Період маятника визначається лише однією змінною. Довжиною.
Ось і все. Маса, матеріал, початковий кут відхилення – ніщо з цього не впливає на перебіг часу. Це можна перевірити за десять хвилин за допомогою предметів, які знайдуться у кожному будинку.
Візьміть вантаж. Підійде кавовий кухоль або товста книга. Прив’яжіть до нього мотузку. Підвісьте вантаж над краєм столу. Встановіть довжину нитки приблизно два фути.
Відведіть вантаж на один фут. Відпустіть його. Відміряйте 60 секунд. Порахуйте кількість коливань.
Зупиніть маятник. Запустіть його знову. На цей раз відведіть його назад лише на шість дюймів. Дуга буде меншою.
Знову відміряйте 60 секунд. Знову порахуйте. Число буде таким самим. Кут відпустки не змінює період. Тільки довжина нитки має значення.
Змініть довжину, поки не отримаєте рівно 60 хитань за хвилину. У вас вийде секундний маятник.
Ця стабільність уможливила точний відлік часу. Коли інженери переконалися, що фізичні закони працюють, вони почали будувати годинник на цій основі. Анкерний хід — це механізм, який перетворює ці рівномірні хитання в рух.
Шестерня з specially shaped зубами знаходиться поряд з маятником. Пристрій, прикріплений до маятника, зачіплює ці зуби. Кожне хитання вперед-назад дозволяє одному зубу вийти із зачеплення.
Шестерня повертається. Стрілки просуваються. Час фіксується.
Якщо вам потрібний точний розрахунок періоду, знайдіть стандартну формулу. Вона включає прискорення вільного падіння та довжину. Але для самого годинника? Довжина – це головне.
Подивіться, як маятник гойдається вліво. Він перетинає центральну точку. Лівий наголос звільняє зубець. Шестерня зміщується вперед. Рівно на повзубі. Вона вдаряється об правий упор.
Тік.
Це серцебиття механічного хронометражу. Шестірня анкерного механізму видає звук, тому що фізично взаємодіє з упором. Цей механізм робить не лише звук. Він контролює вивільнення енергії.
Якір і поштовх
Маятники не гойдаються вічно. Існує тертя. Існує опір повітря. Гравітація зрештою перемагає, якщо ви не втручаєтесь.
Друга задача анкерного механізму – штовхати маятник. Він дає йому стільки енергії, щоб він продовжував гойдатися. Чи не більше. Чи не менше. Надлишок енергії порушує точність ходу. Нестача енергії зупиняє годинник.
Тут з’являється “якір”. Якір – це компонент, прикріплений до маятника. Він взаємодіє із шестернею анкерного механізму. Зуби на шестірні не є стандартними. Вони мають спеціальну форму. Ця форма дозволяє шестірні правильно «вивільнятися».
Коли маятник гойдається, якір штовхає його. Цей поштовх це прискорення. Він долає тертя. Годинник продовжує йти.
Проблема прямого приводу
Уявіть, що ви створюєте анкерний механізм із 60 зубами. Ви прямо прикріплюєте його до барабана вантажу. Ви використовуєте маятник із періодом в одну секунду.
У вас тепер є годинник. Секундна стрілка здійснює один оберт за хвилину. Якщо ви дуже ретельно відрегулюєте довжину маятника, точність буде високою.
Висока точність марна, якщо годинник непрактичний. Цей дизайн має два фатальні недоліки.
- Нет годинникової або хвилинної стрілок. У вас є лише секундна стрілка.
- Постійна заводка. Барабан здійснює один оборот щохвилини. Вантаж опускається на підлогу за 20 хвилин.
Чи заводитимете ви годинник кожні 20 хвилин? Більшість людей не стали б цього робити. Це незручність. Воно порушує перебіг повсякденного життя.
Загадка заводки
Отже, що потрібно вирішити проблеми заводки?
Відповідь потребує зміни передавального числа. Вам потрібно, щоб барабан вантажу обертався повільніше. Вам потрібно, щоб секундна стрілка, як і раніше, рухалася з частотою один оберт за хвилину. Для цього потрібен ряд проміжних шестерень. Ці шестерні множать кількість обертів.
Енергія від вантажу має пройти через ці шестерні, перш ніж досягне анкерного механізму. Це сповільнює опускання вантажу. Це збільшує запас ходу з 20 хвилин до днів чи тижнів.
Але є каверза. Додавання шестерень вносить тертя. Воно робить помилку. Система стає складнішою. Більше деталей означає більше точок відмови.
Завдання інженера – збалансувати ефективність та довговічність. Ви не можете просто додавати шестірні. Ви повинні додавати їх правильно. Наступний крок включає передачу шестерень і те, як вона передає крутний момент на анкерний механізм. Без правильного співвідношення годинник або швидко втрачає енергію, або працює занадто слабо, щоб наводити стрілки.
Рішення криється у взаємозв’язку між барабаном заводного механізму та анкерним колесом.
