V okamžiku, kdy hodiny sestoupily z věží a stěn na krbové římsy, komody a později i do kapes a na zápěstí, bylo třeba vymyslet nový pohon. Závaží má celou řadu výhod, ale hodiny jím poháněné nelze za chodu přenášet. Koho jako prvního napadlo smotat pružný plátek železa do spirály, dnes už asi nezjistíme. Stalo se tak někdy na začátku 15. století a zrodilo se hodinové pero.

První mechanické kolečkové hodiny, které se objevily v klášterech a na věžích katedrál začátkem 14. století, byly poháněné závažím zavěšeném na laně navinutém na závažovém bubnu. Pohon hodin závažím měl, a dodnes má, ohromnou výhodu v tom, že po celou dobu chodu dodává jicímu stroji konstantní sílu, tedy zajišťuje konstantní krouticí moment (či fyzikálně přesněji moment síly) hnacího kola. Je tak zaručen stále stejný popud kyvadla či v raných dobách konstantní moment působící na lihýř. To je jednou z podmínek přesného, rovnoměrnéhu chodu hodin. Ohromnou nevýhodou pak je, že s hodinami poháněnými závažím není možno hýbat, aniž by byl jejich chod naopak výrazně narušen, či došlo přímo k jejich poškození. U věžních a nástěnných hodin to nevadí, nikdo je nemá potřebu za chodu přenášet, pro konstrukci hodin přenosných to však byla zásadní překážka. Bylo třeba vynalézt pohon na zcela novém principu. Jméno vynálezce dnes již stěží zjistíme, ale zřejmě někdy na začátku 15. století byly zkonstruovány první přenosné hodiny poháněné spirálovou pružinou – hnacím perem.

Hnací pero, tedy spirálovitě zkroucená pružina, se jako pohon používalo a dodnes používá i jinde než jen v hodinách. Všichni známe mechanické hračky na klíček a jejich předchůdce – automaty ze 17. a 18. století. Svinuté pero našlo v minulosti místo i ve spouštěcích mechanismech pistolí. Kredit za jeho vynález však nejspíše náleží právě hodinářům a v ostatních zařízeních se objevilo až následně. Určitou inspiraci mohli hodináři nalézt v pracích, lucích a samostřílech a zejména pak katapultech, které také využívají energii akumulovanou díky pružné deformaci ohybem či zkrutem.

Nejstarší známý a dochovaný, i když patrně ne historicky úplně první exemplář hodin poháněných perem jsou hodiny vyrobené pro burgundského vévodu Filipa III. Dobrého okolo roku 1430. Nejsou to ještě hodinky kapesní, ale poměrně velké interiérové hodiny ve tvaru gotické katedrály, které však bylo možné přenášet z místa na místo bez nutnosti je zastavit.

Hodiny pro burgundského vévodu Filipa III. Dobrého (1430)

Začátkem století šestnáctého se v Norimberku objevily i první „kapesní hodinky“ či jejich předchůdce, jako je slavné Norimberské vajíčko Petera Henleina.

Chod hodin byl řízen v té době jediným známým regulátorem – lihýřem, tedy setrvačníkem ve tvaru vahadla, který však oproti pozdější setrvačce nebyl vybaven vláskem, nebyl tedy plnohodnotným oscilátorem s vlastní frekvencí, a jeho perioda tak výrazně závisela na okamžité hnací síle. A právě nestálost momentu síly během celé doby rozvíjení hnací pružiny byla největší slabinou tohoto pohonu. I tento problém se však hodinářům podařilo vyřešit díky dalším vynálezům – stavítku, omezujícímu natahování pera jen na využitelnou oblast poskytující rovnoměrnější průběh momentu síly, a zařízením sloužícím k vyrovnání síly pera, o nichž si povíme dále.

Nejstaršími perovými hodinami vzniklými u nás jsou astronomické (či snad astrologické) hodiny od pražského hodináře Jakuba Čecha, syna legendárního (nikoliv skutečného) autora pražského orloje – mistra Hanuše (Jana z Růže). Hodiny jsou přesně datovány – vznikly roku 1525 pro manželku polského krále Zikmunda I. Jsou současně i nejstaršími zachovanými hodinami využívajícími „fusee“, tedy závitkový kompenzátor sloužící právě k vyrovnání hnací síly pera.

Perovník

Hodinové pero je dlouhá, plochá pružina navinutá na hřídel či jádro. V levných hodinách a budících je pero umístěno volně. Jeden jeho konec je upevněn na hřídeli hnacího kola, druhý konec připevněný ke sloupku kostry hodin a rozvíjí se do prostoru stroje. V kvalitnějších hodinách a hodinkách bývají pera uzavřena ve válcovém bubnu zvaném perovník. Perovník je spojen s hnacím kolem, přes které se předává síla do soukolí jicího, buď přes vložené kolo, u hodin s delším chodem, nebo přímo na minutový pastorek.

V rozvinutém stavu pružina přiléhá s předpětím na obvod bubínku, při natažení je těsně navinuta na perovníkovou hřídel (jádro). Průměr jádra se zpravidla rovná třetině vnitřního průměru perovníku. Při menším průměru by bylo pero stočeno příliš těsně, při větším průměru by se zbytečně plýtvalo drahocenným místem. Největšího počtu otáček dosáhneme, pokud má celé pero možnost se rozvinout, tj. vyplní přesně volný prostor mezi jeho svinutým okrajem a vnitřní stěnou perovníku. Perovník je uzavřen víčkem. Vnitřní konec pera bývá opatřen čtyřhranným otvorem a je zachycen ozubem na perovníkové hřídeli. Druhý konec pera se opírá o stěnu perovníku. Jsou používána různá zakončení vnějšího konce pera a způsoby přichycení k perovníku. Pero tak může být přichyceno pevně, nebo naopak opatřeno smyčkou, která umožní protočení pera při plném natažení a zabrání tak jeho přetržení.

Určitou nevýhodou umístění pera v perovníku je oproti volným perům proměnlivé tření. Toto proměnlivé čtení zvyšuje nerovnoměrnost hnací síly a vede k tomu, že není možné využít všechny otáčky pera.

Uzavřený perovník s perem a natahovacím hranolem

Nejstarší pérovníky byly hladké, bez ozubení a byly používány ve spojení se šnekem (fusee). Moderní perovník vynalezl roku 1760 francouzský hodinář Jean-Antoine Lépine. Bubínek perovníku opatřil zuby, takže fungoval současně jako hnací kolo. Pero se natahovalo otáčením perovníkové hřídele, která nejdříve disponovala čtyřhranem pro nasazení klíčku, později bylo na tento čtyřhran nasazeno západkové kolo, do něhož zabíralo kolo natahovací, a hodinky byly doplněny natahovacím soukolím, které umožňovalo natahování korunkou. Díky tomu, že se pero navíjí při natahování na hřídel, přičemž druhý konec pera, připevněný k vnitřní stěně perovníku, stále vyvíjí moment síly a otáčí tak perovníkem spojeným s hnacím kolem, nepřestává se během natahování dodávat jicímu soukolí potřebná síla, a hodinky se tak nezastaví. V angličtině se tento typ perovníku nazývá „going barrel“, čímž se zdůrazňuje právě tato jeho vlastnost, tj. schopnost zajistit pohon soukolí i během natahování. Například u budíku s pevně připevněným koncem pera ke kostře stroje tomu tak není – v okamžiku natahování se hnací kolo, spojené s perovníkovou hřídelí přes západku, odlehčí a soukolí není poháněno.

„Going barrel“ používají i hodinky se samonátahem, které jsou dotahovány neustále. Mezi připevněním pera k perovníku je však mezi hodinkami s ručním a automatickým nátahem podstatný rozdíl. Zatímco u ručního nátahu je pero spojeno s bubínkem pevně, u samonátahu musí být umožněno jeho proklouznutí. Tomu, aby pero umožňovalo předávat sílu bubínku a současně při překonání hraničního napětí proklouzlo, napomáhají v moderních hodinkách i speciální maziva.

Průběh momentu síly v závislosti na počtu otáček perovníku

Okolo roku 1900 se v kapesních hodinkách používalo obrácené řešení, zvané motor nebo bezpečnostní perovník (safety barrel). Pero se natahovalo naopak otáčením perovníku a hnací kolo bylo spojené s perovníkovou hřídelí. Toto řešení mělo chránit před poškozením soukolí při prasknutí pera. Když pero praskne, může totiž dojít k prudkému protočení perovníku na opačnou stranu a vést k vylomení zubů. Tento vynález se však neprosadil a v moderních hodinkách se nepoužívá. V kapesních hodinkách se místo toho někdy používal tzv. bezpečnostní pastorek. Pastorek kola, do něhož zabírá kolo hnací, není v tomto případě pevně spojen s hřídelí, ale je na ni našroubován na závit. Orientace závitu je taková, že při normálním chodu je závit dotahován, zatímco při prudké změně otáčení v případě prasknutí pera se závit uvolní, pastorek protočí a náraz se do soukolí nepřenese.

Perovník hodinek Romain Gauthier Logical One je za účelem maximálního snížení tření vyložen safírem

Stavítka

U běžných ocelových per závisí velikost síly výrazně na míře jejich zkroucení. Tato závislost vzhledem ke konstrukci perovníku není lineární, na začátku a konci odvíjení pera síla prudce klesá, ve střední části má pak průběh plošší a téměř lineární.

Hodináři tak vybavili natahovací mechanismus ústrojím nazývaným „stavítko“. Pomocí něj je možné omezit počet otáček perovníkové hřídele při natahování. Lze tak přesně vymezit činný rozsah hnacího pera právě na plochou oblast a současně chránit pero před jeho poškozením i při pevném přichycení pera ke stěně perovníku.

Nejčastěji bylo používáno stavítko maltézské, nazvané podle tvaru připomínajícího kříž Řádu maltézských rytířů. Skládá se z kříže a jádra s palcem. Kříž je otočný na víku perovníku, na natahovací čtyřhran je nasazen kruh s palcem. Čtyři ramena kříže jsou probraná, páté rameno je plné. Palec zabírá do mezery mezi rameny a při každém otočení natahovacího čtyřhranu posune kříž o jedno rameno. Probranými rameny může kruh volně procházet, o plné rameno se pak zastaví. Jsou tak umožněny jen čtyři plná otočení jádra perovníku.

Dalším řešením je stavítko prstencové. Používá excentrický prstenec s výřezy, rozříznutý, napružený a nasazený na rybinu do prohlubně víka. Na perovníkovou hřídel s natahovacím čtyřhranem je nasazen palec, který zasahuje do výřezů v prstenci. Obdobně jako u maltézského stavítka při každé otočce palec zabere do výřezu, pootočí prstencem, až se po několika otáčkách dostane prstenec do polohy, která zastaví další otáčení hřídele s palcem.

Třetím řešením je stavítko palcové. Jsou to jen dva palce spojené s ozubenými koly, které do sebe zabírají. Podle zvoleného převodového poměru se kolo s palcem na natahovacím hranolu otočí několikrát, než narazí do palce na druhém kole připevněném na víku perovníku a další natahování zastaví.

O posledním typu stavítka – páčkovém – si povíme dále v souvislosti se šnekem.

Zleva stavítko maltézské, prstencové a palcové

Stackfreed (protitah)

Stavítka sice pomůžou vybrat relativně plochou část průběhu hnací síly, nedokážou však kompenzovat její pokles. Jedním z mechanismů sloužících k vyrovnání tohoto poklesu byl tzv. „stackfreed“ nebo „stochfred“, česky překládáno někdy jako brzda či protitah. Na hřídeli hnacího kola je připevněna vačka přibližně ve tvaru Archimedovy spirály (či ulity) s postupně klesajícím poloměrem. Na tuto vačku tlačí radiálně přes váleček pružina, čímž ji brzdí a díky proměnlivému poloměru vačky se moment síly mění. V okamžiku, kdy je síla hnacího pera největší, je současně hnací kolo nejvíce brzděno; jak síla pera slábne, slábne postupně i brzdná síla, a výsledný moment tak zůstává přibližně konstantní. Perovník je navíc vybaven stavítkem, které dovoluje natažení jen ve stanoveném rozsahu a zajišťuje, aby se natahování zastavilo v okamžiku, kdy se přítlačný váleček brzdné pružiny nachází na maximálním průměru vačky. Na jedno natažení hodinek se tak vačka a s ní i hnací kolo otočí měně než jednu otáčku. Toto řešení bylo sice konstrukčně jednodušší něž „fusee“ a zabíralo i mnohem méně místa, ale bylo nehospodárné z hlediska využití potenciálu hnací síly pera, umožňovalo jen jednu otáčku natažení a i kompenzační efekt byl jen přibližný. Najdeme jej výhradně v německých hodinkách od 16.o do poloviny 17. století.

Fusee (šnek)

Fusee – česky krátce „šnek“ či odborně „závitkový kompenzátor hnací síly pera“ – je, jak tento název říká, zařízení sloužící k vyrovnání (kompenzaci) nerovnoměrné hnací síly pera. Za jeho vynálezce bývá někdy označován výše uvedený Jakub Čech, pravděpodobněji se však toto zařízení objevilo již dříve a jeho princip znal například již Leonardo da Vinci, jak dosvědčuje jedna z jeho skic. Zařízení se skládá z válcového bubínku a šneku, které jsou spojené strunou nebo řetízkem. V bubínku – perovníku – je uložené pero, na jednom konci přichycené k jeho vnitřní stěně, na konci druhém upevněné na perovníkové hřídeli. Na bubínku válcového tvaru je navinuta struna. Ve starších dobách se používala struna z ovčího střívka či provázek, později ji nahradil jemný, nýtovaný řetízek podobný miniaturnímu řetězu jízdního kola. Struna či řetízek přenáší sílu na samotný šnek tvaru kužele, či spíše rotačního hyperboloidu se stoupající drážkou, po které se řetízek odvíjí. Na jedné straně tak máme rotační těleso konstantního poloměru, na straně druhé těleso s poloměrem rostoucím. Při plném natažení působí řetízek na nejmenším poloměru šneku, jak se pero odvíjí, přesouvá se bod, v němž řetízek působí, na stále větší poloměr. Výsledný moment síly je součinem vlastní síly a jejího ramene, tedy poloměru šneku v místě působení. Pokud je tvar šneku, tedy průběh ramene síly vypočten správně, je tak možné velice přesně kompenzovat měnící se velikost hnací síly. Výsledný součin, tj. moment síly, zůstává po celou dobu odvíjení pera konstantní. Natahovací čtyřhran je na straně šneku, při natahování se na šnek postupně řetízek navíjí a zprostředkovaně otáčí bubínkem, v němž se stáčí pero. Mechanismus bývá také vybaven stavítkem, které zajistí omezení natahování na oblast s konstantním průběhem hnací síly a současné chrání před přetržením řetízku. Používá se buď stavítko maltézské (viz výše), nebo stavítko páčkové skládající se z nosu a páčky. Při natahování se řetízek navinuje na menší průměr směrem k nosu a stlačuje přitom páčku. Ve spodní poloze se tak páčka dostane do dráhy nosu, nos na páčku narazí a natahování se zastaví.

Moderní provedení závitkového kompenzátoru v hodinkách Zenith

Závitkový kompenzátor se používal až do nedávné doby v přesných námořních chronometrech a i dnes jej nalezneme v luxusních hodinkách jako doklad hodinářského umění a připomenutí tradice.

Rozměr a materiály per

Celkový krouticí moment pera je přímo úměrný jeho tloušťce. Zdvojnásobení tlouštky vede přibližně k osminásobnému nárůstu jeho momentu. Délka pera na druhou stranu určuje celkovou délku chodu. Prodloužení pera tak nepřímo úměrně krouticí moment snižuje. Při daných rozměrech perovníku proto musí hodinář volit mezi délkou chodu a „silou“, kterou má k dispozici pro zajištění běhu hodinek. Čím je samotný strojek přesněji a kvalitněji vyroben, tím je menší síla potřebná k jeho chodu a je možné zvolit pero slabší. Při daném průměru perovníku tak dostaneme pero delší, a tím i delší dobu chodu na jedno natažení.

Původní pera byla železná, později kalená ocelová. V 60. letech 20. století pak přibyla pera ze speciálních slitin obsahujících železo, nikl, kobalt, chróm a další přísady. Účelem bylo zajistit jak vyšší mez pružnosti, vyrovnanější průběh hnací síly, tak i odolnost proti korozi a zmagnetování. Nejznámější dnešní slitinou používanou na výrobu hnacích per je Nivaflex. Existuje několik typů této slitiny označovaných jako NM, NO, NE, 45/5 a 45/18. Slitiny mají velice podobné složení – 45 % kobalt, 21 % nikl, 18 % chróm, 5 % železo, 4 % wolfram, 4 % molybden a 1 % titan. Nivaflex 45/5 obsahuje navíc 0,2 % berylia.

V poslední době se experimentuje s ultramoderními materiály. Cartier u svého konceptu ID Two například použil karbonová vlákna.

Tvary per

Nejstarší pera vznikla prostým smotáním ocelového plátku do spirály. To s sebou neslo uvedený problém s nerovnoměrným průběhem krouticího momentu. Hodináři hledali řešení, jak se tomuto problému vyhnout, aniž by bylo zapotřebí složitých a rozměrných zařízení, jako je šnek. Napadlo je pero předepnout, tj. před samotným vložením do perovníku nejdříve stočit v opačném směru. Známe dva způsoby toho předepnutí. V prvním případě je opačně stočena jen jedna poslední otáčka pera, ve druhém případě je předepnuto otáček více. Pero tak v uvolněném rozvinutém stavu má typický tvar písmene „S“. Česky se proto někdy nazývá „es“ perem. „Es pera“ poskytují prakticky konstantní průběh momentu hnací síly a jsou dnes téměř výhradně používány u běžných náramkových hodinek.

Listové pero

A na závěr jedna americká rarita. Specifickým řešením bylo nahrazení krouceného hnacího pera perem listovým. Najdeme jej výhradně u amerických hodin z první poloviny 19. století. V té době byla výroba hnacích per značně náročná, nebyla běžně dostupná potřebná kvalitní ocel a mladé Spojené státy byly odkázány na dovoz z Evropy. Převládala tak výroba závažových hodin, ale poptávka po mobilnějších perových hodinách dala vzniknout tomuto vynálezu. Josepha Ivese z Bristolu kolem roku 1820 napadlo přidělat konec struny závažových hodin k železnému kočárovému peru připevněnému na dně hodinové skříně. Vynález byl později vylepšen a patentován, nikdy se však nedočkal příliš velkého rozšíření ani nikdy nepronikl zpět do Evropy. Udržel se jen do konce první poloviny století, kdy jej vytlačila hnací pera tou dobou již vyráběná v USA.

Americká specialita: Pohon perem z kočáru

ZANECHAT ODPOVĚĎ

Please enter your comment!
Please enter your name here