Periodu kyvadla určuje pouze jedna proměnná. Délka.
To je vše. Hmotnost, materiál, počáteční úhel vychýlení – nic z toho neovlivňuje plynutí času. To lze zkontrolovat za deset minut pomocí předmětů, které lze nalézt v každé domácnosti.
Vezměte náklad. Postačí hrnek na kávu nebo tlustá kniha. Přivažte k němu provaz. Zavěste závaží přes okraj stolu. Nastavte délku nitě na přibližně dvě stopy.
Zatáhněte náklad o jednu nohu dozadu. Nechte ho jít. Změřte 60 sekund. Spočítejte počet houpaček.
Zastavte kyvadlo. Spusťte jej znovu. Tentokrát jej vytáhněte zpět jen o šest palců. Oblouk bude menší.
Znovu měřte 60 sekund. Počítejte znovu. Číslo bude stejné. Úhel dovolené nemění období. Důležitá je pouze délka vlákna.
Měňte délku, dokud nedosáhnete přesně 60 švihů za minutu. Získáte sekundové kyvadlo.
Tato stabilita umožnila přesné měření času. Když byli inženýři přesvědčeni, že fyzikální zákony fungují, začali na tomto základě stavět hodiny. Zdvih kotvy je mechanismus, který převádí tyto rovnoměrné švihy na pohyb.
Vedle kyvadla je umístěno ozubené kolo se speciálně tvarovanými zuby. Zařízení připojené ke kyvadlu zabírá s těmito zuby. Každé kývání dopředu a dozadu umožňuje odpojení jednoho zubu.
Převodovka se otáčí. Šipky postupují. Čas je pevně daný.
Pokud potřebujete přesný výpočet období, najděte si standardní vzorec. Zahrnuje gravitační zrychlení a délku. Ale pro hodinky samotné? Délka je klíčová.
Podívejte se, jak se kyvadlo houpe doleva. Protíná středový bod. Levý doraz uvolní zub. Převodovka se posune dopředu. Přesně půl zubu. Narazí na správnou zarážku.
Teak.
Je to srdce mechanického měření času. Kotevní ozubené kolo vytváří hluk, protože fyzicky spolupracuje se zarážkou. Tento mechanismus dělá víc než jen zvuk. Řídí uvolňování energie.
Ukotvete a zatlačte
Kyvadla se nehoupou věčně. Dochází k tření. Existuje odpor vzduchu. Gravitace nakonec zvítězí, pokud nezasáhnete.
Sekundárním úkolem kotevního mechanismu je tlačení kyvadla. Dává mu tolik energie, aby ho udrželo napumpované. Už ne. Nic méně. Nadměrná energie narušuje přesnost pohybu. Nedostatek energie zastaví hodiny.
Zde se objeví kotva. Kotva je součást připevněná ke kyvadlu. Spolupracuje s převodem kotevního mechanismu. Zuby na ozubeném kole nejsou standardní. Mají zvláštní tvar. Tento tvar umožňuje správnému „uvolnění“ ozubeného kola.
Když se kyvadlo houpe, kotva jej tlačí. Tento tlak je zrychlení. Překonává tření. Hodiny stále tikají.
Problém s přímým pohonem
Představte si, že vytváříte 60zubý kotevní mechanismus. Připevníte jej přímo na zátěžový buben. Používáte kyvadlo s periodou jedné sekundy.
Nyní máte hodinky. Vteřinová ručička udělá jednu otáčku za minutu. Pokud budete nastavovat délku kyvadla s extrémní opatrností, přesnost bude vysoká.
Vysoká přesnost je k ničemu, pokud jsou hodinky nepraktické. Tento design má dvě fatální chyby.
- Žádná hodinová ani minutová ručička. Máte pouze vteřinovou ručičku.
- Nepřetržité navíjení. Buben udělá každou minutu jednu otáčku. Náklad klesne na podlahu za 20 minut.
Natáhnete si hodinky každých 20 minut? Většina lidí by to neudělala. To je nepříjemnost. Narušuje tok každodenního života.
Záhada továrny
Co je tedy potřeba k vyřešení počátečního problému?
Odpověď vyžaduje změnu převodového poměru. Chcete, aby se zátěžový buben otáčel pomaleji. Chcete, aby se vteřinová ručička stále pohybovala jednou otáčkou za minutu. To vyžaduje řadu vložených ozubených kol. Tyto převody násobí počet otáček.
Energie z nákladu musí projít těmito ozubenými koly, než dosáhne kotevního mechanismu. Tím se zpomalí sestup nákladu. To zvyšuje rezervu chodu z 20 minut na dny nebo týdny.
Má to ale háček. Přidáním převodů dochází ke tření. Zavádí chybu. Systém se stává složitějším. Více dílů znamená více bodů selhání.
Úkolem inženýra je vyvážit účinnost a životnost. Nemůžete jen přidat rychlostní stupně. Musíte je správně přidat. Další krok zahrnuje ozubení a způsob přenosu točivého momentu na kotevní mechanismus. Bez správného poměru hodiny buď rychle ztrácejí energii, nebo jsou příliš slabé na to, aby pohnuly ručičkami.
Řešení spočívá ve vztahu mezi navíjecím barelem a únikovým kolem.
