Маятниковые часы принцип работы для чайников

Тик так, Тик так – этот звук мы вспоминаем, когда думаем о часах. Хотя подавляющее большинство современных часов едва ли издают хоть какой-то звук. Не так давно почти каждые часы издавали характерный для часов звук, потому что они были полностью  механическими, а не электронными. Раньше для того чтобы часы работали было необходимо поворачивать ключ, заводить пружину, после прислушавшись можно было услышать как работают шестерни. Так давайте разберёмся, как на самом деле работают старомодные маятниковые часы.

Что такое маятник?

Маятник представляет собой стержень, который висит вертикально и раскачивается из стороны в сторону под действием силы тяжести. Как обнаружил итальянский учёный Галилео Галилей(1564-1642), полное колебание маятника занимает одинаковое время. В теории, единственное, что влияет на колебание маятника, это его длина и сила тяжести. Для относительно небольших колебаний, время (Т), которое требуется для того, чтобы маятник сделал одно полное колебание(известное как период) вычисляется по следующему уравнению:

Где, l — это длина маятника, g – мера силы тяжести(ускорение свободного падения). Из этого уравнения видно, что вам надо в 4 раза увеличить длину маятника, чтобы в 2 раза увеличить время колебания.

Как маятник работает?

Маятник работает путём преобразования кинетической энергии в потенциальную и обратно. Когда маятник находится в крайнем положении он имеет максимальную накопленную энергию(потенциальную энергию). В самой нижней точке, максимально близкой к земле потенциальная энергия переходит в кинетическую и имеет её максимальное значение в этой точке. Таким образом, маятник постоянно переводит потенциальную и кинетическую энергии друг в друга, что является примером простого гармонического колебания. Если бы трение соприкасающихся элементов и сопротивление среды(воздуха) отсутствовало, то есть были созданы идеальные условия, то маятник бы совершал колебания вечно. Но в реальных условиях маятник учитывая вышеперечисленные факторы замедляется. Но что является очень важным для хронометража, даже при уменьшении амплитуды колебания время колебания маятника не изменяется. Галилей сразу отметил эту полезную функцию, но построить маятниковые часы ему так и не удалось, удалось лишь представить модель маятниковых часов в 1642 году. Галилей передал свои труды датскому учёному Христиану Гюйгенсу. Он и сделал первые маятниковые часы в 1650 году.

Как работают маятниковые часы?

Почти все маятниковые часы сконструированы следующим образом: в часовом механизме, который Вы видите, груз 1 с помощью троса через валик 2 приводит в движение систему колес. Этот груз обеспечивает энергию для часов. Усилие через несколько колесных пар передается на тормозное колесико 3. Проворачивание часового механизма тормозится в результате взаимодействия тормозного колесика 3 и анкера 4 и регулируется маятником 5. Тормозное колесико будет продвигаться дальше лишь в том случае, если маятник приведет анкер в такое положение, когда он отпустит тормозную шестеренку. Одновременно другой конец анкера проходит в пространство между шестеренками и тем самым ограничивает движение тормозного колесика 3 на половину длины зубчика. Теперь, когда маятник будет совершать обратное движение, зубчик надавит на анкер и через стержень передаст усилие на маятник. Маятник при этом получает небольшую дополнительную энергию, что компенсирует имеющиеся у него потери на трение. Эта игра повторяется при каждом движении маятника. Таким образом, тормозное колесико движется в такт колебаниям маятника. Через несколько шестеренок оно соединено с минутной шестеренкой 7. Скорости промежуточных шестеренок рассчитаны таким образом, чтобы минутная шестеренка проворачивалась один раз в час, т.е. со скоростью большой стрелки, соединенной с минутной шестеренкой. И, наконец, шестеренки 8, 9 и 10 служат для того, чтобы маленькая стрелка двигалась в 12 раз медленнее, чем большая. Комбинацию из стрелок 8, 9 и 10 называют также стрелочным механизмом.

Недостатки маятниковых часов.

Как мы рассмотрели выше, время колебания маятника зависит от длины стержня и силы тяжести. Но длина металлического стержня может изменяться при изменении температуры, это изменение незначительное, но будет оказывать влияние на точность измерения времени. То же касается силы притяжения. Часы ближе к центру земли, на уровне моря и высоко в горах будут отсчитывать время не одинаково. Так же применение маятников часов на корабле практически невозможно, или очень затруднено. Но все эти проблемы были только на заре появления маятниковых часов. В процессе развития науки все проблемы были решены.

A pendulum clock is a clock that uses a pendulum, a swinging weight, as its timekeeping element. The advantage of a pendulum for timekeeping is that it is an approximate harmonic oscillator: It swings back and forth in a precise time interval dependent on its length, and resists swinging at other rates. From its invention in 1656 by Christiaan Huygens, inspired by Galileo Galilei, until the 1930s, the pendulum clock was the world’s most precise timekeeper, accounting for its widespread use.^[1][2] Throughout the 18th and 19th centuries, pendulum clocks in homes, factories, offices, and railroad stations served as primary time standards for scheduling daily life, work shifts, and public transportation. Their greater accuracy allowed for the faster pace of life which was necessary for the Industrial Revolution. The home pendulum clock was replaced by less-expensive, synchronous, electric clocks in the 1930s and ’40s. Pendulum clocks are now kept mostly for their decorative and antique value.

Pendulum clocks must be stationary to operate. Any motion or accelerations will affect the motion of the pendulum, causing inaccuracies, so other mechanisms must be used in portable timepieces.

History[edit]

The pendulum clock was invented in 1656 by Dutch scientist and inventor Christiaan Huygens, and patented the following year. Huygens contracted the construction of his clock designs to clockmaker Salomon Coster, who actually built the clock. Huygens was inspired by investigations of pendulums by Galileo Galilei beginning around 1602. Galileo discovered the key property that makes pendulums useful timekeepers: isochronism, which means that the period of swing of a pendulum is approximately the same for different sized swings.^[3][4] Galileo in 1637 described to his son a mechanism which could keep a pendulum swinging, which has been called the first pendulum clock design (picture at top). It was partly constructed by his son in 1649, but neither lived to finish it.^[5] The introduction of the pendulum, the first harmonic oscillator used in timekeeping, increased the accuracy of clocks enormously, from about 15 minutes per day to 15 seconds per day^[6] leading to their rapid spread as existing ‘verge and foliot’ clocks were retrofitted with pendulums.

These early clocks, due to their verge escapements, had wide pendulum swings of 80–100°. In his 1673 analysis of pendulums, Horologium Oscillatorium, Huygens showed that wide swings made the pendulum inaccurate, causing its period, and thus the rate of the clock, to vary with unavoidable variations in the driving force provided by the movement. Clockmakers’ realization that only pendulums with small swings of a few degrees are isochronous motivated the invention of the anchor escapement by Robert Hooke around 1658, which reduced the pendulum’s swing to 4–6°.^[7] The anchor became the standard escapement used in pendulum clocks. In addition to increased accuracy, the anchor’s narrow pendulum swing allowed the clock’s case to accommodate longer, slower pendulums, which needed less power and caused less wear on the movement. The seconds pendulum (also called the Royal pendulum), 0.994 m (39.1 in) long, in which the time period is two seconds, became widely used in quality clocks. The long narrow clocks built around these pendulums, first made by William Clement around 1680, who also claimed invention of the anchor escapement, became known as grandfather clocks. The increased accuracy resulting from these developments caused the minute hand, previously rare, to be added to clock faces beginning around 1690.^[8]

The 18th and 19th century wave of horological innovation that followed the invention of the pendulum brought many improvements to pendulum clocks. The deadbeat escapement invented in 1675 by Richard Towneley and popularized by George Graham around 1715 in his precision «regulator» clocks gradually replaced the anchor escapement^[9] and is now used in most modern pendulum clocks. Observation that pendulum clocks slowed down in summer brought the realization that thermal expansion and contraction of the pendulum rod with changes in temperature was a source of error. This was solved by the invention of temperature-compensated pendulums; the mercury pendulum by Graham in 1721 and the gridiron pendulum by John Harrison in 1726.^[10] With these improvements, by the mid-18th century precision pendulum clocks achieved accuracies of a few seconds per week.

Until the 19th century, clocks were handmade by individual craftsmen and were very expensive. The rich ornamentation of pendulum clocks of this period indicates their value as status symbols of the wealthy. The clockmakers of each country and region in Europe developed their own distinctive styles. By the 19th century, factory production of clock parts gradually made pendulum clocks affordable by middle-class families.

During the Industrial Revolution, the faster pace of life and scheduling of shifts and public transportation like trains depended on the more accurate timekeeping made possible by the pendulum. Daily life was organized around the home pendulum clock. More accurate pendulum clocks, called regulators, were installed in places of business and railroad stations and used to schedule work and set other clocks. The need for extremely accurate timekeeping in celestial navigation to determine longitude on ships during long sea voyages drove the development of the most accurate pendulum clocks, called astronomical regulators. These precision instruments, installed in naval observatories and kept accurate within a second by observation of star transits overhead, were used to set marine chronometers on naval and commercial vessels. Beginning in the 19th century, astronomical regulators in naval observatories served as primary standards for national time distribution services that distributed time signals over telegraph wires.^[11] From 1909, US National Bureau of Standards (now NIST) based the US time standard on Riefler pendulum clocks, accurate to about 10 milliseconds per day. In 1929 it switched to the Shortt-Synchronome free pendulum clock before phasing in quartz standards in the 1930s.^[12]
[13] With an error of less than one second per year, the Shortt was the most accurate commercially produced pendulum clock.^{[14][15][16][17][18]}

Pendulum clocks remained the world standard for accurate timekeeping for 270 years, until the invention of the quartz clock in 1927, and were used as time standards through World War 2. The French Time Service included pendulum clocks in their ensemble of standard clocks until 1954.^[19] The home pendulum clock began to be replaced as domestic timekeeper during the 1930s and 1940s by the synchronous electric clock, which kept more accurate time because it was synchronized to the oscillation of the electric power grid. The most accurate experimental pendulum clock ever made^[20][21] may be the Littlemore Clock built by Edward T. Hall in the 1990s^[22]
(donated in 2003 to the National Watch and Clock Museum, Columbia, Pennsylvania, USA).

Mechanism[edit]

The mechanism which runs a mechanical clock is called the movement. The movements of all mechanical pendulum clocks have these five parts:^[23]

• A power source; either a weight on a cord or chain that turns a pulley or sprocket, or a mainspring
• A gear train (wheel train) that steps up the speed of the power so that the pendulum can use it. The gear ratios of the gear train also divide the rotation rate down to give wheels that rotate once every hour and once every 12 hours, to turn the hands of the clock.
• An escapement that gives the pendulum precisely timed impulses to keep it swinging, and which releases the gear train wheels to move forward a fixed amount at each swing. This is the source of the «ticking» sound of an operating pendulum clock.
• The pendulum, a weight on a rod, which is the timekeeping element of the clock
• An indicator or dial that records how often the escapement has rotated and therefore how much time has passed, usually a traditional clock face with rotating hands.

Additional functions in clocks besides basic timekeeping are called complications. More elaborate pendulum clocks may include these complications:

• Striking train: strikes a bell or gong on every hour, with the number of strikes equal to the number of the hour. Some clocks will also signal the half hour with a single strike. More elaborate types, technically called chiming clocks, strike on the quarter hours, and may play melodies or Cathedral chimes, usually Westminster quarters.
• Calendar dials: show the day, date, and sometimes month.
• Moon phase dial: Shows the phase of the moon, usually with a painted picture of the moon on a rotating disk.
• Equation of time dial: this rare complication was used in early days to set the clock by the passage of the sun overhead at noon. It displays the difference between the time indicated by the clock and the time indicated by the position of the sun, which varies by as much as ±16 minutes during the year.
• Repeater attachment: repeats the hour chimes when triggered by hand. This rare complication was used before artificial lighting to check what time it was at night.

In electromechanical pendulum clocks such as used in mechanical Master clocks the power source is replaced by an electrically powered solenoid that provides the impulses to the pendulum by magnetic force, and the escapement is replaced by a switch or photodetector that senses when the pendulum is in the right position to receive the impulse. These should not be confused with more recent quartz pendulum clocks in which an electronic quartz clock module swings a pendulum. These are not true pendulum clocks because the timekeeping is controlled by a quartz crystal in the module, and the swinging pendulum is merely a decorative simulation.

Gravity-swing pendulum[edit]

The pendulum in most clocks (see diagram) consists of a wood or metal rod (a) with a metal weight called the bob (b) on the end. The bob is traditionally lens-shaped to reduce air drag. Wooden rods were often used in quality clocks because wood had a lower coefficient of thermal expansion than metal. The rod is usually suspended from the clock frame with a short straight spring of metal ribbon (d); this avoids instabilities that were introduced by a conventional pivot. In the most accurate regulator clocks the pendulum is suspended by metal knife edges resting on flat agate plates.

The pendulum is driven by an arm hanging behind it attached to the anchor piece (h) of the escapement, called the «crutch» (e), ending in a «fork» (f) which embraces the pendulum rod. Each swing of the pendulum releases the escape wheel, and a tooth of the wheel presses against one of the pallets, exerting a brief push through the crutch and fork on the pendulum rod to keep it swinging.

Most quality clocks, including all grandfather clocks, have a «seconds pendulum», in which each swing of the pendulum takes one second (a complete cycle takes two seconds), which is approximately one metre (39 inches) long from pivot to center of bob. Mantel clocks often have a half-second pendulum, which is approximately 25 centimetres (9.8 in) long. Only a few tower clocks use longer pendulums, the 1.5 second pendulum, 2.25 m (7.4 ft) long, or occasionally the two-second pendulum, 4 m (13 ft) which is used in the Great Clock of Westminster which houses Big Ben.

The pendulum swings with a period that varies with the square root of its effective length. For small swings the period T, the time for one complete cycle (two swings), is

where L is the length of the pendulum and g is the local acceleration of gravity. All pendulum clocks have a means of adjusting the rate. This is usually an adjustment nut (c) under the pendulum bob which moves the bob up or down on its rod. Moving the bob up reduces the length of the pendulum, reducing the pendulum’s period so the clock gains time. In some pendulum clocks, fine adjustment is done with an auxiliary adjustment, which may be a small weight that is moved up or down the pendulum rod. In some master clocks and tower clocks, adjustment is accomplished by a small tray mounted on the rod where small weights are placed or removed to change the effective length, so the rate can be adjusted without stopping the clock.

The period of a pendulum increases slightly with the width (amplitude) of its swing. The rate of error increases with amplitude, so when limited to small swings of a few degrees the pendulum is nearly isochronous; its period is independent of changes in amplitude. Therefore, the swing of the pendulum in clocks is limited to 2° to 4°.

Small swing angles tend toward isochronous behavior due to the mathematical fact that the approximation sin(x) = x becomes valid as the angle approaches zero. With that substitution made, the pendulum equation becomes the equation of a harmonic oscillator, which has a fixed period in all cases. As the swing angle becomes larger, the approximation gradually fails and the period is no longer fixed.

Temperature compensation[edit]

A major source of error in pendulum clocks is thermal expansion; the pendulum rod changes in length slightly with changes in temperature, causing changes in the rate of the clock. An increase in temperature causes the rod to expand, making the pendulum longer, so its period increases and the clock loses time. Many older quality clocks used wooden pendulum rods to reduce this error, as wood expands less than metal.

The first pendulum to correct for this error was the mercury pendulum invented by Graham in 1721, which was used in precision regulator clocks into the 20th century. These had a bob consisting of a container of the liquid metal mercury. An increase in temperature would cause the pendulum rod to expand, but the mercury in the container would also expand and its level would rise slightly in the container, moving the center of gravity of the pendulum up toward the pivot. By using the correct amount of mercury, the centre of gravity of the pendulum remained at a constant height, and thus its period remained constant, despite changes in temperature.

The most widely used temperature-compensated pendulum was the gridiron pendulum invented by John Harrison around 1726. This consisted of a «grid» of parallel rods of high-thermal-expansion metal such as zinc or brass and low-thermal-expansion metal such as steel. If properly combined, the length change of the high-expansion rods compensated for the length change of the low-expansion rods, again achieving a constant period of the pendulum with temperature changes.
This type of pendulum became so associated with quality that decorative «fake» gridirons are often seen on pendulum clocks, that have no actual temperature compensation function.

Beginning around 1900, some of the highest precision scientific clocks had pendulums made of ultra-low-expansion materials such as the nickel steel alloy Invar or fused silica, which required very little compensation for the effects of temperature.

Atmospheric drag[edit]

The viscosity of the air through which the pendulum swings will vary with atmospheric pressure, humidity, and temperature. This drag also requires power that could otherwise be applied to extending the time between windings. Traditionally the pendulum bob is made with a narrow streamlined lens shape to reduce air drag, which is where most of the driving power goes in a quality clock. In the late 19th century and early 20th century, pendulums for precision regulator clocks in astronomical observatories were often operated in a chamber that had been pumped to a low pressure to reduce drag and make the pendulum’s operation even more accurate by avoiding changes in atmospheric pressure. Fine adjustment of the rate of the clock could be made by slight changes to the internal pressure in the sealed housing.

Leveling and «beat»[edit]

To keep time accurately, pendulum clocks must be level. If they are not, the pendulum swings more to one side than the other, upsetting the symmetrical operation of the escapement. This condition can often be heard audibly in the ticking sound of the clock. The ticks or «beats» should be at precisely equally spaced intervals to give a sound of, «tick…tock…tick…tock»; if they are not, and have the sound «tick-tock…tick-tock…» the clock is out of beat and needs to be leveled. This problem can easily cause the clock to stop working, and is one of the most common reasons for service calls. A spirit level or watch timing machine can achieve a higher accuracy than relying on the sound of the beat; precision regulators often have a built-in spirit level for the task. Older freestanding clocks often have feet with adjustable screws to level them, more recent ones have a leveling adjustment in the movement. Some modern pendulum clocks have ‘auto-beat’ or ‘self-regulating beat adjustment’ devices, and don’t need this adjustment.

Local gravity[edit]

Since the pendulum rate will increase with an increase in gravity, and local gravitational acceleration varies with latitude and elevation on Earth, the highest precision pendulum clocks must be readjusted to keep time after a move. For example, a pendulum clock moved from sea level to 4,000 feet (1,200 m) will lose 16 seconds per day.^[24] With the most accurate pendulum clocks, even moving the clock to the top of a tall building would cause it to lose measurable time due to lower gravity.^[25] The local gravity also varies by about 0.5% with latitude between the equator and the poles, with gravity increasing at higher latitudes due to the oblate shape of the Earth. Thus precision regulator clocks used for celestial navigation in the early 20th century had to be recalibrated when moved to a different latitude.

Torsion pendulum[edit]

Also called torsion-spring pendulum, this is a wheel-like mass (most often four spheres on cross spokes) suspended from a vertical strip (ribbon) of spring steel, used as the regulating mechanism in torsion pendulum clocks. Rotation of the mass winds and unwinds the suspension spring, with the energy impulse applied to the top of the spring. The main advantage of this type of pendulum is its low energy use; with a period of 12–15 seconds, compared to the gravity swing pendulum’s period of 0.5—2s, it is possible to make clocks that need to be wound only every 30 days, or even only once a year or more. Since the restoring force is provided by the elasticity of the spring, which varies with temperature, it is more affected by temperature changes than a gravity-swing pendulum. The most accurate torsion clocks use a spring of elinvar which has low temperature coefficient of elasticity.

A torsion pendulum clock requiring only annual winding is sometimes called a «400-Day clock» or «anniversary clock«, sometimes given as a wedding gift. Torsion pendulums are also used in «perpetual» clocks which do not need winding, as their mainspring is kept wound by changes in atmospheric temperature and pressure with a bellows arrangement. The Atmos clock, one example, uses a torsion pendulum with a long oscillation period of 60 seconds.

Escapement[edit]

The escapement is a mechanical linkage that converts the force from the clock’s wheel train into impulses that keep the pendulum swinging back and forth. It is the part that makes the «ticking» sound in a working pendulum clock. Most escapements consist of a wheel with pointed teeth called the escape wheel which is turned by the clock’s wheel train, and surfaces the teeth push against, called pallets. During most of the pendulum’s swing the wheel is prevented from turning because a tooth is resting against one of the pallets; this is called the «locked» state. Each swing of the pendulum a pallet releases a tooth of the escape wheel. The wheel rotates forward a fixed amount until a tooth catches on the other pallet. These releases allow the clock’s wheel train to advance a fixed amount with each swing, moving the hands forward at a constant rate, controlled by the pendulum.

Although the escapement is necessary, its force disturbs the natural motion of the pendulum, and in precision pendulum clocks this was often the limiting factor on the accuracy of the clock. Different escapements have been used in pendulum clocks over the years to try to solve this problem. In the 18th and 19th centuries, escapement design was at the forefront of timekeeping advances. The anchor escapement (see animation) was the standard escapement used until the 1800s when an improved version, the deadbeat escapement, took over in precision clocks. It is used in almost all pendulum clocks today. The remontoire, a small spring mechanism rewound at intervals which serves to isolate the escapement from the varying force of the wheel train, was used in a few precision clocks. In tower clocks the wheel train must turn the large hands on the clock face on the outside of the building, and the weight of these hands, varying with snow and ice buildup, put a varying load on the wheel train. Gravity escapements were used in tower clocks.

By the end of the 19th century specialized escapements were used in the most accurate clocks, called astronomical regulators, which were employed in naval observatories and for scientific research. The Riefler escapement, used in Clemens-Riefler regulator clocks was accurate to 10 milliseconds per day. Electromagnetic escapements, which used a switch or phototube to turn on a solenoid electromagnet to give the pendulum an impulse without requiring a mechanical linkage, were developed. The most accurate pendulum clock was the Shortt-Synchronome clock, a complicated electromechanical clock with two pendulums developed in 1923 by W.H. Shortt and Frank Hope-Jones, which was accurate to better than one second per year. A slave pendulum in a separate clock was linked by an electric circuit and electromagnets to a master pendulum in a vacuum tank. The slave pendulum performed the timekeeping functions, leaving the master pendulum to swing virtually undisturbed by outside influences. In the 1920s the Shortt-Synchronome briefly became the highest standard for timekeeping in observatories before quartz clocks superseded pendulum clocks as precision time standards.

Time indication[edit]

The indicating system is almost always the traditional dial with moving hour and minute hands. Many clocks have a small third hand indicating seconds on a subsidiary dial. Pendulum clocks are usually designed to be set by opening the glass face cover and manually pushing the minute hand around the dial to the correct time. The minute hand is mounted on a slipping friction sleeve which allows it to be turned on its arbor. The hour hand is driven not from the wheel train but from the minute hand’s shaft through a small set of gears, so rotating the minute hand manually also sets the hour hand.

Styles[edit]

Pendulum clocks were more than simply utilitarian timekeepers; due to their high cost they were status symbols that expressed the wealth and culture of their owners. They evolved in a number of traditional styles, specific to different countries and times as well as their intended use. Case styles somewhat reflect the furniture styles popular during the period. Experts can often pinpoint when an antique clock was made within a few decades by subtle differences in their cases and faces. These are some of the different styles of pendulum clocks:

See also[edit]

• Pendulum (mathematics)
• Pendulum
• Cycloidal pendulum
• Flying pendulum clock
• Longcase clock (grandfather clock)
• Steam clock
• Balance spring (hairspring)

References[edit]

External links[edit]

• The Invention of Clocks
• The (Not So) Simple Pendulum
• The earliest Dutch and French Pendulum clocks, 1657-1662
• Computer-Aided Design and Kinematic Simulation of Huygens’s Pendulum Clock

Участники[править]

Капитанюк Светлана(руководитель)
Трунова Иоанна(участник проекта)
Мосягина Анастасия(участник проекта)
Иванова Мария(участник проекта)
Тараканова Мария(участник проекта)

Цель проекта[править]

Создание полноценной модели маятниковых часов из фанеры.

Принцип работы маятниковых часов[править]

Груз 1 с помощью троса через валик 2 приводит в движение систему колес. Усилие через несколько колесных пар передается на тормозное колесико 3. Проворачивание часового механизма тормозится в результате взаимодействия тормозного колесика 3 и анкера 4 и регулируется маятником 5. Конец анкера 4 проходит в пространство между шестеренками и тем самым ограничивает движение тормозного колесика 3 на половину длины зубчика. Теперь, когда маятник будет совершать обратное движение, зубчик надавит на анкер и через стержень передаст усилие на маятник. Через несколько шестеренок ходовое колесо соединено с минутной шестеренкой 7. Скорости промежуточных шестеренок рассчитаны таким образом, чтобы минутная шестеренка проворачивалась один раз в час. И, наконец, шестеренки 8, 9 и 10 служат для того, чтобы маленькая стрелка двигалась в 12 раз медленнее, чем большая.

Обзор аналогов[править]

Отсюда была взята идея расположить часовую, минутную и секундную стрелки на разных осях.

Подробное изучение механизма часов[править]

Работа над проектом[править]

Расчет количества колес и числа зубьев.

Моделирование первых деталей[править]

Построение ходового колеса и анкера по чертежу[править]

Принцип работы анкерного хода[править]

Моделирование храпового механизма[править]

Моделирование расположения и размеров зубчатых колес, расчет межцентровых расстояний[править]

Размышления о том, как крепить зубчатые колеса на валах, делать ли подшипники и как будет крепиться маятник.

Сборка модели в Fusion 360[править]

Составление сметы и покупка материалов[править]

Изготовление втулок и деталей из фанеры[править]

Сборка часов[править]

Результаты[править]

• Все детали удалось собрать вместе;
• Храповый механизм работает;
• Вращения между зубчатыми колесами передаются, хотя и не безупречно;
• Передаточные соотношения были рассчитаны верно (то есть минутное колесо вращается в 60 раз медленнее секундного, часовое – в 60 раз медленнее минутного);
• Завести часы с помощью груза не получилось.

Почему не удалось завести часы с помощью груза?[править]

• Зубчатые колеса слишком свободно держатся на валах и вращаются не в одной плоскости, а задевая друг друга;
• Из-за отсутствия подшипников и маленького размера барабана, трение не дает барабанному колесу повернуться под тяжестью груза;
• Очень тонкие и хрупкие зубья на ходовом колесе. Лучше было сделать их из другого материала.

Эти часы стали следующим этапом в развитии механических часов. Маятник оказался более совершенным регулятором равномерности хода, чем коромысло, и позволил создавать хронометрические приборы, отличающиеся большой точностью. Но своим изобретением он обязан не одному, а сразу нескольким талантливым умам.

История появления маятниковых часов

Первые маятниковые часы были изобретены в конце XVI века сыном великого ученого Галилея Галилео. В основу их устройства было положено открытие, которое ученый сделал еще в свои молодые годы. Наблюдая за колебаниями различных лампад Пизанского собора и отсчитывая удары своего пульса, он пришел к заключению, что на период их колебания, вызванного врывавшимся в окна ветром, не влиял не их вес, ни размер, а только длина цепей.

Практически одновременно, с разрывом в каких-то 20 лет, голландский астроном, математик и физик Христиан Гюйгенс, ничего не зная об открытии Галилея, пришел к тем же заключениям. В первых созданных им часах размах маятника достигал 40-50 градусов, что отрицательно сказывалось на точности хода. Учтя эти недостатки, Гюйгенс создал новый регулятор равномерности хода, который обеспечивал суточную погрешность не более 10 секунд. Впоследствии он сконструировал маятниковые часы, которые предназначались для мореплавания, с отдельными для часов, минут и секунд циферблатами.

Свой вклад в усовершенствование механизма маятников часов внес и известных французский драматург Бомарше, карьера которого началась блестящей и остроумной речи, которую он произнес на суде, отстаивая свои авторские права на сделанную им часовую новинку.

Следующим этапом стало изобретение в 1676 году английским часовщиком Клементом якорно-анкерного спуска для маятниковых часов. Но на этом усовершенствования часового механизма не закончились. Часовых дел мастера создавали все новые и новые конструкции, выкидывая из них зачастую многие изначально применявшиеся детали. Например, в 1925 году появились маятниковые часы Шорта, в которых под колпаком с электромагнитами, батарейкой и проводами был только маятник. Последним усовершенствованием маятниковых часов стали часы Федченко, созданные в 1954 году и обладавшие точностью хода 0,0003 секунды в сутки.

А последние находки новых рукописей Леонардо Давинчи открыли, что этот выдающийся ученый средневековья уже занимался разработкой применения маятника в часах!

А маятниковые часы это Часы который использует маятник качающийся груз, так как его хронометраж элемент. Преимущество маятника для хронометража заключается в том, что он гармонический осциллятор: Он раскачивается вперед и назад через определенный промежуток времени, зависящий от его длины, и сопротивляется раскачиванию с другой скоростью. С момента его изобретения в 1656 г. Кристиан Гюйгенс Маятниковые часы, вдохновленные Галилео Галилеем, до 1930-х годов были самыми точными хронометрами в мире, благодаря их широкому распространению.^[1][2] На протяжении XVIII и XIX веков маятниковые часы в домах, фабриках, офисах и железнодорожных станциях служили основными эталонами времени для определения расписания повседневной жизни, рабочих смен и общественного транспорта. Более того, их большая точность позволила ускорить темп жизни, что было необходимо для Индустриальная революция. На смену домашним маятниковым часам пришли более дешевые, синхронные, электрические часы в 1930-х и 40-х годах с маятниковыми часами, которые теперь используются в основном для декоративный и античный ценить.

Для работы маятниковые часы должны быть неподвижны. Любое движение или ускорения будет влиять на движение маятника, вызывая неточности, что требует использования других механизмов в портативных часах.

История

Первые маятниковые часы были изобретены в 1656 г. нидерландский язык ученый и изобретатель Кристиан Гюйгенс, и запатентовали в следующем году. Гюйгенс поручил изготовление своих часов часовщику. Саломон Костер, который на самом деле построил часы. Гюйгенс был вдохновлен исследованиями маятников Галилео Галилей примерно с 1602 года. Галилей открыл ключевое свойство, которое делает маятники полезными для хронометража: изохронизм, что означает, что период качания маятника примерно одинакова для качелей разной величины.^[3][4] Галилей придумал маятниковые часы в 1637 году, которые были частично построены его сыном в 1649 году, но ни один из них не дожил до их завершения.^[5] Введение маятника, первое гармонический осциллятор использованный в хронометрии, значительно повысил точность часов, примерно с 15 минут в день до 15 секунд в день.^[6] что привело к их быстрому распространению как существующие »грани и фолиот Часы были оснащены маятниками.

Эти ранние часы из-за их краевой спуск, имел широкие колебания маятника 80–100 °. В своем анализе маятников 1673 г. Часы Oscillatorium, Гюйгенс показал, что широкие колебания делают маятник неточным, что приводит к его неточности. период, и, таким образом, скорость часов, чтобы меняться с неизбежными изменениями движущей силы, обеспечиваемой движение. Осознание мастерами часового дела, что только маятники с небольшими колебаниями в несколько градусов изохронный мотивировал изобретение анкерный спуск к Роберт Гук около 1658 г., что уменьшило качание маятника до 4–6 °.^[7] Якорь стал стандартным спусковым механизмом, используемым в маятниковых часах. В дополнение к повышенной точности, узкий маятниковый ход якоря позволил корпусу часов приспособиться к более длинным и медленным маятникам, которые требовали меньше энергии и вызывали меньший износ механизма. В секундный маятник (также называемый Королевским маятником) длиной 0,994 м (39,1 дюйма), в котором период времени составляет две секунды, стал широко использоваться в качественных часах. Длинные узкие часы, построенные вокруг этих маятников, впервые сделанные Уильямом Клементом около 1680 года, стали известны как дедушкины часы. Повышенная точность, возникшая в результате этих разработок, привела к добавлению минутной стрелки, ранее редкой, к циферблатам часов, начиная с 1690 года.^[8]

Волна 18-19 веков часовой инновации, последовавшие за изобретением маятника, внесли много улучшений в маятниковые часы. В беспроигрышный спуск изобретен в 1675 году Ричард Таунли и популяризируется Джордж Грэм около 1715 г. в его прецизионных «регуляторах» часы постепенно заменили анкерный спуск.^[9] и сейчас используется в большинстве современных маятниковых часов. Наблюдение за замедлением хода маятниковых часов летом привело к осознанию того, что тепловое расширение а сжатие стержня маятника при изменении температуры было источником ошибки. Это было решено изобретением маятников с температурной компенсацией; то ртутный маятник к Джордж Грэм в 1721 г. и маятник сетки к Джон Харрисон в 1726 г.^[10] Благодаря этим усовершенствованиям к середине XVIII века точные маятниковые часы достигли точности в несколько секунд в неделю.

До 19 века часы изготавливались вручную отдельными мастерами и стоили очень дорого. Богатый орнамент маятниковых часов этого периода указывает на их ценность как символов статуса богатых. В часовщики каждой страны и региона Европы разработали свои собственные отличительные стили. К 19 веку фабричное производство деталей часов постепенно сделало маятниковые часы доступными для семей среднего класса.

Вовремя Индустриальная революция, повседневная жизнь была организована вокруг домашних маятниковых часов. Более точные маятниковые часы, называемые регуляторы, были установлены в коммерческих и железнодорожные станции и используется для планирования работы и установки других часов. Необходимость чрезвычайно точного хронометража в небесная навигация определить долгота стимулировал разработку самых точных маятниковых часов, названных астрономические регуляторы. Эти точные инструменты, установленные в военно-морские обсерватории и сохранял точность в течение секунды, наблюдая за звездные транзиты накладные расходы, использовались для установки морские хронометры на военно-морских и торговых судах. Начиная с XIX века, астрономические регуляторы в военно-морских обсерваториях служили основными стандартами для национальных услуги распределения времени которые распределяли сигналы времени по телеграф провода.^[11] С 1909 г. Национальное бюро стандартов США (ныне NIST ) на основе стандарта времени США на Рифлер маятниковые часы с точностью до 10 миллисекунд в день. В 1929 году он перешел на Свободные маятниковые часы Shortt-Synchronome до перехода кварц стандарты в 1930-е гг.^[12][13] С ошибкой около одной секунды в год Shortt были самыми точными маятниковыми часами, производимыми на рынке.^{[14][15][16][17][18]}

Маятниковые часы оставались мировым стандартом для точного хронометража в течение 270 лет, пока не были изобретены кварцевые часы в 1927 году и использовались в качестве эталонов времени во время Второй мировой войны. Французская служба времени до 1954 года использовала маятниковые часы как часть своего ансамбля стандартных часов.^[19] Домашние маятниковые часы в качестве домашних хронометров в 1930-х и 1940-х годах начали заменяться синхронными. электрические часы, который сохранял более точное время, потому что он был синхронизирован с колебаниями электрическая сеть. Самые точные экспериментальные маятниковые часы из когда-либо созданных^[20][21] может быть часы Littlemore, построенные Эдвард Т. Холл в 1990-е годы^[22](подарена в 2003 г. Национальный музей часов и часов, Колумбия, Пенсильвания, США).

Механизм

Механизм, который запускает механические часы, называется движение. Движение всех механических маятниковых часов состоит из пяти частей:^[23]

• Источник питания; груз на шнуре или цепи, который вращает шкив или звездочку, или пружина
• А зубчатая передача (колесный поезд ), который увеличивает скорость мощности, чтобы маятник мог ее использовать. В передаточные числа зубчатой ​​передачи также делят скорость вращения на меньшую, чтобы колеса вращались один раз в час и один раз в 12 часов, чтобы поворачивать стрелки часов.
• An спусковой механизм который дает маятнику точно синхронизированные импульсы, чтобы он продолжал качаться, и который освобождает колеса зубчатой ​​передачи, чтобы двигаться вперед на фиксированную величину при каждом качании. Это источник «тикающего» звука работающих маятниковых часов.
• Маятник, груз на штанге, являющийся элементом хронометража часов.
• Индикатор или циферблат, который записывает, как часто вращался спусковой механизм и, следовательно, сколько времени прошло, обычно традиционный циферблат с вращающимися руками.

Дополнительные функции в часах, помимо основного хронометража, называются осложнения. Более сложные маятниковые часы могут иметь следующие осложнения:

• Поразительный поезд: ударяет в колокол или гонг каждый час, причем количество ударов равно количеству часов. Некоторые часы также сигнализируют полчаса одним ударом. Более сложные типы, технически называемые бой часов, бить в четверть часа и может играть мелодии или соборные куранты, обычно Вестминстерские кварталы.
• Циферблаты календаря: показывают день, дату, а иногда и месяц.
• Фаза луны циферблат: показывает фазу луны, обычно с нарисованным изображением луны на вращающемся диске.
• Уравнение времени циферблат: это редкое усложнение использовалось в первые дни для установки часов по полуденному движению солнца над головой. Он отображает разницу между временем, указанным часами, и временем, указанным положением солнца, которое в течение года меняется на ± 16 минут.
• Повторитель насадка: повторяет часовые куранты при включении вручную. Это редкое усложнение использовалось перед искусственным освещением, чтобы проверить, сколько времени было ночью.

В электромеханические маятниковые часы например, используется в механических Мастер-часы источник питания заменен на электрический соленоид который дает импульсы маятнику магнитная сила, а спусковой механизм заменен на выключатель или же фотоприемник который определяет, когда маятник находится в правильном положении, чтобы получить импульс. Их не следует путать с более поздними кварцевыми маятниковыми часами, в которых электронный кварцевые часы модуль качает маятник. Это не настоящие маятниковые часы, потому что хронометраж контролируется Кристалл кварца в модуле, а качающийся маятник представляет собой просто декоративную имитацию.

Гравитационный маятник

Маятник качается с период который зависит от квадратного корня из его эффективной длины. Для небольших колебаний период Т, время одного полного цикла (двух качелей) равно

куда L — длина маятника и грамм местный ускорение свободного падения. Все маятниковые часы имеют средства регулировки хода. Обычно это регулировочная гайка под маятник. боб который перемещает боб вверх или вниз на стержне. Перемещение карабина вверх уменьшает длину маятника, уменьшая период маятника, поэтому часы отстают от времени. В некоторых маятниковых часах точная регулировка выполняется с помощью вспомогательной регулировки, которая может представлять собой небольшой груз, перемещаемый вверх или вниз по стержню маятника. В некоторых мастер-часах и башенных часах регулировка осуществляется с помощью небольшого лотка, установленного на стержне, куда помещаются или снимаются небольшие грузы для изменения эффективной длины, поэтому скорость можно регулировать без остановки часов.

Период маятника немного увеличивается с шириной (амплитудой) его качания. В ставка погрешности увеличивается с амплитудой, поэтому при ограничении небольшими колебаниями в несколько градусов маятник почти изохронный; его период не зависит от изменения амплитуды. Поэтому качание маятника в часах ограничено от 2 ° до 4 °.

Температурная компенсация

Основным источником ошибок маятниковых часов является тепловое расширение; стержень маятника немного изменяется в длине при изменении температуры, вызывая изменение хода часов. Повышение температуры заставляет стержень расширяться, удлиняя маятник, поэтому его период увеличивается, и часы теряют время. Во многих часах более старого качества использовались деревянные маятниковые стержни, чтобы уменьшить эту ошибку, поскольку дерево расширяется меньше, чем металл.

Первым маятником, исправившим эту ошибку, был маятник ртутный изобретен Джордж Грэм в 1721 году, который использовался в точных часах с регулятором в 20 веке. У них был боб, состоящий из емкости с жидким металлом. Меркурий. Повышение температуры приведет к расширению стержня маятника, но ртуть в контейнере также будет расширяться, и ее уровень в контейнере немного поднимется, перемещая центр тяжести маятника вверх по направлению к оси вращения. При использовании правильного количества ртути центр тяжести маятника оставался на постоянной высоте, и, таким образом, его период оставался постоянным, несмотря на изменения температуры.

Наиболее широко используемым маятником с температурной компенсацией был маятник сетки изобретен Джон Харрисон около 1726 г. Он состоял из «сетки» параллельных стержней из металла с высоким тепловым расширением, такого как цинк или же латунь и металл с низким тепловым расширением, такой как стали. При правильном сочетании изменение длины стержней с большим расширением компенсировало изменение длины стержней с низким коэффициентом расширения, снова достигая постоянного периода маятника при изменении температуры. Этот тип маятника стал настолько ассоциироваться с качеством, что на маятниковых часах часто можно увидеть декоративные «фальшивые» сеточки, не имеющие реальной функции температурной компенсации.

Начиная примерно с 1900 года, некоторые из самых точных научных часов имели маятники, сделанные из материалов со сверхнизким коэффициентом расширения, таких как никелевый стальной сплав. Инвар или же плавленый кварц, что требовало очень небольшой компенсации влияния температуры.

Атмосферное сопротивление

Вязкость воздуха, в котором качается маятник, зависит от атмосферного давления, влажности и температуры. Это сопротивление также требует мощности, которая в противном случае могла бы использоваться для увеличения времени между обмотками. Традиционно маятниковый боб изготавливается с узкой обтекаемой формой линзы для уменьшения сопротивления воздуха, на которое в качественных часах приходится большая часть движущей силы. В конце 19 — начале 20 века маятники для точности часы-регулятор в астрономических обсерваториях часто работали в камере, которая была откачана до низкого давления, чтобы уменьшить сопротивление и сделать работу маятника еще более точной, избегая изменений атмосферного давления. Точная регулировка хода часов может производиться небольшими изменениями внутреннего давления в герметичном корпусе.

Прокачка и «бить»

Для точного отсчета времени маятниковые часы должны быть абсолютно ровными. В противном случае маятник раскачивается больше в одну сторону, чем в другую, нарушая симметричную работу спуска. Это состояние часто можно услышать по тиканью часов. Тики или «удары» должны располагаться с точно равными интервалами, чтобы издавать звук «тик … тик … тик … тик»; если их нет, и есть звук «тик-так … тик-так …» часы вне ритма и нужно выровнять. Эта проблема может легко привести к прекращению работы часов и является одной из наиболее частых причин обращения в службу поддержки. А духовный уровень или же часы таймер можно добиться более высокой точности, чем полагаясь на звук удара; Прецизионные регуляторы часто имеют встроенный спиртовой уровень для этой задачи. Старые отдельно стоящие часы часто имеют ножки с регулируемыми винтами для их выравнивания, более поздние имеют регулировку выравнивания в механизме. Некоторые современные маятниковые часы имеют устройства «авто-биения» или «саморегулирующейся регулировки ритма», и в этой настройке не требуется.

Местная гравитация

Поскольку скорость маятника будет увеличиваться с увеличением силы тяжести, а местная сила тяжести меняется в зависимости от широты и высоты на Земле, точные маятниковые часы необходимо перенастроить, чтобы отсчитывать время после движения. Например, маятниковые часы, перемещенные с уровня моря на 4000 футов (1200 м), будут терять 16 секунд в день.^[24] С самыми точными маятниковыми часами, даже перемещение часов на вершину высокого здания приведет к потере измеримого времени из-за меньшей силы тяжести.^[25]

Торсионный маятник

Также называется торсионно-пружинным маятником, это колесообразная масса (чаще всего четыре сферы на поперечных спицах), подвешенная на вертикальной полосе (ленте) из пружинной стали, используемой в качестве регулирующего механизма в торсионные маятниковые часы. Вращение массы заводит и раскручивает пружину подвески, при этом импульс энергии прикладывается к ее вершине. С периодом 12-15 секунд, по сравнению с периодом маятника колебаний силы тяжести в 0,5-2 секунды, можно изготавливать часы, которые нужно заводить только каждые 30 дней, или даже только раз в год или чаще. Этот тип не зависит от местной силы тяжести, но больше подвержен влиянию температурных изменений, чем некомпенсированный маятник с колебаниями силы тяжести.

Часы, требующие только годового завода, иногда называют «часами».400-дневные часы « или же «юбилейные часы«, который иногда дарят в качестве подарка на свадьбу. Основными производителями часов этого типа были немецкие фирмы Schatz и Kieninger & Obergfell (известные как» Kundo «от» K und O «).»вечное движение«часы, называемые Атмос Поскольку его механизм не работает из-за изменений температуры воздуха, он также использует торсионный маятник. В этом случае цикл колебаний занимает полные 60 секунд.

Спусковой механизм

В спусковой механизм это механическая связь, которая преобразует силу от часов колесный поезд в импульсы, которые заставляют маятник раскачиваться вперед и назад. Это та часть, которая издает «тикающий» звук в работающих маятниковых часах. Большинство спусковых механизмов состоят из колеса с заостренными зубьями, называемого аварийное колесо который вращается колесной цепью часов, и поверхности, которые упираются зубьями, называются поддоны. Во время большей части качания маятника колесо не может вращаться, потому что зуб упирается в один из поддонов; это называется «заблокированным» состоянием. При каждом качании маятника поддон отпускает зуб спускового колеса. Колесо поворачивается вперед на фиксированную величину, пока зуб не зацепится за другой поддон. Эти освобождения позволяют колесной передаче часов продвигаться на фиксированную величину при каждом движении, перемещая стрелки вперед с постоянной скоростью, управляемой маятником.

Хотя спусковой механизм необходим, его сила нарушает естественное движение маятника, и в точных маятниковых часах это часто было ограничивающим фактором для точности часов. На протяжении многих лет в маятниковых часах использовались различные спусковые механизмы, чтобы попытаться решить эту проблему. В 18-19 веках дизайн спуска был в авангарде достижений в области хронометрии. В анкерный спуск (см. анимацию) был стандартным спусковым механизмом, который использовался до 1800-х годов, когда улучшенная версия, беспроигрышный спуск взяли верх в точных часах. Сегодня он используется почти во всех маятниковых часах. В ремонт Небольшой пружинный механизм, перематываемый через определенные промежутки времени, который служит для изоляции спуска от изменяющейся силы колесной пары, использовался в некоторых точных часах. В башенные часы колесный поезд должен поворачивать большие стрелки на циферблате снаружи здания, и вес этих стрелок, меняющийся в зависимости от образования снега и льда, создает переменную нагрузку на колесный поезд. Гравитационный спуск использовались в башенных часах.

К концу 19 века специальные спусковые механизмы использовались в самых точных часах, называемых астрономические регуляторы, которые работали в военно-морские обсерватории и для научных исследований. В Спуск Riefler, используемый в часах регулятора Clemens-Riefler, имел точность до 10 миллисекунд в день. Электромагнитные спусковые механизмы, в которых используется переключатель или фототрубка включить соленоид электромагнит чтобы дать маятнику импульс, не требуя механической связи, были разработаны. Самыми точными маятниковыми часами были Часы Shortt-Synchronome, сложные электромеханические часы с двумя маятниками, разработанные в 1923 году W.H. Шорт и Фрэнк Хоуп-Джонс, с точностью лучше одной секунды в год. Ведомый маятник в отдельных часах был связан электрической цепью и электромагнитами с ведущим маятником в вакуумном резервуаре. Подчиненный маятник выполнял функции хронометража, оставляя главный маятник качаться практически без помех для внешних воздействий. В 1920-х годах Shortt-Synchronome ненадолго стал самым высоким стандартом для хронометража в обсерваториях. кварцевые часы вытеснили маятниковые часы как эталоны точного времени.

Индикация времени

Система индикации почти всегда традиционная. набирать номер с движущейся часовой и минутной стрелками. У многих часов есть небольшая третья стрелка, указывающая секунды на вспомогательном циферблате. Маятниковые часы обычно предназначены для установки, открыв стеклянную лицевую крышку и вручную повернув минутную стрелку на циферблате до нужного времени. Минутная стрелка установлена ​​на скользящей фрикционной муфте, которая позволяет поворачивать ее на оправке. Часовая стрелка ведется не от колесный поезд но от вала минутной стрелки через небольшой набор шестерен, поэтому вращение минутной стрелки вручную также устанавливает часовую стрелку.

Стили

Маятниковые часы были больше, чем просто утилитарные хронометры; они были символы состояния которые выражали богатство и культуру их владельцев. Они развивались в нескольких традиционных стилях, специфичных для разных стран и времен, а также их предполагаемого использования. Стили корпусов в некоторой степени отражают популярные в то время стили мебели. Эксперты часто могут определить, когда античный Часы были созданы в течение нескольких десятилетий за счет тонких различий в корпусах и циферблатах. Вот некоторые из различных стилей маятниковых часов:

Смотрите также

• Маятник (математика)
• Маятник
• Циклоидный маятник
• Летающие маятниковые часы
• Часы с длинным корпусом (дедушкины часы )
• Паровые часы
• Пружина баланса (пружина )

Рекомендации

внешняя ссылка

• Изобретение часов
• (Не очень) простой маятник
• Самые ранние голландские и французские маятниковые часы, 1657-1662 гг.