TAG Heuer первой исследовала новые возможности регулирования механических часов.

 MIKROGIRDER

В 1747 году, за десять лет до того как Томасу Маджу удалось приспособить анкерный спуск для работы в наручных часах, Жан Лерон д’Аламбер, знаменитый французский математик, ученый-энциклопедист, опубликовал свой труд о вибрирующих струнах… В чем он заключался? Выражаясь математическим языком, д’Аламбер вывел первое волновое уравнение, описывающее “колебания некой волнообразной величины (например, струны) во времени и пространстве”. Один из известных примеров применения этого уравнения — для измерения волны, вызванной шагающей в ногу колонной солдат. Волна вызывает ритмическую вибрацию моста, которая в конечном итоге может привести к его разрушению.

Однако какое отношение это уравнение имеет к механическим часам?

Ги Семон

Годами уравнение д’Аламбера не находило практического применения, пока не начало использоваться в проектировании и строительстве. На нем основан принцип действия струнных экстензометров, использующихся для измерения вызванной колебаниями деформации бетона в высотных зданиях, плотинах и атомных электростанциях. С его помощью рассчитывается движение, воздействующее на тросы мостов, железнодорожные контактные сети или, в быту, гитарные струны.

В часовом деле оно стало использоваться с 2012 году благодаря практичному уму и интуиции Ги Семона, возглавляющего научные исследования в TAG Heuer. Однако прежде чем говорить о его последних находках, предлагаем совершить краткий экскурс в не столь далекую историю.

Немного истории

Все началось в 2003 году с идеи “концепт-часов” V4, права на которые TAG Heuer выкупила у Жана-Франсуа Рюшонне. Однако создание и производство этого нового типа часов, оснащенных вместо традиционной зубчатой передачи ременной, требовало уровня знаний и технологий, недоступных в то время часовому миру. TAG Heuer привлекла для работы над ней консультантов из других областей, специализирующихся на машиностроении, аэронавтике и технологиях будущего. Так в 2004 году Ги Семон, физик-математик по образованию, инженер, преподаватель университета, в свое время служивший в Национальном департаменте обороны Франции, познакомился с TAG Heuer. А в 2007 году ему предложили создать и возглавить научно-исследовательское подразделение TAG Heuer, достойное славного имени марки. Возглавлявший в то время TAG Heuer Жан-Кристоф Бабен считал, что научные исследования должны принять инновационное направление, ведь недаром его марка заслужила репутацию пионера в области высокоточных измерений времени.

Объективные ограничения системы баланс-спираль

В своей работе Ги Семон пошел по непривычному для часовой отрасли пути, обратившись к теоретической математике и физике.

Вскоре он обнаружил, что традиционная система баланс-спираль, изобретенная в 1675 году Христианом Гюйгенсом и через сто лет существенно доработанная Томасом Маджем, обладает серьезными ограничениями в части повышения частоты колебаний с целью измерения ничтожно малых временных интервалов.

В 2011 году TAG Heuer представила на выставке в Базеле свой Mikrotimer Flying 1000 с частотой колебаний 500 Гц (что соответствует невероятному показателю в 3,6 млн пк/ч). Часы, обладающие такой частотой, способны измерять и отображать время с точностью до 1/1000 секунды!

Добиться такого потрясающего результата позволила система двойного спуска, которая увидела свет в том же году в модели Heuer Carrera Mikrograph. Последняя способна отображать временные промежутки до 1/100 секунды благодаря использованию двух различных регуляторов, один из которых, с частотой 28 800 пк/ч, отвечает за работу часовой, минутной и секундной стрелок, а второй, с частотой 360 000 пк/ч (50 Гц), — за функции хронографа, отмеряющего время с точностью до 1/100 секунды.

На достигнутой маркой частоте колебаний в 500 Гц, при которой секундная стрелка совершает 10 полных оборотов в секунду, заканчивается часовая теория Гюйгенса: спуск больше не нуждается в балансе, поскольку при такой высокой скорости напряжение спирали (длиной в четыре витка) настолько велико (в десять раз сильнее, чем в обычных часах), что потребность в балансе попросту отпадает.

Однако лишенная баланса система быстро достигает предела своих возможностей: рычаг не поспевает за ритмом колебаний, регулятор задыхается, передача между барабаном и спусковым колесом сбивается, количество энергии, необходимой для импульса, падает. Возникает динамический и энергетический дисбаланс. Для Ги Семона это стало знаком того, что пора искать альтернативу традиционной системе регуляции.

Триумфальное возвращение д’Аламбера

В теории “идеальная колеблющаяся струна”, о которой ведет речь д’Аламбер, представляет собой гибкую волну с постоянным напряжением, идеальной эластичностью и не подверженную действию силы тяжести. Волна равномерно распределяется по всей длине, обеспечивая изохронное колебание.

Но это в теории, а на практике необходимо было максимально приблизиться к описанной д’Аламбером идеальной волне. Выбранная для этого система на первый взгляд не представляет собой ничего сложного — три “колеблющиеся пластины”: линейный генератор, который крепится к палетам, осциллятор в форме тонкой “пластины” и соединяющее их устройство, также в виде “пластины”. Под действием генератора осциллятор начинает колебаться, приближаясь к теоретическим показателям “идеальной волны”. Вибрации происходят на определенных частотах. При помощи специального кулачка регулируется длина колеблющейся пластины. Новый тип осциллятора, в отличие от предложенного Гюйгенсом, имеет вытянутую, как струна, форму!

MIKROGIRDER – регулятор на микропластинах с точностью измерения до 5/10000 секунды

Однако, как и в любом классическом механизме, механическая энергия, поступающая на зубчатое колесо спуска, является непостоянной. Чтобы как-то компенсировать перебои в подаче энергии, угол спуска необходимо максимально уменьшить. Таким образом, число зубцов спускового колеса увеличивается вдвое, до 40. И, как результат, традиционная функция “покоя” используется для ограничения и контроля скорости. С той же целью была изменена и геометрия точки соприкосновения палет и спускового колеса.

Для инерции передачи была создана “система расцепления триба, соединяющего спуск с колесом”, в виде пружины, взведенной, когда передача находится под нагрузкой. При перепадах пружина восстанавливает уровень энергии, чтобы “ускорение спускового колеса могло достичь максимума независимо от передачи”. Кинетическая энергия, возникающая в генераторе, преобразуется в потенциальную и поступает на “вибрирующую пластину соединительного элемента”. Последний проводит “колебательную энергию”, достигающую конца “колеблющейся пластины” и вызывающую отклонение, соответствующее требуемой частоте.

Вследствие минимальной инерции и почти полного отсутствия амплитуды колебаний требуется меньше энергии, чем в случае регулятора с балансом и балансовой спиралью. Другое преимущество — значительно увеличившийся запас хода.

Регулятор для измерения малых отрезков времени

Концепт TAG Heuer Mikrogirder, оснащенный таким регулятором, “колеблется” с неслыханной частотой в 7 200 000 пк/ч (1 000 Гц), отмеряя время с точностью до 1/2000 секунды. Благодаря системе двойного спуска, традиционный “гюйгенсовский” узел, отвечающий за индикацию времени, и “колебательный” узел хронографа, обладающий точностью 1/2000 секунды, работают независимо друг от друга.

MIKROGIRDER от TAG HEUER

Система теоретически способна адаптироваться ко всем частотам не ниже 50 Гц, при которых она попросту стопорится. Регулятор нового типа подходит для измерения малых отрезков времени, а вот отображение часов, минут и секунд с его помощью кажется более проблематичным. Поэтому шансов вытеснить с рынка анкерный спуск у него немного.

За год до этого, в 2010-м, команда Ги Семона представила еще один регулятор, принципиально отличающийся от “колебательного”. В модели, получившей название Pendulum Concept Watch, было решено использовать вместо традиционной спирали магнитную.

 PENDULUM

В конструкции сохранились спусковое колесо и вилка. Основные изменения коснулись системы баланс-спираль, которую заменили магнитным статором с ротором.

Эта система, еще более радикальная, чем Girder, покинула пределы часового искусства и углубилась в дебри физики.

Устройство, заменившее собой спираль, состоит из четырех магнитов. Два из них с положительным и отрицательным зарядом и однонаправленным магнитным полем расположены на окружности друг против друга. Помещены они внутрь конструкции из мягкого железа, формирующей вокруг них своего рода клетку Фарадея. Два магнита расположены по центру на традиционном мосту на одной оси с колесом баланса. Находятся они на подвижной конструкции, с вращением которой отрицательный и положительный полюс меняются местами. В результате то с одной, то с другой стороны устройства возникает магнитное поле. Для большей эффективности магнитам придали специальную форму, гарантирующую “линейное” направление поля (а стоит заметить, что сила притяжения между двумя постоянными магнитами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними). Благодаря особому размещению магнитов мастер имеет возможность регулировать их положение с любой стороны, обеспечив, таким образом, достаточный линейный вращающий момент, необходимый для возвратных движений колеса баланса.

Теоретические преимущества этой системы не вызывают сомнений: магнитное поле не восприимчиво к воздействию силы тяжести и не боится толчков и ударов, что позволяет решить сразу две главные проблемы традиционной спирали баланса. Плюс простота сборки, значительно облегчившая жизнь мастерам. Однако нерешенным остался другой важный момент — восприимчивость магнитов к перепадам температур. Перед инженерами марки встала новая задача — создать магнит, способный противостоять любым температурным скачкам без потери точности. По сути, это извечная проблема спирали баланса, которую в 20-х годах прошлого века удалось решить французскому физику Гийому, изобретателю сплава элинвар. Если бы им удалось отыскать решение этой и других проблем (в числе которых вопрос энергоемкости магнитов, их производство, физические характеристики, линейность вращающего момента, обеспечивающего амплитуду баланса), теоретически Pendulum с его частотой в 6 Гц (43 200 пк/ч) без потери амплитуды и возможностью изменения частоты без перегрузки источника энергии мог бы стать эталоном точности хода.

На пороге квантовой физики

Сейчас, спустя три года, марка заявляет об успешном решении проблем с помощью принципов действия магнитного поля, пространственной геометрии и генетических алгоритмов.

Мы не будем вдаваться в технические подробности — без глубокого познания в специфических областях это не имеет смысла. Достаточно сказать, что магниты изготавливаются из сложного ферромагнитного сплава, в состав которого входят кобальт, самарий и гадолиний. Последний, довольно редкий минерал, действует как “переменная для регулировки магнитного поля”. Другими словами, гадолиний в определенных количествах позволяет компенсировать изменения магнитного поля в результате перепадов температуры — сплав действует как своеобразный щит, поглощая разницу температур.

“Линейность вращающего момента как функция амплитуды” — еще одна победа на счету марки.

При постоянном магнитном поле, образованном магнитами, вращающий момент от ротора будет зависеть исключительно от амплитуды. Линии магнитного поля, однако, выходят за пределы устройства маятника, воздействуя на окружающее пространство. Потери в магнитной системе действуют как своеобразное магнитное трение. Инженеры разработали модель, в которой “геометрия статических магнитов подверглась видоизменениям”, с тем чтобы линии магнитного поля не выходили за рамки “плоскости магнитов”. Только таким образом можно было добиться постоянного механического вращающего момента на оси баланса при данной амплитуде. В решении этой геометрической задачи были задействованы сложные генетические алгоритмы для обеспечения линейности вращающего момента путем последовательной топологической оптимизации.

CARRERA MIKROPENDULUMS от TAG HEUER

Модель CARRERA MIKROPENDULUMS от TAG Heuer оснащена двумя магнитными маятниками (Pendulums), один из которых отвечает за измерение времени, другой за функции хронографа. Модель состоит из 454 функциональных компонентов. Частота колебаний часового модуля — 12 Гц, хронографа — 50 Гц (при 60-минутном запасе хода). Турбийон хронографа, один из самых стремительных в мире, обеспечивает измерение отрезков времени с точностью до 1/100 секунды, имеет частоту 360 000 пк/ч и совершает 12 оборотов в минуту. Корпус выполнен из биосовместимого сплава на основе хрома и кобальта, обладающего большей твердостью, чем сплав титана. Дизайном корпуса (с заводной головкой на “12 часах”, как в секундомере) модель обязана призеру “Золотой стрелки-2012” TAG Heuer Carrera Mikrogirder и серии Carrera 50 Year Anniversary Jack Heuer. Два турбийона с маятниками и мостами из 18-каратного розового золота (5N). Цифра “100” в положении “12 часов”, выполнена из розового золота. Под ней расположен минутный счетчик хронографа, в положении “3 часа” секундный счетчик хронографа и индикатор запаса хода хронографа у метки “9 часов”. На серебристый безель нанесена шкала с делениями до 1/100 секунды.

В конечном итоге удалось добиться точности хода, сопоставимой с точностью спирали баланса, однако все же недостаточно высокой по стандартам COSC, согласно которым чувствительность к перепадам температуры выражается как суточное отклонение хода при изменении температуры на 1 °C. При допустимых согласно критериям COSC 0,6 секунды в сутки на 1 °C отклонение хода в представленных в этом году на BaselWorld Pendulum составило 1 секунду в сутки на 1 °C. Отличный результат с точки зрения механики, математики и физики.

Escapements

Вступление

Girard-Perregaux – в поисках источника постоянной силы

Omega – по стопам Джорджа Дэниэлса

Audemars Piguet – лучшее из двух миров

Urban Jürgensen – инновации на службе традиций

Источник: журнал Europa Star сентябрь-октябрь 2013