Компенсационным маятником, в отличие от обычного, является такой маятник, который может сохранять постоянство своей длины между центрами подвеса и качания при всевозможных изменениях температуры. В ранних маятниковых часах, начиная от часов Гюйгенса до Грагама, особой необходимости в температурной компенсации маятника не было. До 1700 г. влияние на ход маятниковых часов оказывали не столько температурные изменения, сколько несовершенство механизма часов и спускового устройства. Ввиду этого еще не было достаточно понято значение влияния температурных изменений на ход маятниковых часов. Только после того, как были достигнуты значительные успехи в усовершенствовании анкерного хода и колесной пере дачи, стали уделять внимание влиянию температурных изменений на ход маятниковых часов. Грагам, изобретатель усовершенствованного анкерного хода и ртутного маятника, был первым часовщиком, который стал основательно изучать влияние температурных изменений на ход часов. Результаты этих исследований он использовал для создания ртутного компенсационного маятника, с устройством которого мы уже познакомились.

Решетчатый маятник Гаррисона. Джон Гарриеон (1693— 1776) работал над созданием устройства для температурной компенсации маятника в то же время, что и Грагам, но независимо от него. Решетчатый маятник состоит из пяти стальных я четырех латунных прутьев, соединенных в форме решетки. Прутья, образующие решетку, прочно соединены стальными и латунными поперечинами (рис. 150). Температурная компенсация этого маятника основана на различии линейного расширения стали и латуни.

При каких условиях стальные прутки компенсируют действие латунных? Пусть длина стального прутка при 0° равна L, длина каждого из латунных прутков — L’; X, X’ — коэффициенты линейного расширения стали и латуни. При температуре t удлинение стального стержня будет LXt, удлинение каждого из латунных — L’X1t. Чтобы длина маятника оставалась постоянной, должно быть LXt=L’X’t, от куда L[L’=X’/X, т. е. длины стальных и латунных прутков должны быть обратно пропорциональны коэффициентам линейного расширения металлов.

Коэффициент линейного расширения стали 0,0000115, или 11,5- 10-6, а латуни—0,000018, или 18-10-3 откуда L/L1 = 180/115.

Рис. 150. Решетчатый маятник Гаррисона

Следовательно, линейное расширение латунных прутков в 1,6 раза больше линейного расширения стальных прутков при одной и той же температуре.

Стальные прутки с повышением температуры испытывают действие растяжения, что вызывает удлинение маятника по на правлению вниз. Латунные прутки, испытывая сжатие, вызывают укорочение маятника в направлении, обратном действию стальных прутков.

Если полное растяжение стальных прутков равно полному сжатию латунных, то эффективная длина маятника, т. е. расстояние между центрами подвеса и качания, должно остаться без изменений.

При понижении температуры стальные прутки подвергаются сжатию. При этом произошел бы подъем линзы маятника, если бы этому не препятствовало сжатие латунных прутков, действие которых направлено в обратную сторону, т. е. не на подъем, а на опускание линзы. Таким образом, нейтрализуется отрицательное действие сжатия стальных прутков, вызываемого понижением температуры, и эффективная длина маятника остается без изменения.

Основные части решетчатого маятника показаны на рис. 150. BI—сталь ной стержень маятника; А — поперечина, служащая прочному соединению каркаса решетки; К —нижняя поперечина; E- стальные стержни (прутки); F — латунные стержни, присоединенные к нижней поперечине, верхними концами связаны с верхней внутренней поперечиной С; G — стальные прутки, которые также присоединены к верхней внутренней поперечине, а нижними концами поддерживаются нижней внутренней поперечиной О; его же поддерживают нижние концы двух латунных стрежней Н, верхние концы которых уже поддерживаются короткой внутренней поперечиной D. К этой же поперечине присоединен стержень маятника, который затем проходит через нижнюю поперечину и несет линзу (груз), что сидит на гайке, позволяющей регулировать ее расстояние от центра подвеса маятника.

Хорошо изготовленный решетчатый маятник имеет преимущество над ртутным маятником в том, что его части почти одинаково подвержены действию окружающей атмосферы, так что как стальные, так и латунные прутки могут принимать или терять тепло одинаково, тогда как тонкий стержень ртутного маятника реагирует на изменение температуры быстрее, чем массивная ртутная линза. В результате неравномерного воздействия компенсации и при повышении и понижении температуры в часах с ртутным маятником не достигается полной температурной компенсации. Промедление или запаздывание между температурным изменением и действием компенсации составляет главное неудобство ртутного маятника.

Хотя ртутный и решетчатый маятники были изобретены почти одновременно (ок. 1726 г.), однако изобретение Гаррисона оставалось неизвестным, так как до приезда в Лондон в 1735 г. он по рекомендации Георга Грагама про должал совершенствовать свое изобретение. Сам Грагам скоро понял превосходство решетчатого маятника над своей ртутной компенсацией и даже изготовил несколько часов с решетчатым маятником. В XIX в. часы с решетчатым маятником изготовлялись чаще, чем с ртутным маятником.

Главный недостаток решетчатого маятника заключается в искривлении стержней и в оседании металла, работающего на сжатие. Кроме того, при комбинации латунь — сталь в решетчатом маятнике имеется девять стержней, тогда как при комбинации цинк — сталь можно ограничиться применением только трех стержней. При девяти стержнях благодаря большому количеству сопряжений стержней с поперечинами получается большой мертвый ход и большое трение.

Хорошо изготовленный решетчатый маятник все же имеет некоторое пре имущество перед ртутным маятником. В этой конструкции все части, как стальные, так и латунные, почти одинаково реагируют на изменение темпера туры и притом одинаково по всей длине стержня маятника. В ртутном же маятнике тонкий стержень реагирует на температурные изменения значительно быстрее, чем та его часть, где имеется массивная линза (цилиндр со ртутью). Переменная разность температуры по высоте маятника сопровождается задержкой или отставанием между температурными изменениями и действием компенсации. Это является главным недостатком ртутного маятника. В результате маятник с ртутной компенсацией обладает меньшей компенсационной способностью, чем решетчатый маятник.

Для того чтобы заставить ртуть следовать более быстро за изменением температуры, было предложено применять два или более сосуда (рис. 151); это позволяло увеличить поверхность ртути, не уменьшая, однако, ее массы; но следствием этого было увеличение массы вспомогательных частей.

Более совершенной считается ртутная компенсация, примененная в маятнике Рифлера. Стержень этого маятника представляет собой стальную трубку, наполненную ртутью до двух третей ее высоты.

Рис. 151. Компенсационное устройство с двумя сосуда ми с ртутью в качестве лин зы маятниковых часов

Рис. 152. Компенсационное устройство из цинка и ста ли в трубчатом маятнике

Рис. 153. Инварный стержень маятника

В нижней части стержня сидит тяжелая латунная чечевица, поддерживаемая у ее центра при помощи двух регулировочных гаек. Ниже и выше ее находятся два или три небольших диска, меняя вес которых можно регулировать дополнительно компенсацию маятника. Подъем или опускание этих добавочных грузиков действует так же, как и перемещение главного груза или линзы, т. е. соответственно ускоряет или замедляет колебание маятника. Хотя ртутный маятник Рифлера изготовлен по точному расчету и трубка на 2/з своей длины наполнена ртутью, все же он из меняет свой суточный ход на 0,3 с при изменении разности температуры на одном метре высоты на 1о С.

Компенсационное устройство из цинка и стали. Трубчатый маятник. Около 1800 г. были изобретены различные компенсационные устройства, в которых применялись цинковые и стальные стержни. Ввиду значительного коэффициента линейного расширения цинка для устройства компенсации требуется меньшее количество стержней, чем для устройства компенсации, основанной на применении для этой цели латунных и стальных стержней. Еще больший успех в деле температурной компенсации маятников был достигнут благодаря приме нению трубок из двух металлов (цинка и стали), расположенных концентрически, вместо стальных, латунных или железных стержней. Такой трубчатый маятник более компактен, чем решетчатый. Он был изобретен Эдвардом Троу- тоном — знаменитым лондонским мастером астрономических инструментов. На этом принципе, например, устроен маятник знаменитых вестминстерских часов. Его трубки вместо латуни составлены из цинка и стали. Подобные же маятники были использованы фирмой «Дент» для создания многих регуляторов, теперь уже вышедших из употребления.

На рис. 152 дана конструкция трубчатого маятника, у которого внутренний стальной стержень 1 имеет на конце регулирующую гайку 8, привинченную к нему почти у нижнего основания линзы (груза). Цинковая трубка скользит поверх внутреннего стержня и покоится на квадратном углублении, образованном в весьма толстой шайбе 7, которая, в свою очередь, покоится на регулировочной гайке. Шайба не должна вращаться, когда вращается регулировочная гайка. Стальная трубка у своего нижнего конца ограничена выступа ми 5, которыми поддерживается линза маятника 6, несколько ниже его центра. Вместе с тем линза находится в связи со стальной трубкой.

С повышением температуры стальная трубка, на которой линза поддерживается, расширяется книзу, что направляет книзу и линзу; 4 — цинковая трубка, которая на себе несет стальную трубку, расширяется кверху и, стало быть, поднимает и линзу маятника вместе с собой. В результате эффективная длина маятника остается неизменной. Точные длины цинковой и стальной тру бок для получения совершенной компенсации должны быть вычислены на основе учета и знания их относительных коэффициентов линейного расширения; окончательное регулирование, однако, должно быть осуществлено опытным путем.

Наличие в цинковой трубке просверленных отверстий и надрезов в наружной стальной трубке позволяет свободно проникать воздуху.

Современная компенсация. Инварный стержень маятника. В настоящее время для компенсации маятника используются современные материалы, обладающие таким низким коэффициентом линейного расширения, что требуется . весьма малая компенсация. Наибольшей популярностью пользуется сплав ин вар, состоящий из 36% никеля, 59% железа, 4% марганца и 1% углерода. Его получил около 1895 г. доктор Чарльз Эдуард Гильом, которому Британский часовой институт присудил за это золотую медаль. Инвар обладает весьма малым коэффициентом линейного расширения (от 0,0000010 до 0,0000030). В Англии был создан сплав сходного состава, который теперь и используется.

Когда требуется высокая точность, инварный стержень необходимо комбинировать с компенсационной трубкой из латуни или из другого материала. Коэффициент расширения компенсационной трубки должен быть в определен ном соотношении с коэффициентом расширения данного инварного стержня. Длина трубки может быть рассчитана, если известны коэффициент линейного расширения данного инварного стержня и компенсационного материала трубки. Поэтому трубка должна подгоняться к каждому маятнику в отдельности. Линза А маятника (рис. 153) представляет собой цилиндр, поддерживаемый на 2,5 см ниже его центра компенсатором В и покоящийся на верхнем его конце. Компенсатор опирается на регулировочную гайку С, которая по стержню маятника может перемещаться по резьбе D. Регулировочная гайка на конце снабжена фланцем для регулировки положения линзы.

Некоторые ранние маятники с инварным стержнем имели не только обычную металлическую линзу, но нередко снабжались и инварной линзой, однако для практических целей этого не требуется. Латунная линза или линза из мягкой стали вполне достаточна даже в том случае, когда требуется обеспечение высокой точности хода часов.

Период колебания маятника можно регулировать, поднимая или опуская линзу, которая находится на его стержне, действуя на компенсатор поворотом гайки. Каждому повороту гайки соответствует определенное изменение приведенной длины маятника и, следовательно, определенная величина изменения суточного хода. Обычно гайки этих часов имеют деления для контроля угла поворота. Регулировать период можно и за счет прибавления к маятнику добавочных грузиков, помещаемых на специальную полочку, установленную в средней части стержня маятника. Дополнительный грузик приводит к некоторому смещению центра тяжести всей системы маятника, т, е. к изменению при веденной длины. Так, в вестминстерских часах монета в полпенни либо оставляется на подставке стержня маятника, либо удаляется оттуда, следствием чего и является незначительное изменение хода.

Маятник всегда регулируется на небольшое отставание хода часов, чтобы можно было затем должным образом регулировать его ход с помощью регулировочной гайки или малых грузиков.

Барометрическая компенсация маятника. Маятник колеблется в воздушной среде. Поместить часы в безвоздушное пространство нельзя, как это показал Бессель в 1828 г., потому что масло, служащее для смазывания часового механизма, без которого никакой механизм не может работать, будет испаряться и трение в осях сильно возрастет. Поэтому даже самые точные часы работают под давлением, близким к атмосферному, но ни в коем случае не в вакууме. Период колебаний маятника часов, не заключенных в воздухонепроницаемый футляр, уже всецело зависит от атмосферного давления. С повышением давления период колебания маятника увеличивается и, наоборот, с понижением давления уменьшается. Изменение величины хода часов за сутки (выраженное в секундах) под влиянием изменения атмосферного давления на 1 мм рт. ст. называется барометрической постоянной.

Устранение влияния изменяющегося барометрического давления воздуха достигается двумя путями. Первый — изоляция часов с маятником от наружного воздуха, причем часы не изолируются от окружающего воздуха; второй — применение автоматически компенсирующего приспособления.
Наибольший эффект достигается применением первого способа. Прецизионные маятниковые часы Рифлера и Леруа заключены в стеклянный футляр, в котором поддерживается давление на 100—150 мм ниже атмосферного. Вместе с часами в стеклянном футляре помещаются барометр сифонного типа, термометр и гигрометр для определения влажности. Часы снабжены воздушным насосом велосипедного типа, при помощи которого в любой момент можно, из меняя давление, очень точно регулировать их ход. Часы устанавливаются в подвальных неотапливаемых помещениях, где годовые колебания температуры сохраняются в пределах 0,5—1о. Это постоянство температуры является одним из необходимых условий для постоянства давления в резервуаре. Завод у этих часов электрический.

Большое практическое значение имело и применение второго способа, не смотря на то что в этом случае не всегда может быть достигнута полная ком пенсация влияния изменения барометрического давления воздуха.

Идея этой компенсации принадлежит Робинсону, который в 1831 г. предложил снабдить маятник сифонным барометром. Для этой же цели в 1843 г. приспособил к маятнику сифонный барометр и Бессель. Фирма «Дент» в 1872 г. изготовила часы для Гринвичской обсерватории с еще более верной и тщательной компенсацией; повышение и снижение уровня ртути в открытом лимбе барометра приводило в действие постоянный магнит, находящийся вблизи двух стержневых магнитов, установленных на самом маятнике.

Рис. 154. Барометрическая компенсация маятника при помощи ртутного барометра

Рис. 155. Барометрическая компенсация маятника при помощи анероидной коробки

В настоящее время барометрическая компенсация маятников чаще всего осуществляется двумя способами: при помощи ртутного манометра и при по мощи анероида.

Принцип барометрической компенсации при помощи ртутного манометра предложил в 1864 г. Крюгер. Конструкция, основанная на этом принципе (рис. 154), состоит из одной барометрической трубки 1, закрепленной ниже середины стержня маятника 2. При изменении атмосферного давления ртуть в закрытом колене соответственно поднимается или опускается, что изменяет положение центра тяжести маятника и его приведенную длину, а следователь но, и период колебания. Эта конструкция имеет ряд недостатков; более совершенной является барометрическая компенсация с помощью анероида Рифлера.

Устройство Рифлера (рис. 155) состоит из ряда анероидных коробок, соединенных между собой. Над коробками укреплен груз, который поднимается или опускается в зависимости от расширения или сжатия коробок анероида, тем самым изменяя положение центра тяжести маятника, его приведенную длину и период колебаний. Анероид также закрепляется на стержне маятника, немного ниже его середины. С грузом соединена система рычагов, которая передвигает стрелку по шкале. Шкала указывает отклонение в миллиметрах от некоторого среднего давления, на которое проградуирован прибор. Анероид Рифлера работает на принципе Гюйгенса.