Третий, весьма важный аспект касается прочности связи между спусковым механизмом и осциллятором. Что здесь понимается под прочностью связи? Рассматривая соединение маятниковой штанги обычных часов с анкером спускового механизма, мы увидим, что вилка, которая обычно жестко соединена с валом анкера, принуждает маятник к согласованному движению с анкером. Связь между спусковым механизмом и осциллятором здесь поддерживается на протяжении всех колебаний, вследствие чего все нестабильности передачи силы привода полностью переносятся на осциллятор и сильно нарушают равномерность его колебаний. Такие спусковые механизмы называют несвободными, и у таких часов трудно добиться большой точности хода.
Современные же спусковые механизмы, например швейцарский анкерный спуск современных механических наручных часов, наоборот, сконструированы так, что их осцилляторы колеблются большую часть времени независимо и соприкасаются со спусковым механизмом лишь на очень короткий момент, необходимый для передачи им импульса. Такие спусковые механизмы относятся к группе свободных.
Эта последняя категория спусковых механизмов имеет очень важное значение. В прошлом она дала также стимул для возникновения весьма совершенных систем точных часов со свободными маятниками, которые привились в научном измерении времени, в астрономии и в специальных часовых лабораториях. Свободные маятники были завершающей фазой развития механических колесных часов, имевшей наибольший успех в первых трех десятилетиях нашего века. Результаты измерения времени механизмами со свободными маятниками были отличными, и их превзошли только современные электронные системы с кварцевыми осцилляторами.
Практика показала, что одни спусковые механизмы или их модификации лучше подходят для крупных башенных, напольных или настенных часов, а другие — исключительно для малых карманных или наручных часов.
Самым старым спусковым механизмом, который применялся в механических часах с момента их возникновения в течение целых столетий, был шпиндельный спусковой механизм. Автор этого самого старого спускового механизма остался неизвестным. Главными частями этого механизма являются большое спусковое колесо, называемое иногда по его внешнему виду «корончатым колесом», и вал-шпиндель (отсюда и наименование «шпиндельный спуск») с двумя прямыми палетами. Это изобретение приписывают многим авторам, например веронскому Пацифику (умершему в 856 г.), который, судя по не поддающимся проверке источникам, создал первые часы, приводимые гирей без помощи воды, или уже упомянутому раньше Герберту. И хотя возникновение шпиндельного спускового механизма безусловно тесно связано с появлением первых механических часов на переломе XIII и XIV вв., не исключено, что его принцип был разработан еще в эру водяных часов.
В эпоху изобретения шпиндельного спускового механизма еще ничего не было известно ни о маятнике, ни о балансе. В раннем периоде, еще до создания первых маятниковых часов, этот спусковой механизм применялся с осциллятором, который имел форму двухплечего коромысла, так называемого билянца (фолио) с подвижными регулировочными грузами (рис. 9), и всегда жестко насаживался на палетный вал. Необходимое горизонтальное положение этого коромысла предопределяло стереотипное геометрическое расположение остальных частей часов — вертикального палетного вала и спускового колеса с горизонтальным валом внутри механизма. Такой была концепция колесных часов, когда они появились впервые на башнях европейских городов, а затем в жилых домах богатых горожан.
Шпиндельный спусковой механизм с билянцем первоначально имел и ходовой механизм пражских курантов, построенных в 1410 г. часовщиком Микулашом из Кадани. Такое же подобие этот спусковой механизм сохранил до 60-х годов прошлого века, когда ввиду частых неполадок его пришлось реконструировать. Первоначальный регулятор курантов с билянцем был при этом заменен современным дифференциальным стопорным спусковым механизмом Денисона, изготовленным по образцу башенных часов на Вестминстерской башне в Лондоне.
Билянец (фолио) трудно назвать осциллятором в полном смысле этого слова, поскольку реальный осциллятор должен быть способен к самостоятельным колебаниям и обладать собственной частотой колебания[10]. Маятнику придает эту способность сила тяжести, а балансу — возвращающая сила, возникающая в витках упруго деформирующегося волоска. Коромысло же не обладало этим свойством, а потому оно было, собственно говоря, лишь маховиком, подверженным воздействию случайных сил. Такое изменение позволило изменить прежнюю конструкцию с вертикальным спусковым колесом на более выгодную — с горизонтальным колесом. Это новое решение было повсеместно принято. У старых часов спусковое колесо размещалось на длинном валу над рамой машины, а у новейших часов оно было скрыто внутри между остальными передаточными механизмами.
Коромысловые часы являются типичным примером простого трехколесного механизма с однострелочным индикатором времени. Механизм, использованный для шпиндельного спуска, оправдал себя и для первых часовых механизмов с боем. В задней части часов находился колокольный механизм боя, который запускался в ход каждый час ходовым механизмом. В этом случае колокол сигнализировал истечение каждого следующего часа всегда одним и тем же количеством ударов. Такие часы использовали для измерения времени ночью в неосвещенном пространстве башни. (Колокол обращал внимание сторожа, а тот ощупью на выступах циферблата узнавал положение стрелки, определяя этим, сколько часов он уже находится на своем ночном посту.) Большинство часов, изготовленных до конца XVII в., имело лишь одну стрелку, обходящую циферблат за 12 или 24 ч, в зависимости от того, был ли на часах циферблат немецкий или итальянский (древнечешский).
Шпиндельный спусковой механизм с коротким кольцевым билянцем, жестко насаженным на палетном валу (так называемый «кухшванц»), сохранил свой вид и положение в часовом деле в течение нескольких столетий. Когда же на переломе XVI и XVII вв. Галилей занялся изучением свойств маятника, перед хронометрией открылся путь для революционных изменений. В 1657 г. голландский физик и математик Христиан Гюйгенс изготовил первые маятниковые часы, в которых маятник был использован действительно в качестве осциллятора. Идея Галилея, осуществленная Гюйгенсом, сильно повысила тогдашнюю точность механических часов. Суточная погрешность, колебавшаяся у маятниковых часов в широких пределах — в зависимости от качества часов от 15 до 60 мин, — упала у часов Гюйгенса до 10 с, хотя шпиндельный спуск остался, по существу, таким же, как у часов с билянцем. Шпиндельный спуск не очень подходил для маятниковых часов. Созданный первоначально для билянца, он требовал большую амплитуду — 20° и больше. Несмотря на это, он благодаря своей сравнительной простоте очень быстро распространился и на маятниковые часы, а в некоторых странах он сохранялся вплоть до начала XIX в., т.е. намного позднее, чем были изобретены современные спусковые механизмы. В стремлении приспособить шпиндельный спусковой механизм к условиям, предъявляемым маятником, некоторые часовщики постепенно изменяли взаимный угол между налетами до 40°. Одновременно с этим и наклон зубьев спускового колеса изменялся настолько, что оно все больше теряло свое первоначальное сходство с королевской короной. Эти изменения в геометрии спускового механизма преследовали еще одну цель — ограничить неблагоприятное влияние отхода спускового колеса.
Недостатки, связанные с большой амплитудой маятника при шпиндельном спуске, сознавал уже Гюйгенс, который создал для своих маятниковых часов в 1673 г. пружинную подвеску с двумя направляющими циклоидальными поверхностями. Эти поверхности имели своей задачей изменять во время колебания длину маятника, а с ним и продолжительность колебания. Попытки Гюйгенса получить колебания одной и той же продолжительности с помощью изменения длины маятника были правильны, ибо исходили из математического расчета, но на практике это не привилось[11], поскольку новые анкерные спуски, которые быстро заменили шпиндельный спуск, строились для маятниковых часов, наоборот, в расчете на малые амплитуды.
Несмотря на свою кажущуюся простоту, шпиндельный спусковой механизм обладал еще и другими теневыми сторонами, которые принуждали часовых дел мастеров искать иные формы этого механизма. Нет сомнения, что крупнейшей проблемой здесь было, особенно в отношении крупных железных башенных часовых механизмов, изготовление спускового колеса. Прежние кузнечные методы, которые использовались при изготовлении деталей крупных часов, оставили некоторые характерные признаки в виде соединений, сваренных в огне, клиновидных соединений разъемных деталей, склепанных трубочных трибов и т.п. Такое спусковое колесо изготовлялось из плоской полосы железа, свернутой в горячем виде в круг и сваренной в огне. Другой производственной трудностью было соблюдение вертикального положения палетного вала относительно спускового колеса.
Рис. 10. Двухрычажный спусковой механизм Шевалье де Бетуне
Лучшее решение спускового механизма напрашивалось в виде системы параллельных валов с плоским спусковым колесом, имеющим зубцы на своей торцовой поверхности. Важным шагом было создание группы храповых спусковых механизмов. Самый старый из них — двухрычажный храповой механизм, созданный Шевалье де Бетуном. Такой спусковой механизм, схема которого приведена на рис. 10, изготовлял примерно в 1727 г. для своих часов парижский часовой мастер Антуан Тиоу (1692-1767), автор часто упоминаемого сочинения «Трактат о хронометрии» (Traite d'horlogerie) от 1741 г. На валу правого рычага с винтом для задания взаимного положения палет здесь имеется вилка. Гиря на левом плече другого рычага удерживает внутренние плечи обоих рычагов в постоянном контакте. Двухрычажный спусковой механизм имел много конструктивных вариантов. Некоторые из них были довольно сложны и вносили в механизм нежелательные силы трения.