Астрономические часы В. X. Шорта имеют два маятника, при чем в основу их работы положен своеобразный «принцип разделения труда». Новым и важным в данном случае является распределение обязанностей между этими двумя маятниками, из которых один, так называемый свободный маятник, фактически поставлен в наилучшие условия работы с точки зрения получения высокой степени точности хода. Этот маятник вступает во взаимодействие с прочими частями часов только один раз в 30 с и то на ничтожную долю секунды, притом в такой момент, когда маятник проходит через положение равновесия, т. е. когда он менее всего чувствителен к внешним возмущающим толчкам. Он выполняет только работу по хранению времени и по корректировке хода рабского маятника (один раз в 30 с).

Рис. 254. Схема часов Шорта с двумя маятниками

Рабский маятник несет всю работу по пуску в действие импульсных рычагов, передвижению стрелок, посылке электрических секундных сигналов и т. д. Благодаря этому достигается освобождение главного (свободного) маятника от какой бы то ни было механической работы, как бы мала и ничтожна она ни была. Колебания как свободного, так и рабского маятника поддерживаются при помощи рычагов, раз в 30 с падающих на соответствующие части маятников и тем самым сообщающих необходимые импульсы. Завод для подъема рычагов и функционирование всех механизмов в целом обеспечиваются небольшой электрической батареей.

Маятники изготовлены из инвара, подвесная пружина — из элинвара. Свободный маятник устанавливается обычно отдельно от «рабского» в помещении с постоянной температурой и заключен в цилиндр из красной меди, закрытый сверху и снизу стеклянными крышками из толстого стекла. Из цилиндра выкачивается воздух, чтобы атмосферное давление оставшегося воздуха было порядка 35 мм. Рабский маятник и его механизм не нуждаются в такой тщательной установке.

Схема совместной работы механизмов, управляющих обои ми маятниками, приведена на рис. 254. Слева изображен механизм свободного маятника, справа — механизм рабского маятника.

Механизм рабского маятника ничем не отличается от описанной выше обычной конструкции часов Хоуп-Джонса фирмы «Синхроном», за исключением того, что освобождение рычага свободного маятника происходит не при помощи храпового ко леса, а при помощи электромотора Е, включенного в цепь электрического привода рабского маятника.

Синхронизация одновременно работающих двух маятников осуществляется прежде всего посредством синхронного переключателя, основанного на патенте Хоуп-Джонса. Этот переключатель выполняет в часах Шорта три функции: 1) поддерживает движение маятника, передавая ему импульсы через каждые 30 с; 2) приводит в действие храповое колесо, имеющее 15 зубцов. При каждом колебании маятника это колесо пере двигается на один зуб и совершает полный оборот за 30 с;
3) осуществляет электроконтакты, возвращает гравитационный рычаг в первоначальное положение после каждого им пульса.
Опишем действие этого переключателя. Когда свободный маятник совершает свое колебание, то рабочий (рабский) маятник при каждом колебании слева направо поворачивает при помощи легкого крючка В небольшое храповое колесо С с 15 зубцами, которое фактически выполняет функцию счетного колеса. Фиксатор L удерживает храповое колесо от поворота в обратном направлении при захватывании крючком следующего зуба.

Импульсный Г-образный рычаг G имеет на своем длинном плече стальной полированный ролик R и пружинную пластинку К, которая входит в сцепление с держателем D, удерживающим импульсный рычаг от поворота на его оси.

После того как колесо С совершит полный оборот, происходит освобождение импульсного рычага G от держателя D. Рычаг после своего освобождения поворачивается на оси, при этом ролик R скользит либо по цилиндрической, либо по наклонной поверхности обоймы, расположенной на маятнике, и тем самым сообщает последнему импульс.

Своим вертикальным плечом рычаг G касается контактного винта на якоре А электромагнита М и замыкает электрическую цепь. В этот момент срабатывает электромагнит контрольного циферблата рабочего маятника и его минутная стрелка делает полуминутный скачок. Затем якорь А притягивается электромагнитом М и левый конец рычага G подбрасывается на за щелку К, которая задержит его на 30 с, пока снова не наступит освобождение.

От электромагнита Е проходит ток со стороны рабского маятника и притягивает якорь. При этом импульсный рычаг С освободится и, вращаясь вокруг своей оси, пере даст импульс свободному маятнику по ролику Р. В конце движения рычаг G1 упадет на защелку К, которая отпустит рычаг С2. Затем этот процесс повторяется применительно к рабскому маятнику.

Если колебания маятников синхронны, описанный процесс будет повторяться каждые 30 с. Однако нет возможности до биться полной синхронизации и синфазации колебаний этих маятников. По этому колебание рабочего маятника регулируется с отставанием на 6 с в сутки, затем при большем отставании он ускоряется посредством коррекционного электромагнита Я и устройства, известного под названием ускорите ля, или «удара — пропуска». Они укреплены на стержне рабского маятника и показаны отдельно на рис. 255.

Вильгельм X. Шорт

Устройство «удар—пропуск» состоит из гибкой латунной пружины ускорения, прикрепленной нижним концом к нижней обойме рабского маятника, а верхним концом свободно про ходит через вырез верхней обоймы, который служит направляющей. Конец пружины ускорителя направлен к якорю А магнита М. Когда якорь электромагнитом М не притянут, острый конец его расположен выше верхнего свободного конца пружины, а когда он притянут, то оказывается на одном уровне с изо гнутым верхним концом пружины ускорителя. Тогда конец этой пружины упрется в якорь коррекционного электромагнита и сообщит рабскому маятнику добавочный импульс, необходимый для ускорения его хода. Ускорение рассчитано так, что зацепление пружины ускорителя может происходить не только за один полный оборот, но и за большее количество оборотов храпового колеса. Именно этим и обусловлено название «удар— пропуск» этого устройства; оно также может быть названо пружинным ускорителем хода часов Шорта.

Для синхронизации со свободным маятником ход рабского маятника регулируется так, чтобы рабские часы отставали приблизительно на 6 с в сутки, что соответствует 1/ с 1/ мин до фазе колебаний свободного маятника. Вследствие этого конец пружины — ускорителя — будет отставать в своем приближении к якорю электромагнита М. Ра бота ускорителя рассчитана так, чтобы величина ускорения рабского маятника вдвое превзошла величину его отставания по фазе от свободного маятника. Тог да ускорение должно выразиться в 12 с при отставании в 6 с или на 1/ С за 30 с. Работа ускорителя должна совершаться каждую минуту. В этом случае надежная работа коррекционного приспособления обеспечена и рабский маятник будет постоянно контролироваться и подгоняться свободным маятником.

Особо следует отметить, что цепь коррекционного электромагнита замыкается только тогда, когда окончился импульс свободного маятника. В этом и заключается контроль работы рабского маятника со стороны свободного.

Все функции счетчика и передаточного механизма выполняет рабский маятник; свободный маятник только измеряет время, колеблясь совершенно свободно, за исключением тех коротких промежутков времени, когда он получает импульс.

Рис. 255. Ускоритель хода часов Шорта
(«удар — пропуск»)

Первые часы Шорт создал для Эдинбургской обсерватории в 1921 г. Они несколько отличались от позднейшей более совершенной конструкции передачей импульса свободному маятнику. Три экземпляра часов Шорта были закончены для Гринвичской обсерватории в 1924—1927 гг., а в 1939 г. для различных обсерваторий мира было изготовлено 50 часов Шорта.

До Великой Отечественной войны в СССР было изготовлено несколько часов Шорта во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии (ВНИИМ) Героем Социалистического Труда заслуженным метрологом И. И. Кваренбергом. Первый экземпляр советских часов Шорта был принят в эксплуатацию и установлен в ноябре 1936 г. в часовом подвале ВНИИМ.

Анкерный ход Грагама для маятниковых часов, введенный в XVIII в., обеспечил измерение времени с точностью до 0,1 с. Часы Шорта дают погрешность хода не более 0,002—0,003 с. Они по крайней мере на два порядка точнее, чем часы с ходом Грагама, а по сравнению с часами Рифлера — на один порядок. Успех в точности хода часов, достигнутый Шортом, совпал по времени с крупными достижениями в технике астрономических наблюдений по определению времени астрономическими средствами. Тогда стало возможным при помощи микрографа про изводить отсчет интервалов времени в 0,001 с.

Часы Шорта впервые стали применяться в астрономической практике в 1925 г. и быстро завоевали всеобщее признание.

Сначала предполагалось, что ход часов значительно изменяется с течением времени. Однако исследования, проведенные Джексоном в Гринвичской обсерватории, дали возможность обнаружить, что часы Шорта столь точны, что способны измерить непостоянство вращения Земли вследствие нутации земной оси. За 14-дневный период вращения Земли это непостоянство выражается в 0,02 с, а наибольшее изменение за сутки исчисляется в 0,003 с. Значительно легче обнаружить наличие флуктуации, продолжающихся несколько лет. Короткий цикл нутации был долгое время камнем преткновения для астрономов. После того как удалось определить величину нутации с помощью часов Шорта, оказалось возможным вносить поправ ку в определении среднего звездного времени. В 1931 г. Гринвичская обсерватория опубликовала цифры, полученные в результате определения среднего звездного времени с учетом влияния на них нутации.

Эволюция маятниковых часов от Гюйгенса до Шорта шла от несвободного хода к свободному, т. е. к такому ходу, при ко тором кинематическая связь маятника с механизмом является периодической и весьма кратковременной, если не сказать мгновенной. После Шорта наибольшего успеха на этом пути удалось добиться советскому ученому Ф. А. Федченко.

Идея Ф. А. Федченко состоит в создании для маятниковых часов хода, аналогичного хронометровому, или такого хода, при котором колебания маятника поддерживаются короткими односторонними импульсами, подающимися в положении равновесия. Реализовать эту идею применительно к маятниковым часам удалось прежде всего благодаря созданию новой оригинальной конструкции изохронирующего пружинного подвеса. Он состоит из трех пружин, причем две крайние короче сред ней. Благодаря особому креплению средней пружины создается добавочный компенсирующий момент, позволяющий маятнику качаться по кривой, приближающейся к циклоиде. После со ответствующей настройки подвес сохраняет эти свои свойства.

Ф. А. Федченко удалось также создать механизм, подающий маятнику короткие импульсы в положении равновесия без какого-либо нарушения изохронности колебания маятника, достигаемой при помощи изохронирующего подвеса. Такой механизм, сначала с механическим, а потом с электромагнитным импульсом был создан Ф. А. Федченко (АНФ-3). Описание его устройства дано ниже (см.. с. 415). Маятниковые астрономические часы АЧФ-3 отличаются простотой конструкции и высокой точностью, в 10 раз превышающей точность хода часов Шорта. Вариации их хода находятся в пределах 0,2—0,3 мс в сутки, т. е. (2-^-3) • 10-4 с.