Хронолит (техника)

Может ли сила света привести в движение маятник весом 4 килограмма? И если да, то можно ли превратить его в часы? Именно для того, чтобы попытаться ответить на этот вопрос, я и создал эти часы, которые так отличаются от всех остальных. Маятник колеблется с частотой 1 секунда, а две лампы по обе стороны поочередно загораются, каждый раз «подталкивая» маятник. Принцип его работы был открыт сэром Уильямом Круксом в 1873 году. Он действует не только как мотор для колеса баланса, но и как тормоз, регулируя его амплитуду в очень точном диапазоне. Внутри трубки создается вакуум около 0,01 бар. Баланс запускается магнитом, расположенным рядом со стеклом. Точная настройка временной базы осуществляется снаружи путем вращения 4 планетарных грузиков вокруг сферы баланса с помощью того же магнита. Это позволяет избежать необходимости наполнять часы воздухом, разбирать их и снова опорожнять для каждой настройки. Таким образом, часы состоят из стеклянной трубки, маятника, двух ячеек (простых листов слюды), двух реле и кварцевых часов, из которых удален кварц. Это все, что нужно. Все часы собраны без винтов и болтов и держатся только за счет силы атмосферного давления. Чтобы разобрать их, достаточно выпустить воздух в трубку.

Идея создания этих часов пришла мне в голову в апреле 2001 года, в мае было заказано оборудование, а в среду 7 ноября начался первый тест. Это был решающий момент: если бы тест показал, что система не может работать, я бы остался со стеклянной трубкой и большим вакуумным насосом на руках. Первый прототип: подвешенный шар для игры в петанк и невероятная куча из 30 листов слюды (простая изоляция для транзисторов), одна сторона которой почернела от свечного дыма. Датчик был прикреплен к внешней стороне стеклянной трубки, я опустошил ее и запустил маятник примерно в 4 часа дня. Поскольку для стабилизации маятника требуется около часа, я пошел выпить, пока ждал результатов. Когда я вернулся, маятник все еще двигался. Поскольку я не был уверен, что это происходит из-за собственной инерции, я снова пошел выпить. В 7 вечера маятник все еще двигался, амплитуда была постоянной, и я вернулся праздновать. В 10 часов вечера часы все еще двигались, но уже гораздо медленнее…

Эти часы состоят из стеклянной трубки Pyrex (диаметр 190 мм, толщина 8 мм), вставленной в кварцитовый блок, пропитанный эпоксидной смолой для обеспечения герметичности. Большая сфера, видимая на фотографии, — это циферблат с часовой и секундной стрелками. В январе она была заменена на меньшую из эстетических соображений.

Первые тесты показали, что часы невероятно надежны. Около 2 секунд в месяц.

«Это седьмая и последняя версия двигателя. Его разработка заняла много времени, потому что каждый раз требуется не менее трех часов, чтобы баланс достиг своей крейсерской амплитуды после начального импульса. Сначала пришлось поработать над степенью разрежения воздуха, затем над формой двигателя, чтобы получить как можно большее усиление. (Вы должны понимать, что часы не смогут работать, если в них попадет полнаперстка воздуха…) Как только это было сделано, я начал снижать мощность лампочек с 35 до 5 ватт. Благодаря этому срок их службы составит 32 000 часов, то есть чуть меньше 4 лет.

Эти часы «органические», потому что они приспосабливаются к неблагоприятным физическим условиям, чтобы сохранить свою точность: они автоматически компенсируют все, что может привести к колебаниям амплитуды маятника. Поясню: допустим, мощность ламп увеличивается. Амплитуда автоматически увеличится. Поэтому маятник будет с большей скоростью приближаться к ячейке, которая раньше включит галогенную лампу, что… тормозит маятник на несколько миллионных долей секунды, затем толкает его дальше, как обычно.

(19 декабря 2001 г.) Последние несколько дней ушли в основном на точную настройку изохронизма маятника в зависимости от давления внутри трубки. Но поскольку он закреплен на моем верстаке, каждое мое движение вызывает возмущения до 150 миллионных долей секунды, что приводит к появлению пиков на экране измерительного компьютера. Поэтому дальше так работать стало невозможно. Поэтому завтра я закреплю его на стене возле витрины, чтобы часы были максимально стабильны. И испытания на точность можно будет продолжить на более качественной основе…

(30 декабря 2001) Испытания на точность начались. Первое наблюдение: очень легко регулировать длину маятника с помощью магнитов. Второе наблюдение: часы чрезвычайно точны. Нет никаких паразитных пульсаций или непонятных флуктуаций. Текущие колебания давления воздуха в трубке приводят к колебаниям не более 5 миллионных долей секунды на такт. (Эти колебания исчезнут, когда трубка будет окончательно установлена, поскольку в настоящее время она имеет некоторые потери. Мне приходится включать вакуумный насос каждые 9 часов, иначе часы останавливаются…) Мои нынешние небольшие опасения связаны с тем, как я провожу измерения через трубку, которая пока представляет собой 16 мм стекло Pyrex. Поскольку отражения от луча измерительного лазера вызывают случайные погрешности, я проводил измерения непосредственно на одной из ламп. Каждое измерение, сделанное отдельно, может быть нестабильным до 8 секунд в день, но среднее значение будет очень надежным. На приведенном ниже примере, сделанном за 4,9 часа, мы можем наблюдать стабильность всех измерений: 1,9 секунды в месяц. Впоследствии это измерение было подтверждено гораздо более длительными образцами. Таким образом, эти часы являются самыми точными из всех, которые я построил! Итак, то, что начиналось как простая задача (создание маятника, движимого простой силой света), превратилось в награду. Приключение продолжается…

(образец 4,9 часа. 0,0000007 секунды задержки на каждый удар маятника. Это 1,9 секунды в месяц)

(20 января 2002 года) Я получил новый вакуумный насос и более эффективное устройство для измерения и регулирования вакуума воздуха. Это означает, что часы будут работать в оптимальной конфигурации к концу этой недели… Следите за новостями!

(28 января 2002 г.) Все тесты на этой неделе касались колебаний времени в зависимости от различного давления воздуха. Результаты поражают воображение. Вот несколько фактов.

— Свет от галогенов заставил маятник двигаться от вакуума в 6 X 10 сил -1 бар.

— Он продолжает двигать его при 1,4 X 10 сил — 2 бар (максимальная мощность моего насоса)

— Никакой заметной разницы в точности или колебаний в движении маятника в пределах этих двух значений не наблюдается!

— Регулировка планетарных шестерен на полградуса приводит к сдвигу примерно на 0,0000007 секунды за удар, то есть примерно на 1 секунду в месяц.

— Перепады температуры в мастерской (за эту неделю она поднялась примерно на 4°), похоже, не влияют на движение баланса. Это меня очень удивляет: а ведь должны. Возможно, это связано с внутренней саморегуляцией изохронизма, но это еще предстоит подтвердить.

(29 января 2001 г.) Сегодня утром я был ошеломлен, обнаружив, что в то время как графики точности всегда были плоскими, теперь появились…

регулярные и непонятные всплески, которые начались 12 часов назад и появляются каждые 2 минуты. Баланс начинает ускоряться до 1,99500 секунды, затем медленно возвращается к своему нормальному значению. Общее время каждого возмущения составляет 22 секунды. Эта проблема была быстро решена: просто основание часов сдвинулось за ночь, и маятник каждые 2 минуты касался стеклянной стенки. Но полученный график показывает нечто гораздо более важное: постоянство «давления» на маятник. Если бы пики были расположены более анархично, это означало бы, что это «давление» непостоянно и, следовательно, является источником погрешности. Это не так.

(3 февраля 2002 г.) В течение следующих двух недель будут проводиться тесты на точность в зависимости от температуры, освещенности и уровня депрессии. Вот так выглядит несчастный Хронолит в своей комнате пыток. Камень был разобран, циферблат снят, а множество датчиков и лазеров регистрируют все параметры…

(8 марта 2002 г.) Работа продвигается, и Хронолит наконец-то обрел свою окончательную форму.

(24 марта 2002) Теперь давайте поговорим о недостатках этих часов, ведь они гораздо интереснее и поучительнее их достоинств. Что произойдет, например, если перегорит лампочка? И как влияет износ лампы на амплитуду колебаний маятника? Поскольку радиометрический эффект сильно зависит от силы света, маятник должен немедленно замедлиться. Но часы значительно корректируют свои показания. На изображении ниже показано, как именно. До середины изображения одна из лампочек замаскирована, что означает снижение мощности на 25 %. После этого я убираю маску. После этого кривая поднимается примерно на 5 миллионных долей секунды за такт, или менее чем на 0,5 секунды в день. Поэтому очень легко компенсировать любой временной дрейф, изменив напряжение на клеммах лампы. Это даст тот же эффект, что и вращение гирь, но без необходимости останавливать маятник.

Этот образец был взят при напряжении лампы 7,3 вольта, при вакууме 2,7 X 10 сил -1 миллибар. Лазер измеряет прохождение маятника через стеклянную трубку. Мы видим случайные колебания между каждым образцом до 20 миллионных долей секунды. Очень важно знать, откуда они берутся. Они вызваны не различиями в силе радиометрического эффекта, как можно было бы подумать на первый взгляд. Нет: они обусловлены тем, как Хронолит был устроен изначально. Ячейки, регистрирующие прохождение балансового колеса, — это инфракрасные ячейки, лучи которых отражаются от рефлектора, установленного на балансовом колесе. И они совсем не точны. Если я помещу свой измерительный прибор прямо на выводы ячеек, вот что я получу, когда установлю его на ту же шкалу…

Мы видим, что генератор случайных чисел в диапазоне от 1,999300 до 2,000700 перемещает очень точные часы. Мы также можем очень четко видеть, какие поправки будут вноситься в следующий раз. Все, что нужно сделать, — это заменить инфракрасные детекторы на другие лазеры. Эстетика Chronolith пострадает, если я установлю их. Это была самая сложная часть его строительства. Было бы гораздо проще взять трубку побольше, отказаться от этого камня, избежать всех этих проблем с водонепроницаемостью… но нет: теперь Хронолит именно такой, каким я его хотел видеть, целостный, законченный и как будто созданный из одной линии.

Маятник

(21 апреля 2002) Хронолит все еще тестируется. В эти дни я позволяю ему медленно умирать от удушья, впуская воздух, в то время как управляющий компьютер фиксирует все параметры. Ему все еще удается надавить на маятник до давления 8,5 х 10 в степени 1 миллибар. Другие тесты, которые проводятся в настоящее время, включают в себя воздействие прямых солнечных лучей для оценки способности к самокомпенсации. Эти испытания должны продлиться еще месяц — время для получения как можно большего объема знаний, после чего часы будут выставлены на некоторое время в Международном музее часового искусства в Ла-Шо-де-Фон.

(1 июля 2002 г.) Хронолит получил первый приз в категории «Инженерная изобретательность» на международном конкурсе, организованном Kinetic Art Organisation (Майами).

(23 сентября 2002 г.) Хронолит установлен у входа в Международный музей часового искусства в Ла-Шо-де-Фоне.

И если вам интересно узнать о до сих пор не решенной проблеме физики, которую поднял Хронолит, то сейчас самое время. Эти строки будут интересны только ученым.

Есть один до сих пор не решенный вопрос, связанный с Хронолитом. Взгляните на диаграмму ниже…

Лазерный луч ежесекундно прорезает ход маятника. Мой компьютер настроен на то, чтобы засечь общее время для 10 качаний и записать среднее время для качания в файл данных. На изображении выше середина картинки установлена на одну секунду, а интервалы серой шкалы — на 0,000050 секунды.

Горологи всегда ищут самую ровную линию. Более высокая линия говорит о том, что часы идут слишком быстро, а более низкая — о том, что маятник бьет слишком медленно. Приведенный выше график выглядит достаточно хорошо, но программа не отображает все точки. Более детальное рассмотрение данных с помощью Microsoft Excel гораздо интереснее. По запросу можно загрузить тяжелый (5 мес.) файл Excel с гораздо более подробной информацией о записанных данных.

На этом виде данных Chronolith хорошо видно, что маятник в какой-то момент времени на 0,000020 секунды слишком быстрый, а сразу после этого примерно на 0,000020 слишком медленный. Почему? На гистограмме ниже показано распределение измеренных временных интервалов.

Гистограмма, рассчитанная Бобом Холмстромом

Это не может быть случайностью. Единственное, в чем я уверен, так это в том, что этот факт происходит все чаще и чаще, когда давление воздуха внутри трубы увеличивается. Если я буду медленно пропускать воздух внутрь трубы, пока радиометрический эффект не исчезнет, мы увидим, что
возмущения появляются все чаще и чаще в более широком диапазоне, пока маятник не остановится.

Гистограмма, рассчитанная Бобом Холмстромом

На вопрос, почему мы можем наблюдать подобные явления, до сих пор не найдено ответа.