою очередь повлияет на амплитуду и частоту колебаний.
Все эти виды влияния гравитации на амплитуду/частоту колебаний объединяют две вещи. Они возникают только тогда, когда часы и их баланс расположены вертикально, и изменяются в зависимости от положения часов.
Так, учитывая в числе прочего данный фактор, часовые мастера обычно проверяют амплитуду и частоту колебаний в четырех вертикальных положениях: заводная головка вверх, заводная головка вниз, заводная головка влево и заводная головка вправо.
Принцип действия турбийона заключается в развороте отвечающих за функционирование часов элементов – баланса, спирали и спускового механизма – на 360 градусов, для компенсации небольших погрешностей.
В ходе вращения данные элементы оказываются в положениях с повышенной частотой колебаний (уменьшенной амплитудой) или с пониженной частотой колебаний (увеличенной амплитудой).
Довольно простой кажется концепция турбийона, которая заключается в постоянном вращении элементов, отвечающих за функционирование часов, на 360 градусов. При этом ее претворение в жизнь представляет собой одну из наиболее сложных задач в часовом производстве.
Для обеспечения вращения баланс, спираль и спусковой механизм помещают в каретку. Колесная передача передает с заводного барабана энергию, необходимую для совершения кареткой оборотов. Гениальный Бреге сумел интегрировать данное вращение в работу баланса и спускового механизма.
Для этого вращающийся с кареткой спусковой механизм оснащен трибом, который входит в зацепление с неподвижным колесом. Скорость вращения и ритм колебаний баланса определяются блокировкой и разблокировкой спуска.
В наиболее распространенной конструкции, описанной в патенте Бреге 1801 года, система включает в себя расположенный под кареткой триб для передачи необходимой энергии, поставляемой через колесный механизм с заводного барабана. Также под кареткой находится неподвижное колесо, вокруг которого вращается весь модуль.
Концепция турбийона предусматривает одно обязательное условие. В стандартных часах пружина заводного барабана обеспечивает энергией зафиксированные в одном положении баланс и спусковой механизм. В турбийоне заводной механизм выполняет двойную функцию: он не только питает энергией баланс и спусковой механизм, но и вращает каретку.
Именно этим обусловлена филигранность исполнения, направленная на уменьшение веса всего модуля.
В этом плане показательным является общий вес каретки, баланса, спирали и спуска турбийонов Breguet, который составляет от 0,290 до 0,895 грамма.
В настоящее время практически все турбийоны из коллекции Breguet совершают один оборот в минуту. Это, кроме всего прочего, позволяет устанавливать на каретке секундную стрелку, выполняющую роль малой секундной стрелки.
Между тем, теоретически нет никакой необходимости в ежеминутном обращении турбийона вокруг своей оси. Любая другая частота вращения позволяет с таким же успехом компенсировать погрешности хода. Кстати, первый турбийон А.-Л. Бреге совершал полный оборот вокруг своей оси за четыре минуты.
Для любого поклонника часового искусства чрезвычайно интересно наблюдать за движением турбийона в часах, помещенных на прибор Witschi для определения его скорости в режиме реального времени. На экране прибора отображается безупречная синусоидальная волна, представляющая ускорение и замедление вращения каретки.
За два десятилетия с момента изобретения всего 35 экземпляров с турбийоном было выпущено парижской мастерской Абрахама-Луи Бреге на Часовой набережной (Quai de l’Horloge).
Конечно, даже в самых смелых мечтах он не мог представить себе дальнейшую судьбу своего изобретения, которому не пришлось пылиться в музее. Напротив, разработчики механизмов Breguet сосредоточили весь свой творческий потенциал на усовершенствовании базовых принципов функционирования турбийона и вывели его проектирование на новый уровень.
В качестве примеров можно привести сверхплоский турбийон в моделях Classique Tourbillon Extra-Plat, Marine Tourbillon Équation Marchante, Classique Tourbillon Extra-Plat Squelette и Classique Tourbillon Extra-Plat Anniversaire.
Чтобы сделать механизм максимально тонким, в конструкции был изменен сам принцип передачи энергии на каретку и процесс зацепления спускового триба с неподвижным колесом.
Тогда как в стандартной версии каретка соединяется с колесным механизмом часов через нижний триб, в сверхтонкой конструкции энергия передается с внешней стороны каретки. Таким образом удалось избавиться от дополнительной толщины триба.
Также с целью уменьшения толщины спусковой триб, входящий в зацепление с расположенным под кареткой неподвижным колесом, был заменен системой зацепления спуска с неподвижным зубчатым кольцом, расположенным снаружи.
Оба усовершенствования позволили модернизировать механизм, при этом основополагающие принципы работы и функционирования турбийона остались неизменными.
Up:
Слева: каретка турбийона часов Classique Tourbillon Extra-Plat 5377; справа: каретка турбийона часов Tradition Tourbillon 7047.
Right:
Слева: каретка турбийона часов Classique Tourbillon Extra-Plat 5377; справа: каретка турбийона часов Tradition Tourbillon 7047.
Up:
Слева: каретка турбийона часов Classique Tourbillon Extra-Plat 5377; справа: каретка турбийона часов Tradition Tourbillon 7047.
Часы Tradition Tourbillon стали очередным концептуальным прорывом.
Диаметр каретки и баланса невероятно увеличен для достижения гармонии и эстетичности общей композиции с лицевой стороны часов с видимыми турбийоном, заводным барабаном, цепной передачи с фузеей и, конечно же, со смещенным относительно центра циферблатом.
Дизайн же самого турбийона представляет собой симбиоз традиций и современности. Созданные по историческим канонам спицы каретки напоминают образцы, описанные в патенте 1801 года. И хотя форма спиц создана на основе патента, их число было увеличено.
В самом первом варианте конструкция каретки включала в себя всего две опорные спицы. Для повышения прочности каретка модели Tradition Tourbillon укреплена тремя верхними и шестью нижними спицами.
Особое внимание было уделено спирали. Негативное воздействие сил земного притяжения нивелируется не только благодаря вращению турбийона, но и наличию облегченной спирали из кремния. В качестве дополнительной меры по усовершенствованию технических характеристик в модели Tradition Tourbillon также используется концевая кривая Breguet.
На кремниевую спираль с концевой кривой Breguet оформлен патент.
Помимо этого, оба примера из современной коллекции свидетельствуют о внедрении в турбийон авангардных материалов. В нем, естественно, присутствует спираль из кремния. Изменения также коснулись каретки и баланса, они выполнены из титана.
Легкость титана по сравнению с используемыми ранее материалами позволила уменьшить инерцию и таким образом улучшить хронометрические характеристики часов, а также повысить запас хода.
На баланс Breguet из титана оформлен патент.
При изучении эволюции турбийона с момента его создания более двух веков назад, отраженной в различных моделях современной коллекции Breguet, нельзя не заметить то, насколько актуальными во все времена остаются глубочайшие познания Абрахама-Луи Бреге в области создания высокоточных механизмов, которые легли в основу его трудов.
Не менее поразителен и идеальный союз современных технологий и исторического изобретения.
