Часы из металлических шариков

Обновлено: 18.05.2024

В начале 19-го века англичанин по имени сэр Уильям Конгрив (William Congreve) изобрел необычные часы, которые отсчитывали время с помощью шаров, которые катились по наклонной плоскости. В то время большинство часов делали на маятниковой системе.

Часы Конгрива с катящимися шарами состоят из медной пластины с вырезанной в ней зигзагообразной дорожкой. Принцип работы часов следующий. Маленький латунный шарик катится по резной дорожке, в конце пути шарик ударяется о рычаг и пружина поднимает конец пластины, изменяя угол наклона и отправляя шар в обратную сторону. Рычаг одновременно перемещает стрелки часов на то же количество времени, которое требуется шару для движения в одну сторону. В большинстве часов это время составляет 15 секунд, но в некоторых больших часах может длиться до одной минуты.

Хотя Конгриву часто приписывают создание шариковых часов, на самом деле это не его изобретение. Подобный механизм был разработан в 17 веке французом Николя Грольером де Сервье и немецким часовым мастером Иоганном Сайллером. Некоторые источники утверждают, что Конгриву не было известно о существовании этих часов, но, по словам Марка Фрэнка, автора сайта по историческим часам, Конгрив «возможно, заимствовал некоторые детали часов Иоганна Сайллера», особенно если учесть, что оба механизма использовали зигзагообразную дорожку. В часах Грольера шар катился по прямой линии.

Шариковые часы Сайллера, созданные в 1626 году.

Одним из отличий концепций Конгрива от часов Сайллера является то, что последний использовал несколько шаров и фиксированную пластину, а не один шар и наклонную пластину, как Конгрив. Конгрив попытался сделать «предельно точный механизм», как он описал в своем патенте. На самом деле точность часов зависела от множества внешних факторов.

Настройка часов требовала предельной точности. Сотрудники Букингемского дворца, которым было поручено следить за временем с помощью шариковых часов, описали его в 1837 году как «самую сложную и хлопотную машину».

Помощник реставратора технологий в Национальном музее Шотландии Даррен Кокс (Darren Cox) работал с такими часами в течение двух месяцев: «Часы и наклонная пластина должны быть идеально выровнены. Я обнаружил, что, несмотря на временный экран, который я сделал для защиты от пыли, металлический шарик необходимо полировать не реже одного раза в две недели для удаления грязи. Однако самой сложной задачей при работе этих часов была настройка всех рычагов и пластины. Шар может остановить малейшая преграда, и если он не будет катиться достаточно быстро, он не сможет разблокировать рычаг, поднимающий пластину».

Часы с катящимися шарами в Национальном музее Шотландии

Пыль была не меньшей проблемой. Время, затраченное шаром на скатывание по наклонной дорожке, сильно варьировалось в зависимости от чистоты дорожки и шара. Кроме того, металл расширяется или сжимается при изменении температуры, изменяя длину дорожки и размер шарика. Даррен Кокс обнаружил, что в зависимости от наличия различных факторов, часы могут отставать или спешить до 45 минут в день.

Несмотря на то, что вращающиеся шариковые часы Конгрива были плохими хронометрами, они, несомненно, красивы и зрелищны.

[Перевод] Механико-цифровые часы из стальных шариков 12.11.2020 22:17

Решил я, наконец, разобраться с Arduino, в результате чего сделал свой первый проект: полностью механические цифровые часы.

Компоненты

(1) Arduino Nano.
(2) PCA9685, 16-канальные 12-битные PWM драйверы сервомоторов.
(1) DS3231, часы реального времени (RTC).
(1) TTP223B, сенсорный выключатель.
(33) SG90 сервомотора.
(2) 20KG мощные сервомоторы.
(1) Переключатель сигнала сервомотора.
(1) 12V 6A блок питания.

Ореховая фанера 3 мм.
Ореховый шпон.
Оргстекло 3 мм.
Проволока из углеродистой стали.
Винты.
Постоянные магниты.
Шарики металлические 6 мм.

Лазерный резак Glowforge.
Разные инструменты.

Шаг 1: схема и код

Принципиальная схема работы устройства довольно простая. Всё соединяется со всем через контакты SDA, SCL, землю и V+.

Код в целом работает по следующим принципам:

Каждым мотором управляют одна или две платы PCA9685. У каждой цифры есть 7 сегментов — получается 14 сервомоторов для часов и 14 для минут. Есть ещё два мощных мотора, поворачивающих корпус, 4 поднимающих платформу, и 1 для двоеточия.
Время берётся из чипа часов реального времени.
Я включил в схему сенсорный выключатель, чтобы иметь возможность переключать форматы часов (12/24 часа).

Шаг 2: прототипирование

Цифры и числа

У каждого числа 7 сегментов. Каждый сегмент управляется сервомотором. Одной из самых сложных задач было разместить сервомоторы так, чтобы минимизировать общий размер часов. Здесь очень помогло проектирование на компьютере.

Начал я с единственной цифры. На фото видно дорожки в подъёмном механизме, по которым, по первоначальному плану, должны были перемещаться шарики. Также я хотел, чтобы при изменении текущего времени все шарики сначала падали –, но такая система оказалась слишком сложной. И хорошо, поскольку часы и сейчас работают достаточно громко –, а ежеминутное падение сотни шариков наверняка быстро бы начало раздражать.

Шаг 3: проектирование

Верхняя часть корпуса

Сервомоторы подключены к соединительным проводам. По одному проводу идёт к каждому из сегментов чисел, и на каждый сегмент есть по четыре магнита. Нужно просто повторить всё это 28 раз.

Первый слой — магниты, второй удерживает сервомоторы, третий — электронику, а потом идёт задняя стенка. Да, возможно, компоновка получилась слишком плотной — что поделать.

На боковых стенках закреплены два мотора 20Kg, вращающие весь корпус для загрузки и разгрузки шаров. Кстати, в дальнейшем я не буду использовать разные материалы для одного проекта. Я хотел, чтобы часы по большей части были прозрачными, с небольшой деревянной отделкой. Работать с материалами разной толщины, у которых к тому же получается разная толщина разреза в лазерном резаке, было очень сложно.

Подъёмный механизм (нижняя часть)

У подъёмного механизма есть 4 мотора, помогающие поднимать и опускать платформу, где стальные шарики выстраиваются под сегменты цифр. Подъём осуществляется посредством простой реечной передачи.

Ножки

Питание в 12 В поступает через нижнюю часть корпуса. Мне удалось хорошо спрятать провода в одной из ног, так, чтобы провода там не зажимались.

Шаг 4: завершающие штрихи

Проектируя часы, я постоянно помнил о необходимости сделать двойной дизайн. Один из вариантов часов выглядит так, будто они целиком сделаны из дерева. А если снять эти накладки, то можно видеть внутренности и работу механизма. Теперь я понимаю, что они мне больше нравятся с накладками, однако и без них проект выглядит очень круто.

Механико-цифровые часы из стальных шариков

Код в целом работает по следующим принципам:

Каждым мотором управляют одна или две платы PCA9685. У каждой цифры есть 7 сегментов – получается 14 сервомоторов для часов и 14 для минут. Есть ещё два мощных мотора, поворачивающих корпус, 4 поднимающих платформу, и 1 для двоеточия.
Время берётся из чипа часов реального времени.
Я включил в схему сенсорный выключатель, чтобы иметь возможность переключать форматы часов (12/24 часа).

Начал я с единственной цифры. На фото видно дорожки в подъёмном механизме, по которым, по первоначальному плану, должны были перемещаться шарики. Также я хотел, чтобы при изменении текущего времени все шарики сначала падали – но такая система оказалась слишком сложной. И хорошо, поскольку часы и сейчас работают достаточно громко – а ежеминутное падение сотни шариков наверняка быстро бы начало раздражать.

Первый слой – магниты, второй удерживает сервомоторы, третий – электронику, а потом идёт задняя стенка. Да, возможно, компоновка получилась слишком плотной – что поделать.

Лучи света и вращение Земли: как устроены часы Марселя Бетризе

Швейцария славится своими банками, складными ножами и сыром. А еще сверхточными, дорогими часами. Швейцарца Марселя Бетризе можно назвать часовщиком. Вот только часы, которые он делает, приводятся в действие не пружинами или батарейками, а катающимися шариками, лучами света и вращением Земли.

Есть такое мнение: дескать, многие выдающиеся люди в детстве имели проблемы со школой: от двоек-троек по отдельным предметам до полной неспособности учиться и нормально общаться со сверстниками. В подтверждение часто указывают на Альберта Эйнштейна, который по окончании гимназии не смог получить аттестат зрелости и только со второй попытки поступил в Цюрихский политехникум. Говорят, дескать, гениальный человек гениален с детства и в рамках стандартной школьной программы ему попросту тесно и скучно. Насколько это можно считать тенденцией — трудно судить, ведь примеров обратного — когда ребенок отлично успевал в школе, а потом стал великим — тоже немало.

Герой нашей истории — «плюс один» в копилку примеров гипотезы о гениальных двоечниках. Маленький Марсель Бетризе был скверным учеником. В 1976 году его вообще исключили из школы с крайне низким баллом.

Год рождения: 1961 // Место жительства: Сьон, Швейцария // Род занятий: механик, часовщик, физик // Творческое кредо: Я создаю произведения искусства. но ко всем прочим достоинствам они ещё умеют показывать время.

Шло время. Мальчик рос странным — фантазером, романтиком и разгильдяем. В 1986 году им овладела жажда странствий, и за несколько лет он отмотал не один десяток тысяч километров, где автостопом, где на велосипеде или пешком, побывав в 65 странах на четырех континентах, лазил по скалам, спал под открытым небом и кормил собой международную комариную братию. Охота к перемене мест оставила его так же внезапно, как и пришла. В 1991 году он осел в городке Сьон, что на западе Швейцарии, и, пару лет поработав наемным сотрудником, открыл собственную мастерскую по ремонту электробытовой техники.

CD-проигрыватели из хлама

Нередко Марселю Бетризе приносили поломанные проигрыватели компакт-дисков самых разных конструкций, и он, некоторое время поковырявшись и поняв, как там что работает, возвращал их к жизни. Обладая неуемной фантазией, любопытством, а также склонностью и способностью (вопреки предсказаниям его школьных учителей) мастерить руками всякие штуки, Марсель с какого-то момента стал делать собственные CD-проигрыватели. Очень странные проигрыватели.

Часы из дамасской стали, наручная модель. Однажды Марсель подумал: если ножи из дамасской стали ценятся столь высоко, почему из неё не делают часы?

Разных деталей, пригодных для изготовления электрической и механической начинки плееров, у него скопилось достаточно, периодически он совершал набеги на городские свалки, и если ему на глаза попадались живописные обломки — тащил их к себе в мастерскую. Спустя несколько дней эти хреновины начинали играть музыку, правда, сомнительного качества.

Были среди них плеер, где диск вращался между стекол корабельного иллюминатора, и плеер, сделанный из музыкального инструмента трубы, плеер — швейная машинка и плеер — машинка пишущая. Но наиболее любопытная конструкция — это, пожалуй, CD-проигрыватель, считывающую лазерную головку которого мастер разместил на внешней подвижной «лапке», как на старинных патефонах. Все франкенштейновы монстры реально работали- другое дело, что, закончив, Марсель Бетризе терял к своим творениям всякий интерес.

Florence («Флоренция», 1999). Маятник этих часов получает энергию, вырабатываемую падающими шарами. Каждого падения хватает на час работы, при подзаводе шары поднимаются в исходную позицию

Шарики катятся — часики идут

Примерно в это же время Маресль увлекся часами. И катающимися шариками. Шарики катались внутри часов не просто так, а выполняя определенные функции, служа деталями механизмов. Марсель трудился не покладая рук, создавая одну модель за другой. Не переделывая уже законченные часы, он создавал новые, порой с мельчайшими отличиями от предшественников — если ему приходило в голову, как можно сделать лучше. Вообще шарики — это распространенный искус для скульпторов-механиков. Например, в одном из номеров «ПМ» писала о Шебе Леви, посвятившем всю жизнь «шарокатным машинам». Но Леви «гоняет шары» исключительно из эстетических соображений — для Бетризе же они не цель, а средство.

Indicateur de milieu de lit («Индикатор центра кровати») - прикол от часовщика: лазерный индикатор на свободно вращающемся шаре. Ставится по центру в изголовье кровати, чётко фиксируя, где чья территория. Имеет и второе название – «Мир в семье».

Одним из первых удачных экспериментов с часами и шарами стала модель, которую автор назвал l’Anachrone. Это массивная 2,5-метровая в высоту конструкция из стали, латуни и дерева (300 кг веса не шутка) с метровой длины маятником, который раскачивают падающие шары, подаваемые в верхнюю часть конструкции с помощью спирального подъемника. Поскольку движение и последовательность шаров трудно предсказать с точностью, необходимой для определения времени, то их заложено внутрь с запасом: всего в системе циркулируют 450 шаров, лишние, попав наверх, сбрасываются обратно в поддон, минуя механизм, управляющий маятником.

Большинство читателей знает, что маятник Фуко – это приспособление, опытным путём доказывающее суточное вращение Земли. Многометровый трос или нить с грузом определённой массы качается туда-обратно, при этом плоскость, в которой он движется, медленно поворачивается. Марсель Бетризе придумал, как использовать маятник Фуко для изготовления часов. Первая проблема, с которой он столкнулся, была в длине маятника: сам Жан Фуко в 1851 году использовал 67-метровую проволоку, а современные маятники имеют длину троса от 5 до 30 метров. Бетризе нужен был маятник с длиной подвеса не более метра. У коротких маятников есть две проблемы: искажение траектории вращения (эллиптическая прецессия) и быстрое затухание амплитуды колебаний. Марселю удалось их преодолеть с помощью системы электромагнитов. Кроме того, маятники Фуко совершают полный цикл вращения вовсе не за 24 часа – время и направление движения зависят от географической широты и полушария. В устройство пришлось ввести «поправляющий» элемент. Совершенствуя часы, работающие на маятнике Фуко и решая возникающие по ходу проблемы, Марсель изготовил несколько моделей, включая модель со сверхкоротким, всего в 12 см, тросом, что само по себе является непростой задачей.

Самые же первые часы, сделанные Марселем Бетризе — Brouillon («Черновик»), — вообще не походили на устройство для измерения времени: у них не было стрелок, циферблата, маятника, зато во множестве присутствовали распорки, растяжки, желобки, трубки и даже медный колоколец вроде корабельной рынды. Помните, в мультфильме про кота Леопольда зловредные мыши придумали сложное устройство из множества разных предметов, результат работы которого должен был упасть на голову добрейшего кота в виде арбуза? Вот это оно, то самое, в первом приближении. Кстати, подобные конструкции являются самостоятельным направлением кинетического искусства и называются «машинами Руба Голдберга».

Читайте также: