Zegarki z obiegowym systemem wychwytu, w których mamy do czynienia ze zmianą położenia - „obieganiem” (zwykle wokół koła sekundowego), „zamkniętych w klatce”: koła wychwytowego z kotwicą i oscylatora (balans), są bardzo szanowane przez miłośników czasomierzy. Tourbillon – bo tak nazywa się najpopularniejsze z tego rodzaju rozwiązań, wydaje się wręcz być swego rodzaju słowem magicznym!
W gronie zegarkowych zawodowców czasomierze z taką konstrukcją są przyjmowane jako potwierdzenie, iż jego wytwórca (firma lub osoba) osiągnął najwyższy poziom zegarmistrzowskiego kunsztu. Nazwa tourbillon pochodzi z francuskiego i oznacza trąbę powietrzną (turbinę)
Tourbillon i Breguet
Za konstrukcję pierwszego tourbillonu (rok 1801) odpowiedzialny jest Abraham-Louis Breguet - osoba której wkład w rozwój zegarmistrzostwa nie sposób przecenić. Jego nowatorskie wówczas i przez wiele kolejnych lat rozwiązania, dotyczyły nie tylko poprawy dokładności chodu – jak właśnie tourbillon, czy specjalny – nazwany od nazwiska wynalazcy rodzaj krzywej końcowej sprężyny włosowej balansu, ale i zabezpieczające zegarki przed skutkami uderzeń i upadków łożyskowanie wstrząsoodporne balansu.
Warto tutaj nadmienić także to, co jest może mniej znane w dokonaniach tego niezwykłego zegarmistrza i wynalazcy, Breuget odpowiedzialny jest też za wprowadzenie dodatkowego wskazania zegarka – równania czasu nazywanego także ekwacją, czy wynalezienie automatycznego naciągu sprężyny (prawdopodobnie niezależnie od wcześniejszej takiej konstrukcji wykonanej przez Abrahama Louisa Perreleta).
Cele i korzyści ze stosowania tourbillonu
Wracając jednak do tourbillonu, to konstrukcja ta miała na celu poprawę dokładności działania zegarka, poprzez narzucenie ciągłego, jednostajnego, obrotowego ruchu klatki tourbillonu. Realizowana w ten sposób jednostajna zmiana położenia balansu pozwala na kompensowanie błędu jego niewyrównoważenia. Stosowanie tourbillonu ma sens, gdy balans nie jest dobrze wyrównoważony, a zegarek przez dłuższe odcinki czasu spoczywa stabilnie w pozycji w której oś balansu jest, w stosunku do siły ciężkości, ułożona prostopadle. W czasach Bregueta tourbillon przynosił pozytywne efekty szczególnie dlatego, że trudno było dobrze wyrównoważyć zegarek (nie znano choćby sposobu na dynamiczne wyrównoważenie balansu, stosowano koła balansowe bimetalowe), a sam czasomierz przez stosunkowo długie odcinki czasu swojego codziennego użytkowania (od włożenia do np. kieszonki kamizelki, do czasu ponownego wyjęcia) przebywał nieruchomo.
Działo się to oczywiście w różnych, ale w miarę stabilnych pozycjach. Czasomierz przebywający w kieszeni zawsze jest też tak usytuowany, że oś balansu jest ułożona poziomo.
Dzięki wymuszonym, narzuconym przez ruch tourbillonu zmianom położenia balansu, błąd niewyrównoważenia był uśredniany, a jego wpływ na dokładność chodu możliwy do zminimalizowania poprzez odpowiednie wyregulowanie - ustawienie okresu balansu (regulacja aktywnej długości włosa balansu).
Aby prowadzić rozważania na temat zasadności stosowania tourbillonu, musimy poznać kilka różnych aspektów związanych z produkcją i użytkowaniem zegarków w obecnych czasach, w odniesieniu do czasów Bregueta.
Sztuka mikromechaniki
Dla wykonania dobrej konstrukcji i wysokiej jakości tourbillonu, tak kiedyś, jak i dziś, potrzeba niezwykłej wprawy i wysokiego zegarmistrzowskiego kunsztu. Turbillon musi być lekki, doskonale wyważony i… perfekcyjnie działający.
Dziś moduł ten jest zdecydowanie łatwiej wykonać i jest on odpowiednio tańszy, szczególnie przy produkcji większej liczby egzemplarzy.
Tourbillon, jako całość jest bardzo delikatny i z tego powodu jest szczególnie narażony na zniszczenie w przypadku uderzeń i upadków. Ta uwaga jest o tyle istotna, że potencjalne uszkodzenie tourbillonu wymagało w czasach Breuget’a i w dalszym ciągu wymaga ingerencji samego producenta, lub bardzo dobrze wyedukowanego zegarmistrza.
Różnicy na korzyść dnia dzisiejszego można upatrywać tylko w zdecydowanie niższych kosztach transportu do i z serwisu.
Zmiana sposobu użytkowania zegarka
W trakcie ewolucji zegarków doszło do decydującej dla stosowania tourbillonu zmiany. Co najmniej od czasów Pierwszej Wojny Światowej zegarek zmienił miejsce swojego ciągłego przebywania. Z kieszeni kamizelki czasomierz powędrował na nadgarstek. Dla uniknięcia uderzeń zwykle był to nadgarstek lewej ręki – rzadziej używanej do codziennych czynności.
W każdym razie dla ręki trudno mówić o stabilnych położeniach zegarka, a nawet jeśli jest on odkładany na noc, to zwykle spoczywa tak, że oś balansu jest położona pionowo, więc… nie ma błędu pozycyjnego. Taka sytuacja oczywiście eliminuje potrzebę, ale także i korzyść ze stosowania tourbillonu.
Rozwój nauki, techniki i technologii
Dzięki rozwojowi nauki, na podstawie sprawdzenia odchyłek chwilowych mechanizmu zegarka przy użyciu sprawdzarki zegarmistrzowskiej, można poznać i skorygować niewyrównoważenie działającego kompletu balansowego (balans ze sprężyną włosową i przerzutnikiem).
Sposób takiego wyważenia balansu, podał przykładowo inż. Jerzy Bezpałko w broszurze zakładów Mechaniki Precyzyjnej „Błonie” dla produkowanego tam w latach sześćdziesiątych zegarka z mechanizmem Kirowskije.
Wobec rozwoju nauki i postępu technicznego, diametralnie zmieniała się technologia, a co za tym idzie dokładność wykonywania elementów. Wprawdzie wyważanie balansu przebiega w sposób podobny do tego z czasów Breuget’a (waga balansowa), ale dzięki wyższej dokładności wykonania elementów balansu, nawet w masowej produkcji moduł ten może być dobrze wyważony.
W tym miejscu należy zaznaczyć także, że odpowiedni dobór materiałów może powodować kompensację wpływu temperatury na rozszerzalność temperaturową koła balansowego i zmianę własności sprężyny włosowej. W balansie termokompensacyjnym (stosowanym w czasach Breguet’a), dzięki zastosowaniu bimetalu i rozcięciu obręczy koła balansowego, przy zmianie temperatury następuje zmiana kształtu wieńca, co oczywiście zmienia moment bezwładności balansu, równoważąc zmianę sprężystości stalowej sprężyny włosowej. Negatywną pochodną takiej sytuacji - zmiany kształtu balansu, może być zmiana położenie jego środka ciężkości.
W opracowaniu na temat własności oscylatora balansowego Profesor Zdzisław Mrugalski pisze: „Przy zastosowaniu zwykłych materiałów (na balans mosiądzu, a na sprężynę włosową – brązu) wpływ zmiany momentu bezwładności balansu prawie równoważy się z wpływem zmiany grubości sprężyny włosowej.”, oraz dalej: „Najprostszym sposobem wyeliminowania wpływu temperatury na okres wahań balansu jest wykonywanie sprężyn włosowych z takiego materiału, którego temperaturowy współczynnik zmiany modułu sprężystości ma wartość bliską zera. Jednym z takich materiałów jest stop znany pod nazwą „Nivarox”...”*
Zmieniła się także jakość sprężyn napędowych, dzięki czemu we współczesnych zegarkach wahania amplitudy balansu wynikające z wielkości impulsów napędowych są znacznie mniejsze niż w czasach Breguet’a.
Tak więc technologia wykonania, oraz dobór odpowiednich materiałów ewidentnie ograniczają potrzebę stosowania tourbillonu.
Samo zastosowanie tourbillonu niesie ze sobą także pewne negatywne w aspekcie dokładności działania zegarka wpływy.
Większe zapotrzebowanie energetyczne
Przy „Zaprowadzając do machiny tak małej i tak subtelnej jak zegarek, cóś takiego…”** - dodatkowego elementu ruchomego, który dla swojego działania potrzebuje oczywiście dostarczania energii (tourbillon pracuje skokowo, a jego rozruch i zatrzymywanie powoduje rozproszenie znacznej ilości energii), wpływa negatywnie na stabilność chodu zegarka.
O takiej ułomności tourbillonu przekonał się najlepiej polski konstruktor zegara z tourbillonem, członek Klubu Miłośników Zgarów i Zegarków – Adam Mroziuk, który na bazie zegara Metron Toruń skonstruował tourbillon. Dla poprawnego działania zegara, wykonawca musiał użyć dodatkowego bębna napędowego.
Przy zmianie amplitudy balansu wynikającej ze zmniejszającego się momentu napędowego generowanego przez sprężynę, wpływ niewyrównoważenia balansu, oraz stosowania przesuwki regulacyjnej włosa balansu na dokładność działania czasomierza także się zmienia.
Tylko w aspekcie zapotrzebowania energetycznego i rozważań co miałoby większy wpływ na dokładność działania zegarka noszonego - lepsza stabilizacja momentu napędowego, czy użycie tourbillonu, wynik badania jest praktycznie przesądzony na niekorzyść torbillonu.
Drgania i zużycie elementów
Poruszający się skokowo element – tourbillon wprowadza drgania do mechanizmu, co zwykle (dla ustalenia szczegółów trzeba by przeprowadzić specjalne badania) wpływa na niestabilność układu, a co za tym idzie mniejszą dokładność działania. Skokowa praca tegoż elementu powoduje także szybsze zużycie się delikatnych elementów mechanizmu.
Ruch klatki a wielkość impulsów napędowych
O ile w tradycyjnym rozwiązaniu z wychwytem szwajcarskim, impulsy napędowe balansu rozkładają się symetrycznie (podobne wielkości dla wejściowej, jak i wyjściowej palety), to dla rozwiązania z tourbillonem powstaje zróżnicowanie wielkości impulsów w zależności od kierunku przyśpieszenia klatki tourbillonu. Ze wglądu na skokowy ruch klatki o symetrycznych impulsach praktycznie nie może być mowy.
Podsumowanie
Wiedząc o dziś noszonym na nadgarstku zegarku, że nie można powiedzieć, że przebywa przez dłuższe (choćby 2-3 minuty) odcinki czasu w stabilnej pozycji z poziomą osią balansu. Biorąc pod uwagę obecny poziom wiedzy naukowej, technicznej i technologicznej, a także analizując wszystkie podane powyżej wpływy (tylko negatywne, bo pozytywnych brak) wynikające ze stosowania tourbillonu, dochodzimy do wniosku, że stosowanie w obecnych czasach tourbillonu w aspekcie dokładności działania zegarka nie ma żadnego uzasadnienia.
Z drugiej strony jak zaznaczono na wstępie użycie tourbillonu podkreśla wysoki poziom techniczny osiągnięty przez jego producenta, a zawsze jest potwierdzeniem jego najwyższego kunsztu, oraz niepodważalnym dowodem niezwykłej sztuki zegarmistrzowskiej.
Dodatkowo, wobec przyjmowania czasomierza jako elementu stroju i dekoracji nadgarstka, jego wyposażenie w tourbillon doskonale wkomponowuje się w te trendy.
To właśnie z tych powodów widzimy rozkwit konstrukcji z różnorakimi rodzajami rozwiązań i wieloma odmiennościami dla każdej z nich. Na samo ich opisanie należałoby przeznaczyć kolejne, co najmniej takiej samej objętości opracowanie.
Pozostałe publikacje w ramach tego działu tu - Komplikacje konstrukcji mechanizmów
Władysław Meller
*Z. Mrugalski. Zespoły funkcjonalne urządzeń zegarowych i tachometrycznych. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej. Warszawa 1991
** F. Czapek. Kilka słów o zegarmistrzowstwie…. Drukarnia Aleksandra Wiedego. Lipsk 1850. Cytowany fragment wywodu Franciszka Czapka odnosi się do sensu stosowania… urządzenia wstrząsoodpornego w zegarku.
INSTAGRAMIE
greenlogic.eu