Tourbillon
Nazwa urządzenia obiegowego wychwytu zastała zaczerpnięta z języka francuskiego i oznacza “zawirowanie” lub “trąbę powietrzną”. Konstrukcja w formie klatki, w której zamknięto wychwyt i regulator zegarka, czyli koło wychwytowe z kotwicą i balans, obiega jego centralną oś raz na minutę (najczęściej spotykana prędkość obrotowa) nasuwając skojarzenia z trąbą powietrzną w naturalnym środowisku.
Zasada działania
Kluczowe elementy zegarowego mechanizmu z punktu widzenia precyzji odmierzania czasu narażone są stale na działanie m.in. pól magnetycznych, temperatur, wstrząsów oraz grawitacji, tj. siły przyciągania ziemskiego.
Tourbillon poprzez permanentny obrót klatki, w której zamknięto wychwyt oraz koło i sprężynę balansu kompensuje błędy pozycyjne koła balansowego wywołane jego niewyrównoważeniem z powodu ziemskiej grawitacji. Znajdując się równe odcinki czasu w każdej pozycji, minimalizuje wpływ niewyważonego balansu (cecha konstrukcyjna koła balansowego) i powoduje dokładniejsze odmierzanie czasu. Kluczowym aspektem w kontekście siły przyciągania jest położenie zegarka w trakcie jego używania. Niekorzystny wpływ grawitacji na pracę balansu występuje wtenczas, gdy zegarek znajduje się w pozycji pionowej (siła ciężkości działa w poprzek osi koła balansu i wywołuje dodatkowe momenty sił), a istotną sprawę stanowi precyzyjne wyważenie, tak by obracało się równomiernie wokół osi przechodzącej przez środek jego ciężkości (w praktyce jest to nieosiągalne bo środek ciężkości zawsze znajduje się w pewnej odległości od osi obrotu).
Obiegowe urządzenie wychwytu tj. tourbillon uśrednia błędy chodu związane z niedoskonałościami konstrukcyjnymi elementów poprzez ciągłą zmianę ich położenia. Zegarek kieszonkowy a konkretnie jego mechanizm podlega częstszym zmianom pozycji, podobnie jak zegarek naręczny, który podczas noszenia na ręku, zmienia swoje położenie w istotnej dla precyzji odmierzania czasu płaszczyźnie wiele razy na dobę.
Tourbillon największe znacznie miał właśnie w konstrukcjach zegarków kieszonkowych, które przechowywane były zazwyczaj w pozycji pionowej. Miał za zadanie wyeliminowanie lub znaczące ograniczenie błędu pozycjonowania tj. błąd wynikający utrzymywania zegarka w jednej pozycji przez dłuższy czas. Zakładał, że organ regulujący (balans współpracujący w wychwytem) będący w ciągłym ruchu, obracając się o 360 stopni uśredniałby błędy pozycyjne mechanizmu. W zegarkach naręcznych, w dobie precyzji działania współczesnych mechanizmów pełni rolę wyłącznie ozdobną, ukazując jednocześnie artyzm i kunszt firmy, która w tourbillon wyposażyła zegarek.
Wynalazcą urządzenia obiegowego wychwytu był Abraham Louis Breguet. 26 czerwca 1801 roku (wg francuskiego kalendarza rewolucyjnego 7 dnia Messidor IX roku oznaczającego siódmy dzień dziesiątego miesiąca) uzyskał prawo do patentu na okres 10-ciu lat dla nowego regulatora zwanego “Tourbillon”.
Breguet oparł swoją innowację na obserwacji, iż grawitacja jest wrogiem regularności ruchów mechanizmów zegarowych, ponieważ prowokuje ona zmiany w ustawianiu czasu przy każdej zmianie pozycji zegarka podczas noszenia. Aby rozwiązać problem wpływu grawitacji towarzyszący ludzkiej aktywności, wpadł na pomysł zainstalowania całego wychwytu (czyli balansu ze sprężyną zwrotną, kotwicy i koła wychwytu, tj. części najbardziej wrażliwych na grawitację) wewnątrz ruchomej klatki, która wykonywałaby pełny obrót raz na minutę. Skoro więc niedoskonałości te regularnie by się powtarzały byłyby włączone w proces wzajemnej kompensacji. Ponadto ciągła zmiana punktu styku w jakim znajdują się czopy balansu w łożyskach zapewniałaby lepsze smarowanie.
Kiedy Abraham Louis Breguet opatentował urządzenie obiegowe wychwytu nie tylko poprawił dokładność chodu zegarków kieszonkowych, ale także dostarczył branży zegarmistrzowskiej jeden z najlepszych przyrządów do pomiaru czasu.
Tourbillon był wielkim wynalazkiem i kamieniem milowym w karierze Bregueta. Dzięki dyskretnym związkom z astronomią i naukami społecznymi, pojawił się także w decydującym momencie Myśli europejskiej. Od tego czasu firma Breguet uznała za punkt honoru oddanie hołdu temu wynalazkowi, a zegarki wyposażone w urządzenie obiegowe wychwytu stały się bardziej eleganckie.
Pierwsze tourbillony
Zasada działania, choć błyskotliwa, była niezwykle skomplikowana i trudna do zaimplementowania w produkcji. Z tego powodu, pomimo wielu prób nie udało się skomercjalizować tourbillona aż do 1805 roku. Pierwsza publiczna prezentacja idei Bregueta miała miejsce na Krajowej Wystawie Wyrobów Przemysłowych, która odbyła się w 1806 roku w Paryżu na Esplanade des Invalides.
Wynalazek zaprezentowany został jako mechanizm, za pomocą którego czasomierze “zachowują taką samą dokładność, niezależnie od pionowej lub pochylonej pozycji zegarka”. Dzięki umieszczeniu mechanizmu w obracającej się klatce konstrukcja uśredniała błąd pozycjonowania. Pierwsze zegary wyposażone w urządzenie obiegowe wychwytu były zegarami stojącymi w formie pozłacanego stożka z brązu z zamontowanym na szczycie tourbillonem.
Przez wiele dziesięcioleci tourbillon znajdował zastosowanie wyłącznie w zegarach stołowych oraz kieszonkowych. Dopiero w 1947 roku firma Omega po raz pierwszy w historii wyposażyła zegarek naręczny w tourbillon. Egzemplarz w 36mm kopercie miał klasyczny wygląd i tourbillon ukryty pod tarczą. Firma wyprodukowała serię kilkunastu mechanizmów (dotychczas znane było 12 egzemplarzy, a w 2017 roku firma Phillips podczas Geneva Watch Auction Six (GWA6) sprzedała kolejny, nie znany dotąd 13-ty zegarek z tej serii) oznaczonych nr ref 30l o średnicy 30mm z przeznaczeniem by wziąć udział w testach chronometrycznych prowadzonych w Genewie, Neuchatel i Kew-Teddington Observatory. W latach 1947-1952 dwanaście mechanizmów wzięło udział w próbach, a w 1950 r. Omega uzyskała najwyższy wynik, jaki uzyskano w Genewie w kategorii “zegarek na rękę”. W przeciwieństwie do wielu konwencjonalnych tourbillonów, które wykonują pełny obrót co 60 sekund, tourbillon kalibru 30I wykonywał obrót w 7,5 minuty.
Konstrukcje pochodne
Abraham Louis Breguet był wynalazcą standardowego tourbillona cechującego się w pełni zmostkowaną konstrukcją. Zegarmistrzostwo zna jednak co najmniej kilka innych podobnych konstrukcji opierających się na zbliżonej zasadzie działania.
Flying tourbillon został pierwotnie opatentowany przez Anglika o nazwisku Robert Benson North (m.in. pod marką Smith & Sons) w 1904 roku na podstawie zgłoszenia patentowego nr 6737 dokonanego rok wcześniej w kategorii “Improvements in Revolving Escapements for Watch and other Portable Timekeepers” (ulepszenia w zakresie obrotowych wychwytów dla zegarków i innych przenośnych urządzeń do pomiaru czasu).
Drugim wynalazcą latającego tourbillona, o którym mówi się w branży był Alfred Helwig z Glashütte School Of Watchmaking (1920 rok).
Cechą wspólną flying tourbillon był brak górnego mostu dla klatki i podparcie tylko od dołu. Podstawowa zasada działania była identyczna jak w przypadku standardowego tourbillona Bregueta. Wykorzystywał w swojej konstrukcji stałe czwarte koło umieszczone pod kołem balansu wraz z kołem wychwytowym (zamontowanym do klatki) i z pozostałymi elementami regulującymi. Ponieważ ruch odbywał się za pomocą stałego czwartego koła, charakteryzował go jednominutowy okres obrotu, co oznaczało, że można było użyć koszyka tourbillona jak wskazówki sekundowej poprzez umieszczenie na klatce wskaźnika-wskazówki.
Rozwinięciem powyższego rozwiązania jest flying gyrotourbillon, tzw. latający tourbillon żyroskopowy. Dwuosiowe urządzenie obiegowe wychwytu opracował w 2003 roku niemiecki zegarmistrz Thomas Prescher zainspirowany wynalazkiem Anthonego Randalla (w roku 1977 zainstalował i opatentował w przenośnym zegarze karetowym dwuosiowy tourbillon).
Flying tourbillon jest trudniejszy do wykonania niż klasyczne rozwiązanie Bregueta gdyż ma bardziej skomplikowaną budowę. Klatka (koszyk) może być łatwo poruszony przez siły zewnętrzne w porównaniu z prostszą w pełni “zmostkowaną” konstrukcją standardowego tourbillona, który jest o wiele bardziej stabilną konstrukcją. Kluczowym aspektem latającego tourbillona i największym wyzwaniem projektu jest równowaga. Wózek obrotowy, który nie jest podparty na zewnętrznych krańcach, wymaga szczególnie dobrego wyważenia wszystkich osi w stosunku do siebie. Jest to wyzwanie techniczne, szczególnie w odniesieniu do dwu- i trzyosiowych latających tourbillonów, ponieważ części te ważą zaledwie ułamki gramów.
Karrusel to kolejny rodzaj mechanizmu obrotowego zespołu wychwytu. Rotujący wychwyt bez stałego koła, tzw. wychwyt karuzelowy to konstrukcja autorstwa duńskiego zegarmistrza Bahne Bonniksena. W 1892 roku opatentował mechanizm karuzelowy dla zespołu wychwytu, w którym klatka zamontowana była na kole karuzeli i napędzana trzecim kołem tzw. pośrednim. To uproszczona konstrukcja względem tourbillona, w której transmisja energii spowodowana była obrotem koła wychwytu wokół własnej osi. Prędkość obrotu pierwszych wychwytów karuzelowych była mniejsza niż tourbillona i wynosiła ok. jednego obrotu na godzinę (w przeciwieństwie do tourbillon, który mógł się obracać raz na minutę).
Wychwyt karuzelowy pozwalał uzyskać te same wszystkie korzyści co tourbillon, ale z wykorzystaniem bardziej wytrzymałej i mniej skomplikowanej konstrukcji. Podstawowe różnice są takie, że tourbillon obraca się samoistnie podczas gdy karrusel wymaga dodatkowego w konstrukcji koła zębatego do obracania mechanizmu. W tourbillon transmisja energii odbywa się poprzez sprzężony wspólną osią zespół klatki, balansu i czwartego koła podczas gdy w karrusel transmisja energii odbywa się tradycyjnie, wyłącznie przy udziale wychwytu a klatka i sprzężony z nią balans obracają się niezależnie od osi czwartego koła (sekundowego).
Godzinowe „karuzele” to domena przede wszystkim zegarków kieszonkowych. Z początkiem XXI wieku dopiero firma Blancpain szerszej upowszechniła wychwyt karuzelowy w zegarkach naręcznych i zwiększyła ich prędkość obrotu do poziomu jednej minuty podobnie jak to ma miejsce w tourbillonie.
Klasyczny tourbillon wynaleziony przez Bregueta bazował na założeniu, że koło balansu wewnątrz którego znajdował się wychwyt umieszczony był w centrum klatki tourbillonu tj. punkt obrotu koła balansu był w jednej osi z punktem obrotu klatki. Takie rozwiązanie opatentował Breguet w 1801 roku. Zakładało, że regulator tourbillona poprzez koło wychwytu jest napędzany przez ruchomą klatkę stanowiąc integralną część przekładni zębatej co oznaczało, że klatka tourbillona połączona jest z bębnem napędu pojedynczą przekładnią. W przypadku przerwania połączenia mechanicznego tourbillon przestawał się obrać.
Jednak jak się okazało to nie było jedyne możliwe rozwiązanie spełniające zasadę działania tourbillona Bregueta. W 1989 roku Blancpain pokazał Ultra-Slim Flying Tourbillon, w którym koło balansu nie było umieszczone centralnie w klatce, co uważano dotychczas za cechę charakterystyczną dla tourbillona. W konsekwencji tego pojawiły się niesłuszne głosy, że to jest carrousel a nie tourbillon. W odpowiedzi na to Blancpain skonstruował Carrousel Volant Une Minute z kołem balansu umieszczonym dokładnie centralnie w klatce, której oś obrotu była ta sama dla balansu – dokładnie jak założenie tourbillona Bregueta. Dodatkowo obrót klatki carrousel trwał tyle samo co tourbillon czyli 60 sekund.
Carrousel Blancpaina połączony był z bębnem napędowym przy pomocy dwóch przekładni. Pierwsza dostarcza energię do wychwytu, druga steruje prędkością obrotową klatki. Wbrew obiegowym opiniom obecne „karuzele” w zegarkach naręcznych to bardziej złożone konstrukcje od tourbillon.