Устройство механических часов: как они работают и что внутри

Наручные часы с механизмом размером с монету делают от шести до восьми ударов в секунду, то есть десятки тысяч ударов за час. Внутри нет ни электроники, ни батареи, только металл, рубины и закрученная пружина. И при этом они отсчитывают время с точностью до нескольких секунд в сутки. Как это возможно, помогает понять простая идея: энергию пружины нужно выдавать равными порциями, а порции отмерять чем-то очень равномерным — колебаниями. Ниже — из чего состоят механические часы, как они идут, зачем нужны камни, чем работает автоподзавод и в чём отличие от кварцевых.

Из чего состоят механические часы

Механизм часов называют калибром. Его части удобно проследить по пути энергии: от пружины к стрелкам.

Часть	Что делает
Заводная головка и заводной вал	Головка, за которую заводят пружину и переводят стрелки
Барабан с заводной пружиной	Длинная стальная лента, свёрнутая в спираль; накапливает энергию
Колёсная передача	Цепочка зубчатых колёс: передаёт вращение от барабана к спусковому колесу и стрелкам, повышая скорость и снижая усилие
Спусковое колесо	Последнее колесо передачи: пропускает энергию порциями
Анкерная вилка	Рычаг, который поочерёдно останавливает и отпускает зубцы спускового колеса
Баланс	Колесо-маятник: колеблется вперёд и назад и задаёт ритм часов
Волосок	Тонкая спиральная пружинка на балансе: возвращает его в середину, чтобы он колебался
Камни	Синтетические рубины в опорах осей: уменьшают трение
Стрелочный механизм	Колёса, которые вращают часовую и минутную стрелки от одной оси
Ротор (в часах с автоподзаводом)	Качающийся грузик: заводит пружину от движения руки

Как работают механические часы

1. Вы заводите пружину. Вращение головки закручивает пружину в барабане, и она накапливает энергию.
2. Пружина стремится раскрутиться. Она давит на барабан и раскручивает первое колесо передачи.
3. Колёса передают вращение. Каждое следующее колесо вращается быстрее предыдущего, а сила падает.
4. Спусковое колесо упирается в анкер. Пока анкерная вилка держит зубец, колесо стоит.
5. Баланс качнулся. Его колебание поворачивает вилку, которая отпускает один зубец и тут же ловит следующий.
6. Зубец даёт толчок. Когда зубец проскальзывает, спусковое колесо передаёт вилке, а через неё балансу короткий импульс, чтобы баланс не затухал.
7. Стрелки продвигаются на шаг. Колёсная передача проворачивается ровно на один зубец. Звук «тик-так» — это удар зубцов и вилки.

Так энергия вытекает малыми, равными порциями. Без спуска пружина размоталась бы за секунду, а стрелки метнулись бы по кругу. Баланс работает как маятник: время одного колебания почти не зависит от размаха, поэтому и часы идут ровно. Похожий принцип используют маятниковые часы, которые придумал в XVII веке Христиан Гюйгенс; в наручных часах маятник заменил баланс с волоском.

Частота колебаний баланса обычно составляет три или четыре герца, то есть 21 600 или 28 800 полуколебаний в час. Секундная стрелка у таких часов делает от шести до восьми шажков в секунду, поэтому выглядит плавной, а не шагает раз в секунду, как у кварцевых.

Зачем нужны камни

В механизме десятки осей, и все вращаются в опорах. Если делать опоры из латуни, она быстро изнашивается и трение растёт. Поэтому в опоры ставят кусочки синтетического рубина: корунд очень твёрдый и гладкий, трение об него мало, износ ничтожен. Красный цвет не для красоты, а из-за примеси хрома: это свойство рубина. Число камней в часах бывает разное; у обычных механических их около двух десятков, а рубины в самых нагруженных местах спуска и баланса важнее прочих.

Какие ещё бывают механизмы

К основному механизму добавляют функции. Календарь показывает дату и день недели, для этого в механизме есть дополнительные колёса. Хронограф — встроенный секундомер: отдельные кнопки запускают дополнительные стрелки. Вечный календарь учитывает длину месяцев и високосные годы. Турбийон — вращающаяся клетка, в которой находится баланс; её придумали, чтобы усреднять влияние силы тяжести на ход. Каждая такая функция усложняет механизм и требует больше деталей, поэтому сложные часы дорогие и требуют обслуживания у специалиста.

Автоподзавод

В часах с автоподзаводом на механизм посажен полукруглый груз, ротор. Когда вы двигаете рукой, ротор поворачивается, а через систему шестерён и храповиков заводит пружину. Рука движется постоянно, поэтому пружина остаётся заведённой, пока часы носят. Если часы стоят неподвижно, запаса хватит примерно на пару суток, потом они остановятся. Чтобы пружину не порвать чрезмерным заводом, у барабана есть проскальзывающее устройство: лишний завод «прокручивается» вхолостую.

Чем отличается то, что путают

Механические и кварцевые. Сравнение таблицей.

Что сравниваем	Механические	Кварцевые
Источник энергии	Заводная пружина	Батарейка
Задаёт ритм	Баланс с волоском	Кварцевый кристалл, колеблется 32 768 раз в секунду
Ход стрелок	Плавный, с тихим тиканьем	Шаговый мотор, секундная стрелка шагает раз в секунду
Точность	Секунды в сутки	Обычно десятки секунд в месяц
Обслуживание	Смазка и чистка раз в несколько лет	Замена батарейки раз в несколько лет
Уязвимость	Удары, магнитное поле, влага	Разряженная батарейка, влага

В кварцевых часах маленький кристалл под действием напряжения колеблется с очень стабильной частотой, электроника делит её до одного герца, а шаговый мотор двигает стрелки. Как устроены источники энергии, можно прочитать в статье про батарейку.

Механические и умные часы. Умные часы — микрокомпьютер с экраном, датчиками и связью, а не измеритель времени в классическом виде. Про них — в статье как выбрать смарт-часы.

Ручной завод и автоподзавод. В первых пружину заводят головкой. Во вторых её заводит ротор от движения руки, хотя подзавести часы головкой тоже можно.

Интересные факты

• Почему часы тикают ровно. Баланс колеблется почти с одной и той же частотой, потому что волосок возвращает его тем сильнее, чем дальше он отклонился, как пружина маятника.
• Почему магнит опасен. Волосок стальной или из сплава; если он намагнитится, витки слипаются, рабочая длина сокращается, и часы идут быстрее. Их размагничивают в мастерской. Поэтому часы стараются не класть рядом с колонками, магнитными застёжками и чехлами планшетов, а замеченный уход вперёд после такого соседства сначала проверяют на размагничивание.
• Почему часы идут по-разному лёжа и на руке. Под действием тяжести баланс в разных положениях ведёт себя немного иначе. Мастера регулируют часы в нескольких положениях.
• Почему не стоит переводить стрелки в определённое время. У многих часов с календарём вечером и ночью работает механизм смены даты, и перевод стрелок в этот момент может его повредить. Правило указано в инструкции.

Как обращаться с механическими часами

Заводят часы до лёгкого сопротивления, без рывков; в часах с автоподзаводом достаточно носить их каждый день. Не держат рядом с магнитами: колонками, магнитными замками сумок, чехлами планшетов. Не полагаются на водозащиту без проверки: резиновые прокладки стареют, а головка, вытянутая или неплотно завинченная, впускает воду. Когда часы носят по очереди, полезно перед ношением проверить, что они заведены, и выставить время.

Что изнашивается и на что смотреть

• Часы остановились. Обычно закончился завод, но бывает поломка пружины или сильная загрязнённость.
• Спешат или отстают. Загустела смазка, часы намагничены, износились детали.
• Попала влага. Стекло запотело, капли внутри: срочно в мастерскую, иначе начнётся коррозия.
• Стёрлись уплотнители. Резиновые прокладки стареют и перестают держать воду, даже если на часах написано о водозащите.
• Часы после удара стали идти неровно. Сместились оси баланса.

Механические часы чистят и смазывают раз в несколько лет, а разбирать самому нельзя: детали микроскопические, а пружины опасно вылетают. Даже опытному любителю нужны специальные инструменты, чистое рабочее место и часовая смазка, поэтому вскрывать механизм без подготовки не стоит.