Маятниковые часы - Pendulum clock

Маятниковые часы, задуманные Галилео Галилеем около 1637 года. Самая ранняя из известных моделей маятниковых часов, так и не была завершена.
Настенные часы с маятником в стиле венского регулятора

Часы с маятником это часы , которые используют маятник , качающийся вес, так как его хронометраж элемент. Преимущество маятника для хронометража заключается в том, что он представляет собой гармонический осциллятор : он качается вперед и назад в точном временном интервале, зависящем от его длины, и сопротивляется колебаниям с другими скоростями. С момента изобретения в 1656 году Христиана Гюйгенса , вдохновленного Галилео Галилеем , до 1930-х годов маятниковые часы были самыми точными хронометрами в мире, что объясняет их широкое распространение. На протяжении XVIII и XIX веков маятниковые часы в домах, фабриках, офисах и железнодорожных станциях служили основными эталонами времени для планирования повседневной жизни, рабочих смен и общественного транспорта. Их большая точность позволила ускорить темп жизни, что было необходимо для промышленной революции . Домашние маятниковые часы были заменены менее дорогими синхронными электрическими часами в 1930-х и 40-х годах. Часы с маятником сейчас хранятся в основном из-за их декоративной и старинной ценности.

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

История

Первые маятниковые часы, изобретенные Христианом Гюйгенсом в 1656 году.

Первые маятниковые часы были изобретены в 1656 году голландским ученым и изобретателем Христианом Гюйгенсом и запатентованы в следующем году. Гюйгенс поручил изготовление своих часов часовому мастеру Саломону Костеру , который на самом деле построил часы. Гюйгенс был вдохновлен исследованиями маятников Галилео Галилеем, начавшимися около 1602 года. Галилей открыл ключевое свойство, которое делает маятники полезными для измерения времени: изохронизм , что означает, что период колебания маятника примерно одинаков для качелей разного размера. 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. Введение маятника, первого гармонического осциллятора, используемого для хронометража, значительно повысило точность часов, примерно с 15 минут в день до 15 секунд в день, что привело к их быстрому распространению, так как существующие часы « грани и фолиота » были модернизированы маятниками.

Фонарь часы , которые были конвертированы использовать маятник. Чтобы приспособиться к широким колебаниям маятника, вызванным торцевым спуском , по бокам были добавлены «крылья».
Дедушкины часы
Некоторые из самых точных маятниковых часов: (слева) регуляторные часы Riefler , которые служили эталоном времени в США с 1909 по 1929 г., (справа) часы Shortt-Synchronome , самые точные маятниковые часы из когда-либо изготовленных, которые служили эталоном времени во время 1930-е гг.

Эти ранние часы из-за их краевого спуска имели широкий маятник поворота на 80–100 °. В своем анализе маятников 1673 года, Horologium Oscillatorium , Гюйгенс показал, что широкие колебания делают маятник неточным, что приводит к изменению его периода и, следовательно, скорости хода часов с неизбежными изменениями движущей силы, обеспечиваемой механизмом . Реализация часовщиков , что только маятники с небольшими колебаниями в несколько градусов являются изохронны мотивировала изобретение якоря спуска по Роберту Гук вокруг 1658, что позволило снизить колебание маятника до 4-6 °. 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. Секунд маятник (также называемый Королевским маятник), 0,994 м (39,1 дюйма) длиной, в котором период времени составляет две секунды, стали широко использоваться в качественных часов. Длинные узкие часы, построенные вокруг этих маятников, впервые сделанные Уильямом Клементом около 1680 года, стали известны как дедушкины часы . Повышенная точность в результате этих разработок привела к добавлению минутной стрелки, ранее редкой, к циферблатам часов, начиная примерно с 1690 года.

Волна инноваций в часовом деле 18 и 19 веков , последовавшая за изобретением маятника, принесла много улучшений в маятниковые часы. Неплательщик спуск изобретена в 1675 годом Ричард Таунл и популяризировал Джордж Грэм около 1715 в его точности «регулятор» часы постепенно заменил якорь спуск и в настоящее время используется в большинстве современных маятниковых часов. Наблюдение за замедлением хода маятниковых часов летом привело к пониманию того, что тепловое расширение и сжатие стержня маятника при изменении температуры является источником ошибок. Это было решено изобретением маятников с температурной компенсацией; ртути маятник Грэм в 1721 году и путевой маятник от Джона Харрисона в 1726. С помощью этих улучшений, к середине 18 века точности маятниковых часов 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 в Европе , разработали свои собственные отличительные стили. К 19 веку фабричное производство деталей часов постепенно сделало маятниковые часы доступными для семей среднего класса.

Во время промышленной революции повседневная жизнь была организована вокруг домашних маятниковых часов. Более точные маятниковые часы, называемые регуляторами , были установлены на предприятиях и на вокзалах и использовались для планирования работы и настройки других часов. Необходимость чрезвычайно точного хронометража в астрономической навигации для определения долготы привела к разработке самых точных маятниковых часов, называемых астрономическими регуляторами . Эти высокоточные инструменты, установленные в военно-морских обсерваториях и обеспечивающие точность в пределах секунды за счет наблюдения за переходами звезд над головой, использовались для установки морских хронометров на военно-морских и торговых судах. Начиная с 19 века, астрономические регуляторы в военно-морских обсерваториях служили основными стандартами для национальных служб распределения времени, которые распределяли сигналы времени по телеграфным проводам. С 1909 года Национальное бюро стандартов США (ныне NIST ) основывало американский стандарт времени на маятниковых часах Riefler с точностью до 10 миллисекунд в день. В 1929 году компания перешла на свободные маятниковые часы Shortt-Synchronome, а в 1930-х годах - на кварцевые эталоны. С ошибкой около одной секунды в год Shortt были самыми точными маятниковыми часами, производимыми на рынке.

Маятниковые часы оставались мировым стандартом для точного хронометража в течение 270 лет, до изобретения кварцевых часов в 1927 году, и использовались в качестве эталонов времени во время Второй мировой войны. Французская служба времени использовала маятниковые часы как часть своего ансамбля стандартных часов до тех пор, пока 1954. Домашние маятниковые часы в качестве домашних хронометров в 1930-х и 1940-х годах начали заменяться синхронными электрическими часами , которые вели более точное время, поскольку они были синхронизированы с колебаниями электросети .Самыми точными экспериментальными маятниковыми часами из когда-либо созданных могут быть часы Littlemore, построенные Эдвардом Т. Холлом в 1990-х годах (подаренные в 2003 году Национальному музею часов и часов , Колумбия, Пенсильвания, США).

Механизм

Модель механизма Ansonia Clock: c. 1904 г.

Механизм, который запускает механические часы, называется механизмом. Движение всех механических маятниковых часов состоит из пяти частей:

  • Источник питания; либо груз на шнуре или цепи, который вращает шкив или звездочку, либо боевую пружину
  • Зубчатая передача ( колеса поезда ) , что усиливает скорость мощности , так что маятник может использовать его. В передаточные отношения зубчатой передачи также разделить вниз скорость вращения , чтобы дать колеса , которые вращаются один раз каждый час и один раз каждые 12 часов, чтобы повернуть стрелки часов.
  • Спуском , который дает маятник точно по времени импульсы , чтобы держать его качается, и который выпускает зубчатую передачу колеса для перемещения вперед фиксированное количество на каждом колебании. Это источник «тикающего» звука работающих маятниковых часов.
  • Маятник, груз на стержне, который является элементом хронометража часов.
  • Индикатор или циферблат, который записывает, как часто вращался спусковой механизм и, следовательно, сколько времени прошло, обычно это традиционный циферблат с вращающимися стрелками.

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

  • Ударный поезд : каждый час ударяет в колокол или гонг с количеством ударов, равным количеству часов. Некоторые часы также сигнализируют полчаса одним ударом. Более сложные типы, технически называемые курантами , отбивают четверть часа и могут играть мелодии или соборные куранты, обычно это вестминстерские кварталы .
  • Циферблаты календаря: показывают день недели, дату, а иногда и месяц.
  • Циферблат фазы луны : показывает фазу луны, обычно с нарисованным изображением луны на вращающемся диске.
  • Уравнение циферблата: это редкое усложнение использовалось в первые дни для установки часов по прохождению солнца над головой в полдень. Он отображает разницу между временем, указанным на часах, и временем, указанным положением солнца, которое в течение года меняется на ± 16 минут.
  • Приставка ретранслятора : повторяет часовые куранты при ручном включении. Это редкое усложнение использовалось перед искусственным освещением, чтобы проверить, сколько времени было ночью.

В электромеханических маятниковых часах, таких как используемые в механических мастер-часах, источник питания заменяется соленоидом с электрическим приводом, который подает импульсы на маятник с помощью магнитной силы , а спусковой механизм заменяется переключателем или фотодетектором, который определяет, когда маятник находится в положении правильное положение для получения импульса. Их не следует путать с более поздними кварцевыми маятниковыми часами, в которых модуль электронных кварцевых часов качает маятник. Это не настоящие маятниковые часы, потому что хронометраж управляется кварцевым кристаллом в модуле, а качающийся маятник - просто декоративная имитация.

Маятник с гравитационным качанием

Маятник напольные часы
Маятник Меркурий

Маятник в большинстве часов (см схему) состоит из дерева или металлического стержня (а) с металлической массой называется боб (б) на конце. Боб традиционно имеет форму линзы для уменьшения сопротивления воздуха. Деревянные стержни часто использовались в качественных часах, потому что у дерева был более низкий коэффициент теплового расширения, чем у металла. Шток обычно подвешивается к корпусу часов с помощью короткой прямой пружины из металлической ленты (d) ; это позволяет избежать нестабильности, вызванной обычным стержнем. В самых точных часах-регуляторах маятник подвешен на металлических лезвиях ножей, опирающихся на плоские агатовые пластины.

Маятник приводится в движение от руки висит за ним крепится к анкерной части (ч) от спускового , называемый «костыль» (е) , оканчивающиеся на «вилке» (F) , которая охватывает стержень маятника. Каждое движение маятника освобождает спусковое колесо, и зуб колеса прижимается к одному из поддонов , оказывая кратковременное воздействие через костыль и вилку на стержень маятника, чтобы он оставался в движении.

Большинство качественных часов, включая все старые часы, имеют «секундный маятник», в котором каждое колебание маятника занимает одну секунду (полный цикл занимает две секунды), что составляет примерно один метр (39 дюймов) в длину от точки поворота до центра. боб. Каминные часы часто имеют полсекундный маятник, длина которого составляет примерно 25 сантиметров (9,8 дюйма). Лишь в нескольких башенных часах используются более длинные маятники, 1,5-секундный маятник длиной 2,25 м (7,4 фута) или иногда двухсекундный маятник длиной 4 м (13 футов), который используется в Биг-Бен.

Маятник колеблется с периодом, который зависит от квадратного корня из его эффективной длины. Для небольших колебаний период T , время одного полного цикла (двух колебаний), равен

где L - длина маятника, а g - местное ускорение свободного падения . Все маятниковые часы имеют средства регулировки хода. Обычно это регулировочная гайка (c) под маятниковым бобом, которая перемещает боб вверх или вниз на штанге. Перемещение качающейся 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, не останавливая часы.

Период маятника немного увеличивается с шириной (амплитудой) его качания. Скорость увеличивается с амплитудой ошибок, поэтому , когда ограничена небольшими колебаниями нескольких градусов маятник почти изохронный ; его период не зависит от изменения амплитуды. Поэтому качание маятника в часах ограничено от 2 ° до 4 °.

Температурная компенсация

Главный источник ошибок в маятниковых часах - 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 стержни маятника, чтобы уменьшить эту ошибку, поскольку дерево расширяется меньше, чем металл.

Первым маятником, исправившим эту ошибку, был ртутный маятник, изобретенный Грэмом в 1721 году, который использовался в часах с точным регулятором в 20 веке. У них был боб, состоящий из контейнера с жидкой металлической ртутью . 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 решетчатый маятник, изобретенный Джоном Харрисоном около 1726 года. Он состоял из «сетки» из параллельных стержней из металла с высоким тепловым расширением, такого как цинк или латунь, и металла с низким тепловым расширением, такого как сталь . 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» сетки, 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 сплав никелевой стали, инвар или плавленый кварц , которые требовали очень небольшой компенсации влияния температуры.

Атмосферное сопротивление

Вязкость воздуха, в котором движется маятник, зависит от атмосферного давления, влажности и температуры. Это сопротивление также требует мощности, которую в противном случае можно было бы использовать для увеличения времени между обмотками. Традиционно маятник изготавливается с узкой обтекаемой формой линзы для уменьшения сопротивления воздуха, на которое большая часть движущей силы уходит в качественные часы. В конце 19-го и начале 20-го века маятники для часов точного регулятора 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 могла производиться небольшими изменениями внутреннего давления в герметичном корпусе.

Прокачка и "бить"

Чтобы время было точным, маятниковые часы должны быть абсолютно выровнены. 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 быть с точно равными интервалами, чтобы издавать звук «тик ... тик ... тик ... тик»; если это не так и звучит "тик-так ... тик-так ...", часы не в ритме, и их нужно выровнять. Эта проблема может легко привести к прекращению работы часов и является одной из наиболее частых причин обращения в службу поддержки. Уровень духа или часы машина времени может достичь более высокой точности , чем полагаться на звуке в такте; 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 «саморегулирующиеся устройства регулировки ритма», и они не нуждаются в этой настройке.

Местная гравитация

Маятниковые часы Ансония. C.1904, SANTIAGO, подвесные дубовые пряничные часы, восьмидневное время и удар.

Поскольку скорость маятника будет увеличиваться с увеличением силы тяжести, а местная сила тяжести изменяется 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. С самыми точными маятниковыми часами даже перемещение часов на вершину высокого здания приведет к потере измеримого времени из-за меньшей силы тяжести.

Торсионный маятник

Также называемый 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 торсионных маятниковых часах . Вращение массы заводит и раскручивает пружину подвески, при этом импульс энергии прикладывается к ее вершине. Основное преимущество маятника этого типа - низкое энергопотребление; с периодом 12-15 секунд, по сравнению с периодом маятника качания силы тяжести в 0,5-2 секунды, можно изготавливать часы, которые нужно заводить только каждые 30 дней, или даже только один раз в год или чаще. Поскольку восстанавливающая сила обеспечивается эластичностью пружины, которая изменяется в зависимости от температуры, она больше подвержена влиянию температурных изменений, чем маятник, вращающийся под действием силы тяжести. В наиболее точных торсионных часах используется пружина elinvar, которая имеет низкий температурный коэффициент упругости.

Торсионные маятниковые часы, требующие только ежегодного завода, иногда называют « часами на 400 дней» или « юбилейными часами », иногда дарят в качестве свадебного подарка. Торсионные маятники также используются в «вечных» часах, которые не нуждаются в подзаводе, так как их главная пружина удерживается намотке за счет изменений температуры и давления окружающей среды с помощью сильфона. В часах Atmos , например, используется торсионный маятник с длительным периодом колебаний 60 секунд.

Спусковой механизм

Анимация якорного спуска , одного из наиболее распространенных спусков, используемых в маятниковых часах.

Спуск - это механическая связь, которая преобразует силу от зубчатой передачи часов 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 спусковым колесом, которое вращается колесной цепью часов, и поверхностей, с которыми сталкиваются зубья, называемые поддонами . 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 освобождает зуб спускового колеса. Колесо поворачивается вперед на фиксированную величину, пока зуб не зацепится за другой поддон. Эти релизы 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 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. Якорный спуск (см. Анимацию) был стандартным спусковым механизмом, который использовался до 1800-х годов, когда его улучшенная версия, бесступенчатый спуск, взяла верх в точных часах. Сегодня он используется почти во всех маятниковых часах. Remontoire , небольшой пружинный механизм перемотать с интервалом , который служит для изоляции анкерного от различной силы колеса поезда, был использован в нескольких точных часах. В башенных часах 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 использовался в башенных часах.

К концу 19 века специальные спусковые механизмы использовались в самых точных часах, называемых астрономическими регуляторами , которые использовались в военно-морских обсерваториях и для научных исследований. Спусковой механизм Riefler, используемый в часах регулятора Clemens-Riefler, имел точность до 10 миллисекунд в день. Были разработаны электромагнитные спусковые механизмы, которые использовали переключатель или фототрубку для включения соленоидного электромагнита, чтобы дать маятнику импульс, не требуя механической связи. Самыми точными маятниковыми часами были часы Shortt-Synchronome, сложные электромеханические часы с двумя маятниками, разработанные в 1923 году У. Шорттом и Фрэнком Хоуп-Джонсом , 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 на короткое время стал высшим стандартом для хронометража в обсерваториях, прежде чем кварцевые часы вытеснили маятниковые часы в качестве эталонов точного времени.

Индикация времени

Система индикации почти всегда представляет собой традиционный циферблат с движущимися часовыми и минутными стрелками. У многих часов есть небольшая третья стрелка, указывающая секунды на вспомогательном циферблате. Маятниковые часы обычно устанавливают, открывая стеклянную крышку и вручную перемещая минутную стрелку на циферблате, чтобы установить правильное время. Минутная стрелка установлена ​​на скользящей фрикционной втулке, которая позволяет поворачивать ее на оправке. Часовая стрелка приводится в движение не от колесной пары, а от вала минутной стрелки через небольшой набор шестерен, поэтому вращение минутной стрелки вручную также устанавливает часовую стрелку.

Стили

Годовые немецкие часы-регуляторы. Около 1850 г.

Маятниковые часы были больше, чем просто утилитарные хронометры; они были символами статуса, которые выражали богатство и культуру их владельцев. Они развивались в нескольких традиционных стилях, характерных для разных стран и времен, а также для их предполагаемого использования. Стили корпусов в некоторой степени отражают популярные в то время стили мебели. Эксперты часто могут определить, когда старинные часы были изготовлены в течение нескольких десятилетий, по тонким различиям в их корпусах и циферблатах. Вот некоторые из различных стилей маятниковых часов:

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки