Время и пустота. История барометров
Идея поместить в классические наручные часы анероидный барометр вряд ли получит широкое распространение, но она определенно заслуживает внимание ценителей необычной механики.
С некоторыми допущениями барометр можно назвать часовым «усложнением» — это полноценный механический измерительный прибор с историей, традициями и секретами.
NATURA ABHORRET VACUUM
«Природа боится пустоты» — это знаменитое изречение Аристотеля почти два тысячелетия направляло развитие науки по ложному пути. Иллюстрацией его служил простой насос: люди были убеждены, что чем больше качать воду, тем выше она будет подниматься, покуда есть свободное пространство. Только когда в XV веке во Флоренции решили опытным путем проверить теорию и построили гигантский насос, оказалось, что никакие усилия не могут заставить столб воды подняться выше десяти метров. Это стало известно Галилею и его ученику Эвангелиста Торричелли, который проделал собственный опыт с более тяжелой ртутью. Он опустил трубку с ртутью, запаянную с одного конца, в сосуд с ртутью открытым концом вниз. Вместо того чтобы заполнить всю трубку, ртуть из сосуда поднялась лишь на 760 мм, а сверху осталась пустота.
Иллюстрация барометра, ок. 1880 года
Таким образом, в 1643 году Торричелли сформулировал «теорию барометра», согласно которой столб жидкости, помещенной в трубку, уравновешивает давление воздуха на жидкость в сосуде. Кстати, пустота, остающаяся в верхней части барометрической трубки, впоследствии получила имя «торричеллиевой».
Опыт ученого привел к появлению прибора измерения атмосферного давления под названием ртутный барометр, который лишь незначительно модифицировал действия экспериментатора (например, Торричелли зажимал трубку с ртутью собственным пальцем). Изначально барометры использовались исключительно для измерения высоты над уровнем моря. В 1648 году по просьбе знаменитого математика, физика и мыслителя Блеза Паскаля его зять Флорен Перье поднялся с торричеллиевой трубкой на гору Пюи-деДом на высоту 1647 метров. Как и предполагал ученый, ртутный столбик на вершине оказался ниже, чем у подножия горы из-за меньшего давления атмосферных слоев. Поэтому единица давления в итоге получила имя Паскаля. Кстати, зять понадобился для опыта потому, что сам Паскаль страдал от сильнейшего ревматизма.
Колесный ртутный барометр в стиле George II, изготовленный Джоном Галифаксом ок. 1740 года, размеры 129,5х26,5х10 см
Чашечные барометры, построенные по принципу торричеллиевой трубки, были весьма хрупкими и сложными в использовании. Положение чашки нужно было отрегулировать специальным винтом или палочкой, чтобы уровень ртути точно соответствовал началу шкалы. Пользоваться такими барометрами могли только обученные экспериментаторы. Изобретение в 1694 году сифонного барометра — без чашки с трубкой изогнутой буквой U — ненамного облегчило жизнь, поскольку измерения приходилось производить с учетом показаний двух концов трубки, короткого и длинного.
Несмотря на то что ртутные барометры постоянно совершенствовались, у них оставалось множество недостатков, мешающих производить точные вычисления. В качестве иллюстрации можно вспомнить знаменитую шутку о 12 способах измерения высоты здания с помощью барометра, один из которых предлагал: надо подняться на крышу, засечь время и бросить барометр вниз. Когда раздастся звон стекла, рассчитать расстояние по формуле ускорения свободного падения.
Барометр Oakton с двойной шкалой от 930 до 1070 мбар и от 698 до 802 мм ртутного столба, а также с ртутным термометром
ИЗОБРЕТЕНИЕ КОЛЕСА
Уже в конце XVII века барометры получили распространение в качестве метеорологических приборов. Изначально их использование также было сугубо профессиональным — в мореплавании, где столбик ртути указывал на приближение циклона. Стоит ли говорить, что обеспечить точность показаний в морских условиях было делом весьма хлопотным. Например, приходилось следить за постоянством температуры ртути, кроме того, к стенкам узких трубок морских барометров часто приставали волокна металла, что мешало считываемости.
Зато к середине XVIII столетия метеобарометры неожиданно получили огромную популярность в качестве интерьерного и уличного украшения. Для домашнего прибора не требовалось особой точности, зато ртутные трубки и сифоны оказались идеальным объектом для фантазии краснодеревщиков и к концу века едва ли не вытеснили из европейских гостиных непременные «дедушкины» часы.
Hermle барометр с термометром из коллекции Schiffsuhren, латунь
Особое распространение барометры получили в Великобритании, куда были завезены из Италии в 1680-х годах. Именно британские мастера придумали помещать трубки в деревянные корпуса, защищающие от света и случайных ударов. В первых барометрах вверху корпуса просто оставлялась прорезь, в которой помещалась шкала, часто нарисованная на бумаге, отмечавшая движение ртутного столба в дюймах, а иногда с нониусом на сотые доли дюйма.
Barigo Banjo Barometer барометр с гидрометром, из орехового дерева в стиле шератон, размеры 170х550 мм
В конце XVII века знаменитый физик Роберт Гук изобрел механизм «колесного барометра», в котором показания ртутного столба передаются с помощью привычной круговой стрелки. Принцип его работы довольно прост. В короткий конец сифонной трубки опускается шелковая нить со стеклянным грузом, который плотно прилегает к поверхности ртути. Нить пропускается через шкив, а на другом ее конце привязан противовес (на всякий случай тоже помещенный в стеклянную трубку просто, чтобы не болтался). Уровень ртути двигает груз с ниткой, которая, в свою очередь, поворачивает шкив со стрелкой. Колесные барометры пользовались бешеной популярностью в Британии в XVIII-XIX веках, причем как их классические варианты в стиле Георга II (напоминавшие те самые дедушкины часы с «башней»), так и дизайнерская разновидность — банджо-барометры, названные так из-за сходства с музыкальным инструментом. Ртутный сифон и циферблат находились в нижней круглой части корпуса, а наверху, в «грифе» располагался термометр.
Конструкция барометра с сильфоном, изготовленная фабрикой Feingeratebau Fischer из ГДР в 1960-х годах
Надо сказать, в XIX веке уже очень хорошо были известны вредные свойства ртути. В эссе «О заболеваниях, вызванных ртутью», опубликованном в 1835 году, американский врач Джон П. Харрисон приводит многочисленные примеры неправильной эксплуатации домашних приборов с этим веществом.
Учитывая, что процесс производства ртутных барометров по-прежнему оставался опасным и трудоемким (например, чтобы не допустить воздуха в торричеллиевою пустоту, трубку наполняли кипяченой ртутью), не удивительно, что изобретение в 1843 году механического, или анероидного барометра — ровно через двести лет после открытия Торричелли — практически остановило производство классических жидкостных приборов.
Jaeger-LeCoultre Atmos Marqueterie l’Attente с постоянным источником питания механизма служит наполненный хлористым этилом сильфон
НАДУВАТЕЛьСТВО С ПОГОДОЙ
Анероидный, или безжидкостный барометр изобрел француз Люсьен Види. Интересно, что по образованию господин Види был юристом и делал успешную карьеру в адвокатуре, а инженерия была его хобби, причем увлекался он в первую очередь паровыми и часовыми механизмами. Не удивительно, что конструкция его изобретения во многом напоминала часы и включала пружину, рычажную передачу и рубиновые подшипники.
Barigo Penta — обладатель дизайнерской награды Outdoor Industry 2011
В основе анероидного барометра лежит герметичная капсула, или сильфон — трубка с гофрированными тонкими стенками из сплава бериллия и меди с максимально разреженным воздухом. Сверху к ней прикреплена гибкая пружина. При повышении атмосферного давления гофры капсулы сжимаются и тянут пружину на себя, при понижении капсула, наоборот, раздувается и толкает пружину. Пружина, в свою очередь, через систему рычагов передает сокращения на стрелку, расположенную на циферблате.
Корабельный барометр Barigo 183, из серии Regatta в корпусе из латуни 110 мм
Несмотря на кажущуюся простоту устройства, в конструкции анероидного барометра есть свои проблемные моменты, решение которых свидетельствует о классе производителя. Первый важнейший аспект — сама капсула. Она должна быть полностью герметичной, но при этом достаточно тонкостенной, чтобы реагировать на малейшие колебания давления. Естественно, ни один материал не может быть непроницаемым вечно, и со временем воздух все-таки начинает проникать в сильфон. Поэтому средний срок службы стандартных барометров — 8 лет, хотя некоторые производители добиваются продолжительной герметичности и дают на свои приборы чуть ли не пожизненную гарантию. Поведение капсулы также зависит от температуры. Как известно, при повышении температуры металл расширяется, что можно принять за падение давления. Самым элегантными решением этой проблемы является использование биметаллической пластины из сплавов с разными температурными характеристиками, которые компенсируют реакцию стенок капсулы. Кстати, то, что плохо барометру, оказалось весьма полезно часам. В знаменитом механизме Atmos от JaegerLeCoultre сильфон, накачанный? этилхлоридом, служит постоянным источником питания, дающим импульс от малейшего колебания температуры.
Корабельный барометр Erwin Sattler, из серии Nautis Instruments в корпусе из стали 115 мм
Вторая тонкость заключается в построении системы индикации, которая превращает незначительное движение пружины в наглядное движение стрелки. Основным элементом конструкции является рычаг в форме качелей, который превращает импульс от пружины на коротком конце в мах на длинном, с которым соединяется стрелка. Поскольку сокращения капсулы не регулярны, система не всегда оперативно реагирует на импульс. При неизбежных потерях на трение в передаче стрелка может «зависнуть» — именно в таких случаях рекомендуется постучать пальцем по стеклу, чтобы скорректировать положение рычага.
Barigo, метеостанция 3026Comitti B036.5 высота купола 170 мм, диаметр основания 120 мм
Эти близкие взаимоотношения с барометром замечательно описал Джером к. Джером в повести «Трое в лодке, не считая собаки» (1889 г.): «Погода — это явление, находящееся за пределами моего понимания. Я никогда не могу толком в ней разобраться. Барометр ничего не дает: он так же вводит в заблуждение, как и газетные предсказания. Я вспоминаю о барометре оксфордской гостиницы, в которой я останавливался прошлой весной. Когда я на него посмотрел, он стоял на «ясно». В это самое время дождь лил ручьями, а начался он еще с ночи, и я никак не мог понять, в чем дело. Я слегка стукнул пальцем по барометру, и стрелка перескочила на «хор. погода». Проходивший мимо коридорный остановился и заметил, что барометр, наверно, имеет в виду завтрашний день. Я высказал предположение, что, может быть, он, наоборот, вспоминает о позапрошлой неделе, но коридорный сказал, что лично он этого не думает. На следующее утро я снова стукнул по барометру, и стрелка скакнула еще дальше, и дождь припустил с еще большим ожесточением. В среду я подошел и снова щелкнул по барометру, и стрелка сдвинулась с отметки «ясно», прошла через «хор. погода» и «великая сушь» и остановилась, дойдя до упора, так как дальше двигаться было некуда».
Впрочем, в качественных барометрах для стабилизации индикации давно используют различные хитроумные устройства, в частности, хорошо знакомую часовщикам фузею.
Breva Genie 01 с барометром и альтиметром в корпусе из белого золота 44,5 мм, лимит 55 экземпляров
СИЛЬФОН С ТУРБИЙОНОМ
Как видно из вышесказанного, производство барометров всегда было близко часовому делу с точки зрения дизайна и инженерии. В наше время эти направления счастливо сосуществуют, во всяком случае, в престижных интерьерных часах — достаточно назвать продукцию мюнхенской мануфактуры Erwin Sattler, объединяющую точные маятниковые часы с полноценной метеостанцией.
Поместить анероидную капсулу в классический механизм наручных часов стало возможно с пришествием моды на крупные корпуса. Пионером стал женевский бренд Da Vindice, представивший в 2010 году умопомрачительное сочетание турбийона с анероидным барометром. В центре циферблата огромного корпуса-бочки 54х59,5 мм красовался турбийон с кареткой в форме золотой лилии, а у отметки «6 часов» располагался индикатор, сводивший с ума героя Джерома. Версии в белом и розовом золоте были выпущены тиражом по 50 экземпляров.
Da Vindice Tourbillon Barometer в корпусе из белого золота 54х59,5 мм, лимит 50 экземпляров
А в 2013-м на BaselWorld дебютировала марка Breva, основанная французом Венсаном Дюпонтре. Ее флагманская модель Genie 01 не претендовала на высокие усложнения вроде турбийона, зато была оснащена профессиональным барометром, показывающим давление от 973 до 1053 гектопаскалей, и шкалой альтиметра, размеченной от -300 до +5300 метров. Чтобы выравнять давление внутри корпуса с атмосферным давлением, у отметки «4 часа» расположен воздушный клапан, который надо открыть перед активацией барометра, а чтобы при этом в механизм не попала лишняя влага, внутри клапана расположена тефлоновая мембрана. Калибр с ручным заводом и барометрической индикацией был разработан для Breva знаменитым жаном-Франсуа Можоном из ателье Chronode, а вот сами анероидные капсулы — главный секрет марки — были приобретены у германской фирмы Barigo из Виллингена Швеннингена.
Barigo Penta в стальном корпусе 45 мм включает 5 функций: компас, барометр, альтиметр, термометр и часы
Barigo является одним из крупнейших европейских производителей как профессиональных, так и бытовых метеоприборов, и с недавних пор марка запустила собственную линию наручных часов Barigo Penta. Название намекает на пять функций модели: центральная стрелка является компасом, а циферблат разделен на четыре сектора, показывающих время, температуру, высоту и прогноз погоды. Анероидная капсула помещена в стальной корпус 45х16 мм и дополнена кварцевым механизмом с будильником, поэтому цена у Penta — самая демократичная среди наручных часов с барометром.
Tissot T-Touch Expert Solar с цифровым датчиком барометра, сенсорным экраном и солнечной батареей
Этот продукт немецкой инженерной мысли и дизайна слегка напоминает о многофункциональном сенсорном аксессуаре T-Touch от Tissot, также оснащенном барометром и альтиметром, с той только разницей, что в последнем используется цифровой датчик давления размером с маленький чип.
Вот какой славный путь проделали за четыре века изобретения Галилея и его учеников.
Опубликовано в журнале "Мои Часы" №4-2014