Гиревые часы появились в XIII в. Работа этого древнего механизма регулировалась горизонтальным балансным коромыслом. На рисунке показано, каким образом коромысло приводилось в движение при помощи шпиндельного спускового механизма. Такое устройство использовалось в течение сотен лет в башенных часах, а позднее было приспособлено для контроля и в небольших переносных часах. Несовершенство конструкции часов со шпинделем и фолио (балансным коромыслом (На Руси коромысло с грузами называлось билянцем. - Прим. перев)) проявлялось в том, что, хотя баланс и являлся контролером хода часов, он не имел собственного периода колебаний. Поэтому баланс реагировал на изменения движущей силы, которая действовала через колесную передачу (последовательность колес, каждое из которых приводит в действие соседнее в передаче колесо), и не мог колебаться с равными периодами времени.
Значительные успехи в хранении времени были достигнуты, когда в простых часах со шпиндельным спусковым регулятором стали применять маятник. Маятник обладает собственным периодом колебаний, так как его движение происходит под действием силы тяготения, являющейся с довольно большой точностью постоянной величиной.
Рисунок показывает, каким образом шпиндельный спуск связан с маятником. Спусковое колесо теперь поддерживается вертикальной осью, а шпиндель расположен горизонтально. Шпиндель заканчивается вилкой, которая и служит связующим звеном между спусковым механизмом и маятником. Маятник подвешивается на двух нитях, или подвесных пружинах. Ход часов регулируется поднятием или опусканием груза маятника.
Шпиндельный спусковой механизм используется для раскачивания маятника, в результате чего величина отклонения от вертикали, т. е. положения равновесия, достигает 20-30°; любое изменение этой дуги вызывает изменение хода часов, известное под названием циркулярной погрешности. С увеличением размаха колебаний маятника ошибка растет, если же размах колебания уменьшить приблизительно до 3°, то ошибка станет пренебрежимо малой. Изобретение возвратного спускового механизма позволило заставить маятник совершать колебания с такой малой амплитудой.
Возвратный спуск, обеспечивающий надежную работу механизма, чрезвычайно интенсивно использовался в домашних часах. На рисунке показано устройство спускового колеса и паллет, или анкера. Зуб колеса поднимает импульсные плоскости паллет, приводя таким образом посредством вилки в движение стержень маятника. Этот спусковой механизм назван возвратным, потому что спусковое колесо отходит назад против часовой стрелки в тот момент, когда маятник приближается к положению максимального отклонения. Это достигается благодаря тому, что рабочие плоскости паллет не концентричны с паллетной осью. В устройстве, изображенном на рисунке, правая паллета (выходная) только что получила толчок и маятник качнулся вправо, но, прежде чем он отклонится до конца, левая паллета (входная) зацепит спусковое колесо и сила инерции маятника продвинет паллету к центру колеса и повернет его (это происходит ежеминутно) назад. Возвратный спусковой механизм поддерживает колебания маятника с малым размахом, но по существу возврат является и недостатком, так как он препятствует свободному колебанию маятника и приводит к износу плоскостей паллет.
Амплитуда колебаний маятника, связанного со шпиндельным спусковым механизмом, на практике налагает ограничение на длину маятника: она должна быть не более 15-20 см; с изобретением возвратного спускового механизма появилась возможность использовать длинный маятник с относительно тяжелым грузом. В результате часы такой конструкции стали менее подвержены нерегулярности хода и менее зависимы от влияния внешних условий, таких, как сквозняки и вибрации.
Применение в часах маятника и усовершенствованного спускового механизма позволило астрономам повысить точность регистрации наблюдений. Подобные маятниковые часы применялись в Гринвичской обсерватории со времен Флемстида до 40-х годов нашего столетия. Пара «Главных часов», изготовленных Томасом Томпионом, была установлена в обсерватории в 1676 г.; они имели весьма необычный вид, так как их маятники с эффективной длиной 13 фут (~3,9 м) и двухсекундными периодами колебаний были подвешены выше часовых механизмов. Поэтому вилка каждого спускового механизма была направлена вертикально вверх и сцеплялась с маятником ниже его линзы.
Несмотря на эти интересные новшества, качественно новые часы не отличались сколько-нибудь значительно от длинно-футлярных часов времен Флемстида. Механизмы часов и маятники в обсерватории не были защищены надлежащим образом от пыли, механических сотрясений и т.д. и не были термоком - пенсированы [1]. Поскольку преимущества часов с такими длинными маятниками так и. не были выявлены, впоследствии для всех эталонных часов гринвичской обсерватории стали применять маятники длиной 39,14 дюйм (99,2 см). Это привело к уменьшению периода колебаний до одной секунды, вследствие чего секундная стрелка стала передвигаться односе-кундными скачками, и, кроме того, дало возможность астрономам при проведении наблюдений воспринимать каждую секунду на слух.
Второй королевский астроном Эдмунд Галлей заказал три экземпляра часов известному инструментальному и часовому мастеру Джорджу Грэхему, работавшему вместе с Томпионом и внесшему большой вклад в дело изготовления астрономических часов. Первые часы, сконструированные примерно в 1720 г., имели спусковой механизм, подобный возвратному, но в отличие от последнего маятник здесь не воздействовал на спусковое колесо, способствуя его возврату. Это устройство получило название покоящегося спускового механизма. Последовавшее вскоре второе изобретение относилось к разработке способа компенсации влияний температурных изменений на длину маятника и достигалось применением в качестве груза маятника сосуда, наполненного ртутью. Часы со спусковым механизмом Грэхема и ртутным маятником, получившие название регуляторов, использовались в обсерваториях всего мира на протяжении свыше 150 лет.
Импульсы передавались паллетам концами зубьев спускового колеса. Стороны паллет, концентричные паллетной оси, имели плоскости покоя, против которых зубья колеса останавливались в промежутках между импульсами, в то время когда маятник совершал дополнительное отклонение. Дополнительное отклонение - это добавочное колебание маятника после того, как он уже отклонился на угол, больший, чем требовалось для того, чтобы паллеты получили импульс и колесо повернулось.
С уменьшением влияния спускового механизма на маятник уменьшилась и ошибка. Грэхем приступил к выяснению влияния изменений температуры на ход часов. Часы, имеющие маятник с обычным железным или стальным стержнем, будут отставать с увеличением температуры (так как стержень при этом удлиняется) и спешить при понижении температуры (когда стержень укорачивается). Величина ошибки, обусловленной таким изменением длины стального стержня, при отклонении температуры на ГС составляет около 0,5 с в сутки, поэтому разность хода часов в зимнее и летнее время может достигать 4 с в сутки. Для разрешения этой проблемы Грэхему необходимо было добиться, чтобы расстояние от точки подвеса маятника до его центра колебания (точка, в которой добавление или уменьшение массы не влияет на период колебаний маятника), находящегося около центра груза, сохранялось постоянным при изменении температуры. Экспериментируя с различными металлическими стержнями и пытаясь использовать свойство различных металлов расширяться по-разному, Грэхем в конце концов изготовил ртутный маятник, где удлинение и укорочение стержня компенсировалось подъемом или опусканием ртути, налитой в стеклянный сосуд, который и служил грузом маятника.