На третьем этаже физического факультета Университета Отаго в новозеландском Данидине стоит высокий деревянный корпус с римскими цифрами на циферблате. Надпись «BEVERLY. DUNEDIN» и дата «INV. ET FEC. 1864» сообщают имя создателя и год изготовления. За полтора с лишним столетия этот механизм пережил несколько поколений людей, появление электрических сетей, компьютеров и атомных стандартов времени, но продолжает отсчитывать минуты без традиционного завода.
Удивительно даже не то, что часы работают так долго. Поражает отсутствие внутри какого-либо привычного источника энергии: ни батарейки, ни электродвигателя, ни скрытого провода. Более того, механизм появился на пять лет раньше самого университета, где теперь находится. Возникает закономерный вопрос: каким образом часовщику XIX века удалось создать устройство, которому для работы достаточно обычной погоды?
Портрет Артура Беверли — изобретателя, нашедшего способ превращать атмосферные колебания в энергию для часового механизма.
Путь от ученика сапожника до мастера точной механики
Артур Беверли родился 22 марта 1822 года в шотландском Абердиншире. Семья не отличалась достатком, а систематического образования будущий изобретатель практически не получил. Математику, геометрию и астрономию он осваивал самостоятельно, а также на вечерних занятиях у местного сапожника Джеймса Тейлора. Уже в четырнадцать лет Беверли поступил учеником к часовщику и оптику в Абердине, где научился изготавливать точные механизмы и линзы. Качество его работы оказалось настолько высоким, что на молодого мастера обратили внимание учёные.
В 1852 году Беверли отправился в Австралию, попробовал себя в золотодобыче, но быстро вернулся к знакомому ремеслу. В январе 1858 года он перебрался в Новую Зеландию и открыл мастерскую в Данидине. В те годы единого официального времени у городов страны ещё не существовало. Часовщики помогали устанавливать его по астрономическим наблюдениям, и Беверли среди прочего занимался проверкой и настройкой морских хронометров.
Он прекрасно понимал главную слабость механических часов: даже самый совершенный механизм постепенно расходует запасённую энергию. Поднятая гиря опускается, заведённая пружина раскручивается, и рано или поздно движение замирает. Беверли решил создать систему, способную самостоятельно восполнять этот запас. В 1864 году он изготовил механизм, использующий изменения окружающей среды, а уже в следующем году часы показали на Новозеландской выставке в Данидине. Согласно биографии из новозеландского исторического справочника Te Ara, изобретение привлекло внимание наряду с другим прибором Беверли — планиметром для измерения площадей на картах.
Как воздух незаметно выполняет работу заводного ключа
В основе устройства лежит простое физическое явление. Воздух реагирует на изменение температуры: при нагревании давление в замкнутом объёме растёт, при охлаждении падает. Атмосферное давление тоже постоянно меняется под влиянием перемещения воздушных масс и погодных процессов. Обычно эти колебания почти незаметны для человека, но Беверли придумал, как превращать их в полезную работу.
Внутри часов находится герметичная камера объёмом около 28 литров. Она соединена с подвижным чувствительным элементом — мембраной. Когда температура или внешнее атмосферное давление изменяются, возникает разность давлений, заставляющая мембрану смещаться. Это движение передаётся механической системе, которая постепенно поднимает груз. Дальше всё происходит по принципу обычных гиревых часов: поднятый груз обладает запасом потенциальной энергии, затем под действием силы тяжести медленно опускается и приводит в движение часовой механизм.
Внутреннее устройство часов Беверли: герметичная камера и мембрана преобразуют атмосферные колебания в подъём груза.
Получается своеобразная последовательность: окружающая среда изменяется, воздух воздействует на мембрану, передача поднимает груз, а тот обеспечивает работу часов. Привычного двигателя здесь действительно нет — его функцию выполняют процессы, происходящие в атмосфере. Но насколько сильными должны быть эти колебания? Неужели для работы массивных старинных часов достаточно изменения температуры всего на несколько градусов?
Четыре градуса как суточная норма энергии
Устройство Беверли отличается чрезвычайно малым потреблением энергии. Для поддержания его работы достаточно сравнительно скромного перемещения груза. В описаниях механизма приводится характерный расчёт: изменение температуры примерно на 3–4 градуса позволяет получить работу, сопоставимую с подъёмом груза массой около 450 граммов на высоту 2,5 сантиметра. На первый взгляд это ничтожно мало. Но часам не нужно поднимать тяжести, освещать комнату или вращать большой двигатель. Им необходимо лишь постепенно перемещать стрелки и поддерживать колебания регулятора хода.
Здесь Беверли использовал ещё одно важное техническое решение — крутильный маятник. Обычный маятник раскачивается из стороны в сторону, а крутильный устроен иначе: его подвижная часть медленно поворачивается вокруг вертикальной оси в одном направлении, затем возвращается обратно. Такая система позволяет создать часы с очень небольшими энергетическими затратами.
В 2023 году профессор физики Университета Отаго Крейг Роджер рассказывал новозеландской телепрограмме Seven Sharp, что Беверли было достаточно колебаний температуры приблизительно на 4 градуса для восполнения энергии, необходимой часам в течение дня. Погодные изменения могут казаться случайными: сегодня температура поднялась сильнее, завтра почти не изменилась. Однако часам не обязательно получать строго одинаковую порцию энергии каждые сутки. Поднятый груз служит накопителем. Пока он находится выше своего нижнего положения, механизм располагает некоторым запасом энергии и может продолжать работать даже в период относительно спокойной погоды. Именно сочетание чувствительного атмосферного привода, накопителя энергии и экономичного регулятора хода сделало конструкцию столь долговечной.
Схематичное изображение принципа работы: изменение давления воздуха приводит в движение мембрану, которая поднимает груз.
Остановки, о которых редко вспоминают
В популярных рассказах об изобретении Беверли часто встречается формулировка, будто механизм работает непрерывно с 1864 года. Это не совсем так. В 1984 году в научном журнале European Journal of Physics вышла специальная статья «The Beverly clock». Её авторы Л. Э. С. Эймон, А. Беверли и Дж. Н. Додд подробно рассматривали необычное устройство. Исследователи подтвердили главное: часы действительно не нуждаются в ручном заводе. Но одновременно отметили, что за долгую историю они неоднократно останавливались.
Причины были вполне земными. Механизм требовал чистки, случались технические неисправности. Часы приходилось останавливать и при переезде физического факультета в другие помещения. Однако наиболее показательной оказалась другая причина. Иногда температура окружающего воздуха изменялась настолько слабо, что механизм не получал достаточно энергии для продолжения работы. Груз постепенно расходовал оставшийся запас, опускался, и часы останавливались. После возобновления достаточных атмосферных колебаний система снова могла начать действовать без ручного завода.
Это принципиальное различие. Часы Беверли способны самостоятельно восстанавливать запас энергии, но не способны создавать её из ничего. Они не вечный двигатель и никогда им не были. Скорее это редкий пример того, как точно рассчитанный механизм способен больше полутора столетий использовать обычные изменения погоды.
Надгробие Артура Беверли — создателя механизма, продолжающего работать спустя более чем век после его смерти.
Наследие, которое продолжает идти вперёд
Артур Беверли умер 25 октября 1907 года, прожив 85 лет. Свои часы и значительную часть имущества он завещал Университету Отаго. Наследство оценивалось примерно в 57 тысяч фунтов стерлингов — огромную сумму для того времени. Эти средства направили на поддержку научных исследований и образования.
Часы стали одной из самых известных реликвий университетского физического факультета. Их нередко называют одним из наиболее продолжительных научно-технических экспериментов в мире. И хотя изобретатель давно умер, созданная им машина продолжила использовать тот же природный источник энергии. Пока окружающая среда обеспечивает её энергией, а детали сохраняют работоспособность, часам не нужен человек с заводным ключом.
