Системный анализ объекта "Часы"
4
Системный анализ
Объекта
«Часы»
Содержание
Введение…………………………………………………………
Основная часть……………………………………………………..4
Заключение……………………………………………………
Литература……………………………………………………
Введение
Для того чтобы получить информационную модель любого реального объекта или процесса, необходимо рассмотреть его с системной точки зрения — выполнить системный анализ объекта. Задача системного анализа, который проводит исследователь, — упорядочить свои представления об изучаемом объекте для того, чтобы отразить их в информационной модели. Под системой понимается любой объект, состоящий из множества взаимосвязанных частей и существующий как единое целое.
Вопрос измерения времени возник перед человечеством очень давно. За многие века было придумано множество приспособлений и приборов для измерения времени. Часы – устройство для измерения текущего времени.
В настоящее время в группу часов включаются приборы, предназначенные главным образом для измерения времени или для выполнения некоторой операции, связанной со временем.
В нее включаются часы, пригодные для ношения на себе или с собой (наручные и карманные часы и секундомеры), другие часы (обычные часы, часы, не предназначенные для ношения с собой или на себе, имеющие часовой механизм для часов, предназначенных для ношения с собой или на себе, будильники, морские хронометры, часы для автомобилей и т.д.), а также устройства для регистрации времени, приборы для измерения интервалов времени и таймеры; в общем случае в нее включаются также части этих изделий.
Данная работа посвящена анализу компонентов системы «механические часы», их структурным и функциональным связям, функциям системы в целом. Функциональные связи возникают в процессе специфического взаимодействия элементов системы. При этом искусственные факторы функционирования часов прежде всего являются внутренними, когда образуемая ими система выступает как единство взаимодополняющих элементов
Микроскопический аспект
С точки зрения системно- структурного анализа механические часы представляют собой искусственную открытую механическую колебательную систему. Система, являясь конкретным видом реальности, находится в постоянном движении, в ней происходят многообразные изменения. Однако всегда имеется такое изменение, которое характеризует систему как ограниченное материальное единство, и выражается в определенной форме движения.
По формам движения системы подразделяются на механические, физические, химические, биологические и социальные. Критерий системности состоит в том, что элементы образуют систему, если все они имеют друг с другом связи, обусловленные их участием в реализации функции данной системы. Функция системы выражает смысл существования, назначение, необходимость системы, который задается системе извне – средой.
Совокупность компонентов системы образует ее состав. Компоненты делятся на подсистемы и элементы, последние представляют собой элементарные носители системного качества. Структура системы помимо состава включает также связи между компонентами.
Связь элементов определяется их взаимодополнением, координацией и субординацией, т. е. присущими им определенными свойствами, обеспечивающими взаимное функционирование в целостной системе, хотя эта связь и является в основе своей механической, т. е. внешней. Однако здесь она выступает в своей высшей форме и дополняется целесообразностью взаимодействия элементов
Иерархический аспект
С точки зрения теории систем объектом называется все то, что можно мысленно выделить из окружающей его среды, путем указания свойств и признаков, существенных для данного понятия. Всеобщими свойствами объектов являются:
наличие уникального имени,
определенность предназначения,
наличие внутренней структуры,
наличие особенных свойств или признаков, позволяющих идентифицировать (узнавать) данный объект,
нахождение в определенном пространстве,
нахождение в определенном состоянии,
возможность изменения положения и состояния объекта,
наличие отношений и связей с другими объектами
Макроскопический аспект
Часы всех видов состоят из двух главных частей: часового механизма и контейнера для часового механизма (корпуса, шкафа и т.д.).Механизмы механических часов всех видов состоят из следующих деталей:
1. Остова или каркаса, обычно состоящего из платины и мостов. Платина, на которой мосты крепятся винтами и штифтами, является главной опорой часового механизма. В некоторых случаях каркас содержит, кроме мостов и собственно платины, одну или несколько дополнительных платин (например, циферблатную платину, нижнюю платину крышки), предназначенных для установки некоторых узлов часового механизма (механизма хода, механизма звонка и т.д.).
2. Устройства, которое приводит в движение часовой механизм и состоит обычно из гирь или пружин.
Механические часы требуют для своей работы источника внешней энергии, позволяющего связать эту энергию превратить поступательное, вращательное или колебательное движение в сигнал, позволяющий отсчитать время в виде выбранного, связанного с движением сигнала.
В этом смысле можно было говорить о механическом движении рабочего тела- воды в водяных часах, песка в песочных часах, и о технических приемах отсчета: шкала, уровень песка в верхнем шаре часов. Другими словами ближе всего к современному понятию механических часов средневековые башенные часы с гиревым двигателем, механизмом боя.
Внешним системообразующим фактором для механических часов является источник внешней энергии, превращающий часовой механизм из набора деталей в функционирующее устройство
Процессуальный аспект
Основные требования к часам заключаются в равномерности, периодичности и воспроизводимости хода. Часовой механизм состоит из: шестереночного механизма с двигателем в виде заводной пружины, которая приводит в движение этот механизм, и анкерного механизма, сдерживающего распускание пружины и контролирующего скорость вращения шестеренок. Если к часовому механизму добавить стрелки, то они будут регистрировать скорость вращения шестереночного механизма на циферблате.
Истинно механические часы:
имеют механический механизм движения частей
механический способ отсчета времени
визуальное устройство количественного отсчета – циферблат
Для отсчета времени часы должны испытывать переменные состояния, которые могут быть представлены для отсчета зримым образом. Механизмы боя, движения фигур - это несущественная с точки анализа целостности системы.
Таким образом, часы представляют собой открытую колебательную механическую систему, в которой превращает механическую энергию от внешней среды с помощью внутреннего эталона времени из невидимой в в видимую форму .
По типу колебательных систем механические часы можно разделить на балансовые и маятниковые. Преобразователь внешней энергии в энергию движения частей механизма пружинный или гиревый привод [6].
Основные подсистемы (узлы) механических часов:
Двигатель
Система колес – передаточный механизм
Ход или спусковой механизм
Регулятор – создает равномерное движение
Стрелочный механизм
Механизм заводки часов и перевода стрелок
В качестве источника энергии, обеспечивающего работу часового механизма обычно применяется спиральная пружина, расположенная в барабане с зубчатым краем. При заводке часов, пружине сообщается изгибающий момент, который при раскручивании преобразуется в крутящий момент барабана, вращение которого приводит в движение весь часовой механизм. Недостатком пружинного двигателя является неравномерность крутящего момента, передаваемого на баланс, что приводит к неточности хода часов. Наибольший крутящий момент имеет полностью заведенная пружина, наименьший - раскрученная.
Например, пружина – двигатель – вращает систему колес, частота вращения которых определяется периодом колебаний системы «баланс- спираль». Числа зубьев колес и период колебаний баланса подбираются, так чобы колеса делали один оборот в час или минуту. К колесам через передачи крепятся колеса, к которым прикрепляются стрелки. Это позволяет переводить стрелки - устанавливать время. В маятниковых часах регулятором колебаний является маятник.
Чтобы часы могли служить для измерения времени, стрелка должна совершать свои обороты с одной и той же периодичностью. Между тем груз движется под действием сил притяжения с ускорением. Столкнувшись с этой проблемой, средневековые механики сообразили, что ход часов не может зависеть только от движения груза [ 3]. Механизм необходимо было дополнить еще одним устройством. Это устройство должно было обладать собственным, независимым "чувством времени" и в соответствии с этим управлять движением всего механизма. Так родилась идея регулятора.
Спуск всегда был и остается самым сложным узлом в механических часах. Через него осуществляется связь между регулятором и передаточным механизмом.
С одной стороны, спуск передает толчки от двигателя к регулятору, необходимые для поддержания колебаний последнего, а с другой стороны, подчиняет движение передаточного механизма (а . следовательно, и действие двигателя) закономерности движения регулятора. Правильный ход часов зависит главным образом от спуска. Именно над его конструкцией больше всего ломали голову изобретатели. Самый первый спуск представлял собой шпиндель с палетами, поэтому его называют шпиндельным.
В первых часах не было также специального механизма завода. Вследствие этого подготовка часов к работе требовала очень больших усилий. Мало того, что по несколько раз в день приходилось поднимать на значительную высоту очень тяжелую гирю, надо было еще и преодолевать огромное сопротивление всех зубчатых колес передаточного механизма.
Такой была концепция ранних механических часов. Но уже очень скоро устройство их заметно усложнилось. Прежде всего, увеличилось число колес передаточного механизма. Вызвано это было тем, что при значительной разнице в числе зубьев между ведущим и ведомым колесами получались очень большие передаточные отношения, механизм испытывал сильную нагрузку и быстро изнашивался. Груз в таких часах опускался очень быстро и его приходилось поднимать по пять, шесть раз в сутки. Поэтому стали вводить промежуточные дополнительные колеса, в задачу которых входило плавно увеличивать передаточные отношения.
Ко второй половине XV века относятся самые первые упоминания об изготовлении часов с пружинным двигателем, который открыл путь к созданию миниатюрных часов. Источником движущей энергии в пружинных часах служила заведенная и стремящаяся развернуться пружина, которая представляла собой эластичную, тщательным образом закаленную стальную ленту, свернутую вокруг вала внутри барабана. Внешний конец пружины закреплялся за крючок в стенке барабана, внутренний - соединялся с валом барабана. Стремясь развернуться, пружина приводила во вращение барабан и связанное с ним зубчатое колесо, которое в свою очередь передавало это движение системе зубчатых колес до регулятора включительно.
В особо точных часах - морских хронометрах для компенсации разницы момента пружины, применяется устройство, называемое улитка. Оно представляет собой конус, основанием которого является главная шестеренка часового механизма, на который спирально навита цепь. Один конец цепи зацеплен за основание конуса, другой конец - за внешнюю поверхность пружинного барабана. Когда пружина заведена и имеет максимальный момент, цепь намотана на конус полностью, при этом конус оказывает максимальное сопротивление вращению за счет силы трения. По мере того, как пружина разворачивается, момент пружины уменьшается. Одновременно с уменьшением момента пружины уменьшается и усилие требуемое для поворота конуса. Таким образом, при правильно рассчитанном конусе, момент пружины будет постоянно одинаков, что обеспечит высокую точность хода часового механизма .
Самые значительные усовершенствования в механизм часов были внесены во второй половине XVII века знаменитым голландским физиком Гюйгенсом, создавшим новые регуляторы как для пружинных, так и для гиревых часов.
Толчком к созданию пружинных часов послужило изобретение запора, не позволявшего пружине развернуться сразу. Он представлял собой маленькую щеколду, помещавшуюся в зубья колес и позволявшую пружине раскручиваться только так, что одновременно поворачивался весь ее корпус, а вместе с ним - колеса часового механизма.
Так как пружина имеет неодинаковую силу упругости на разных стадиях своего разворачивания, первым часовщикам приходилось прибегать к различным хитроумным ухищрениям, чтобы сделать ее ход более равномерным.
Сейчас в недорогих часах пружину просто делают достаточно длинной, рассчитанной примерно на 30-36 часов работы, но при этом рекомендуют заводить часы раз в сутки в одно и то же время.
Специальное приспособление мешает пружине при заводе свернуться до конца. В результате ход пружины используется только в средней части, когда сила ее упругости более равномерна.
Маятниковый регулятор Гюйгенса произвел подлинный переворот в технике . Важное усовершенствование регулятора произошло в 1674 году, когда Гюйгенс присоединил к колесику-маховику спиральную пружину .
Позже Гюйгенс немало потрудился над усовершенствованием карманных пружинных часов. Около 1676 года английский часовщик Клемент изобрел якорно-анкерный спуск, который очень удачно подходил к маятниковым часам, имевшим небольшую амплитуду колебания .
Был создан первый балансовый регулятор или балансир со свойствами, подобными свойствам маятника. Выведенное из состояния равновесия, колесико балансира начинало совершать колебательные движения вокруг своей оси. Балансир имел постоянный период колебания, но в отличие от маятника мог работать в любом положении, что очень важно для карманных и ручных часов. Усовершенствование Гюйгенса произвело среди пружинных часов такой же переворот, как введение маятника в стационарные настенные часы.
В 1770 году Авраам-Луи Перле (1729-1826) создал в Ле Лёклё "вечные часы", которые заводились в кармане под влиянием движения и стали предтечей современных моделей с автоподзаводом.
Более полувека спустя в Ла Вале де Жу один из основателей знаменитой часовой компании Patek Philipp Адриан Филипп (1815-1894) изобрел подвесные часы с маятниковым подзаводом. Открытия и изобретения привели к выпуску усложненных изделий с дополнительными функциями хронографа, вечного календаря, обратного отсчета времени.
На пороге ХХ века в результате введения новых технологий возникло массовое производство: Пьер-Фредерик Ингольд (1787-1878) изобрел машину для точного и быстрого вырезания плат и шестеренок, а Жорж-Август Лешо (1800-1884) ввел принцип взаимозаменяемости запасных частей как основу стандартизации.
Конец первой мировой войны ознаменовался появлением и быстрым ростом популярности наручных часов, в середине 20 годов в Гренхене были созданы первые наручные модели с автоподзаводом. Для завода наручных часов также используется механизм автоподзавода. Классический механизм состоит из ротора (инерционного сектора), оборачивающегося вокруг центральной оси часов, и реверсивного устройства, обеспечивающего преобразование двухстороннего вращения ротора в одностороннее вращение вала пружинного барабана. При различных движениях запястья руки, под действием силы тяжести, ротор поворачивается вокруг своей оси, предавая через зубчатую передачу вращение на вал заводной пружины, заводя ее. В таких часах пружинный барабан устроен таким образом, что во время завода пружины, при достижении максимального момента, пружина будет проскальзывать, предотвращая поломку часового механизма.
Таким образом, механическая часть современных часов состоит из
1. Устройства, которое приводит в движение часовой механизм и состоит обычно из гирь или пружин.
2. Зубчатой передачи, то есть последовательности зубчатых колес, которая соединяет приводное устройство со спусковым и позволяет измерять время.
3. Механизма хода, то есть ряда деталей, которые связывают движение минутной стрелки с движением часовой стрелки. В часовых механизмах с циферблатом ходовой механизм расположен обычно между циферблатом и платиной.
4. Спускового механизма, или спуска, который регулирует снабжение энергией маятника или системы баланс-спираль и обеспечивает управление движением зубчатой передачи. Наиболее распространенными типами спусков являются анкерный или рычажный, штифтово-палетный, цилиндровый и спуск с арретиром.
5. Регулирующего устройства; оно регулирует движение, создаваемое приводным механизмом. Состоит оно из маятника, системы баланс-спираль, или любой другой системы, способной определять интервалы времени.
6. Заводного механизма и механизма установки стрелок (управляется нажимной кнопкой, вытяжной головкой или перестановочным рычагом и т.п.). Механические часы всех видов можно заводить вручную, с помощью электричества или автоматически.
Для передачи энергии от пружины через шестереночный механизм к балансу, а также поддержания его колебаний и управления скоростью вращения шестереночного механизма, служит анкерный механизм. Анкерный механизм состоит из анкерного колеса (шестеренки), как правило, с 15 зубчиками, анкерной вилки, с впрессованными в паллеты синтетическими рубинами, и баланса. Анкер периодически освобождает зубчатую передачу и преобразует энергию пружины в импульсы, передаваемые балансу для поддержания его колебаний со строго определенным периодом, и преобразование этих колебаний в равномерное вращение шестереночного механизма. Изогнутые концы анкерной вилки называются паллетами. Их две - входная и выходная. При подъеме входной паллеты одновременно опускается выходная, и анкерное колесо поворачивается на один зубец. Затем поднимается выходная паллета и опускается входная, анкерное колесо поворачивается еще на один зубец и т.д. Во время подъема входной паллеты, под действием анкера, баланс поворачивается на пол-оборота до ограничителя, при этом собственная пружина баланса сворачивается. Во время опускания входной паллеты, под действием собственной разворачивающейся пружины, баланс совершает движение в обратную сторону до второго ограничителя. Таким образом, баланс постоянно совершает строго ограниченные полуколебания, уравновешивая тем самым ход часового механизма .
Поскольку само балансное колесо (баланс) представляет собой двойной маятник, то на точность его хода, как и в случае с простым маятником, оказывают влияние температура, трение и сила притяжения Земли. Так как балансное колесо делают из металла, то оно, как и все металлы, подвержены расширению и сжатию под действием температуры. Для минимизации этого влияния колесо делают биметаллическим: из материалов с разным коэффициентом расширения, например, стали и цинка.
Функциональный аспект
Для уменьшения силы трения концы оси баланса (цапфы) делают очень тонкими, порядка 0.07-0.08 мм. Поэтому при неосторожном обращении с часами может произойти поломка цапфы. С целью предохранения оси баланса от поломки, для крепления баланса в платине и мосте используют противоударный механизм. В обычной конструкции узла баланса сквозные камни, в которых находятся цапфы, жестко запрессовывают в отверстия платины и моста, а накладные камни - в отверстия накладок, привинченных к плоскостям платины и моста. Между камнями оставляют зазоры, заполняемые при сборке узла часовым маслом. В противоударном механизме оси баланса запрессованы в специальные подвижные опоры. Подвижная опора устроена таким образом, что при осевом ударе ось баланса будет смещаться вверх до тех пор, пока широкая часть оси баланса не упрется в узкое отверстие сквозного камня, приняв на себя, таким образом, силу удара. При боковом ударе ось баланса будет смещаться в бок до тех пор, пока не упрется своей утолщенной частью в стенку отверстия опоры. Таким образом, вместо тонких цапф, все нагрузки принимают на себя утолщенные части оси баланса, предохраняя первые от поломки и изгиба.
Балансир, части спускового механизма и части зубчатой передачи являются в конечном счете вращающимися деталями. В дешевых часах всех видов они вращаются непосредственно в подшипниках скольжения платин и мостов, но в лучших приборах в качестве подшипников используются часовые камни для противодействия износу.
Одной из составляющих точности хода часов является снижение трения. Такие части часового механизма, как оси шестеренок, ось баланса, ось вилки и т.д., опираются на синтетические рубиновые камни, представляющие собой плоские миниатюрные цилиндры с воронками для удержания часового масла. Применение в часах рубиновых камней обусловлено тем, что потери на трение у передающих пар должны быть минимальны.
Этому требованию удовлетворяет рубин, имеющий наименьший коэффициент трения в паре со сталью, еще более снижающийся в процессе эксплуатации. Начало использование рубиновых камней уходит к 1700 году, когда начали использоваться природные рубины. Использование синтетических камней началось в 1902 году, и сегодня без них не обходится ни одно часовое производство. В зависимости от качества механизма обычно используются 7, 15, 17 камней или 21 камень .
Часовые механизмы, обладающие наибольшей точностью, называют хронометрами. Это особо точные часы, ход которых практически не зависит от колебаний температуры, механических вибраций и тяги заводной пружины. Первыми на свет появились морские хронометры как основной прибор навигации. Позже хронометры стали применять в геодезии, картографии, астрономии. Устройство хронометра аналогично устройству карманных часов. Движущей силой в них является сила упругости сильной спиральной пружины, а регулятором движения стрелок — баланс (балансир), колеблющийся то в одну, то в другую сторону под действием cлабой спиральной пружины. От карманных часов хронометры отличаются большими размерами и большей точностью механизма. Размер циферблата хронометра около 10 см. На нем имеются часовая, минутная и секундная стрелки. Механизм хронометра устроен так, что секундная стрелка резко перескакивает каждые полсекунды с четким ударом, слышимым на расстоянии нескольких метров
Часы всех видов могут быть снабжены механизмом боя, звонком или музыкальным устройством. Каждое из этих устройств требует специального механизма. Изобретением другого часового устройства – репетира — люди обязаны темноте: до изобретения циферблата с подсветкой было сложно определить время с наступлением сумерек.
Репетир представляет собой устройство часового механизма, которое позволяет часам мелодичным боем разной тональности сообщать о текущем времени. Часы с репетиром отбивают час, четверть часа, пять минут и минуты. Каждый бой имеет собственную мелодию и частоту. Первый патент на устройство репетира для карманных часов был выдан английскому часовому мастеру Даниэлю Квэа в 1687 году королем Англии Яковом Вторым. Владельцами первых часов с репетиром были монархи Франции и Англии, поэтому такие часы стали своеобразным символом аристократичной изысканности и до сих пор являются предметом гордости и почтения для большинства их владельцев.
Вечный календарь — устройство, которое состоит из колеса индикатора месяца, которое совершает один оборот в год и вращает колесо индикатора високосного года, а то в свою очередь делает полный оборот уже за четыре года.
Заключение
В настоящее время в группу часов включаются приборы, предназначенные главным образом для измерения времени или для выполнения некоторой операции, связанной со временем.
Первое упоминание о механических часах относится к концу 6 столетия. Современные механические часы были созданы нидерландским ученым Христианом Гюйгенсом в 1657 году.
Из всех механизмов, сделанных в Средние века, самым сложным и оказались механические часы. Появление и совершенствование этого механизма, были вызваны потребностями общества (церковные службы, коммерция, навигация, технологические процедуры) и инициировали развитие науки механики и социальный прогресс.
С точки зрения системно- структурного анализа механические часы представляют собой искусственную открытую механическую колебательную систему. Система, являясь конкретным видом реальности, находится в постоянном движении, в ней происходят многообразные изменения. Однако всегда имеется такое изменение, которое характеризует систему как ограниченное материальное единство, и выражается в определенной форме движения. Внешним системообразующим фактором для механических часов является источник внешней энергии, превращающий часовой механизм из набора деталей в функционирующее устройство.
Часы представляют собой открытую колебательную механическую систему, в которой превращает механическую энергию от внешней среды с помощью внутреннего эталона времени из невидимой в в видимую форму . Основные подсистемы (узлы) механических часов:
Двигатель
Система колес – передаточный механизм
Ход или спусковой механизм
Регулятор – создает равномерное движение
Стрелочный механизм
Механизм заводки часов и перевода стрелок
В качестве источника энергии, обеспечивающего работу часового механизма обычно применяется спиральная пружина, расположенная в барабане с зубчатым краем.
Создание часов требовало и требует сложных расчетов и кропотливого труда, особых инструментов и новых материалов, они давали прекрасную возможность для соединения науки и практики. Многие конструкторские идеи, получившие потом распространение в других отраслях техники, были поначалу опробованы в часах, а для многих механизмов, созданных в последующие времена, часы послужили образцом. Они явились как бы опытной моделью всего механического искусства
ЛИТЕРАТУРА
1. . Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. -М.: Центр, 2002. -208 с.
2. Большая Советская энциклопедия (В 30 томах) /Под. ред. А.М.Прохорова. -т.29.- М.: Советская энциклопедия, 1978.- 640 с.
3. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. - М.: Высш. шк.. 1998. - 383 с.
4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие. - М: Высш. шк.. 2002.-718 с.
5. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания.-Новосибирск: ЮНВА, 1997.-830с.
6. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие. – М.: Гардарики, 2000. -476 с.
7. Рузавин Г.Н. Концепции современного естествознания.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.-320 с.
