Okres wahadła jest określony tylko przez jedną zmienną. Długość.
To wszystko. Masa, materiał, początkowy kąt odchylenia – nic z tego nie wpływa na upływ czasu. Można to sprawdzić w dziesięć minut, korzystając z przedmiotów, które można znaleźć w każdym domu.
Weź ładunek. Wystarczy kubek do kawy lub gruba książka. Przywiąż do niego linę. Zawieś ciężar nad krawędzią stołu. Ustaw długość nici na około dwie stopy.
Pociągnij ładunek do tyłu o jedną stopę. Pozwól mu odejść. Odmierz 60 sekund. Policz liczbę zamachów.
Zatrzymaj wahadło. Uruchom go ponownie. Tym razem odciągnij go tylko o sześć cali. Łuk będzie mniejszy.
Ponownie odmierz 60 sekund. Policz ponownie. Numer będzie taki sam. Kąt urlopowy nie zmienia okresu. Liczy się tylko długość nici.
Zmieniaj długość, aż uzyskasz dokładnie 60 wahań na minutę. Otrzymasz wahadło sekundowe.
Ta stabilność umożliwiła dokładny pomiar czasu. Kiedy inżynierowie przekonali się, że prawa fizyczne działają, zaczęli na tej podstawie budować zegary. Skok kotwicy to mechanizm, który przekształca te równomierne wahania w ruch.
Obok wahadła znajduje się przekładnia ze specjalnie ukształtowanymi zębami. Urządzenie przymocowane do wahadła współpracuje z tymi zębami. Każde poruszenie w przód i w tył pozwala na wysunięcie jednego zęba.
Przekładnia się obraca. Strzałki posuwają się naprzód. Czas jest ustalony.
Jeśli potrzebujesz dokładnego obliczenia okresu, znajdź standardową formułę. Obejmuje przyspieszenie grawitacyjne i długość. Ale dla samego zegarka? Długość jest kluczowa.
Zobacz, jak wahadło wychyla się w lewo. Przecina punkt środkowy. Lewy ogranicznik zwalnia ząb. Przekładnia rusza do przodu. Dokładnie pół zęba. Natrafia na właściwy przystanek.
Tek.
To serce mechanicznego pomiaru czasu. Przekładnia kotwiczna hałasuje, ponieważ fizycznie oddziałuje z ogranicznikiem. Ten mechanizm robi więcej niż tylko dźwięk. Kontroluje uwalnianie energii.
Zakotwicz i pchnij
Wahadła nie będą się kołysać wiecznie. Występuje tarcie. Występuje opór powietrza. Grawitacja w końcu zwycięży, jeśli się nie wtrącisz.
Drugorzędnym zadaniem mechanizmu kotwiczącego jest pchanie wahadła. Daje mu tyle energii, że może pompować. Więcej nie. Nie mniej. Nadmiar energii zakłóca dokładność ruchu. Brak energii zatrzymuje zegar.
W tym miejscu pojawia się kotwica. Twornik to element przymocowany do wahadła. Współpracuje z przekładnią mechanizmu kotwiącego. Zęby na przekładni nie są standardowe. Mają specjalny kształt. Kształt ten pozwala na prawidłowe „odpięcie” zębatki.
Kiedy wahadło się kołysze, kotwica je popycha. To pchnięcie jest przyspieszeniem. Pokonuje tarcie. Zegar tyka.
Problem z napędem bezpośrednim
Wyobraź sobie, że tworzysz mechanizm kotwiący z 60 zębami. Mocujesz go bezpośrednio do bębna obciążającego. Używasz wahadła z okresem jednej sekundy.
Masz teraz zegarek. Wskazówka sekundowa wykonuje jeden obrót na minutę. Jeśli długość wahadła zostanie dostosowana ze szczególną ostrożnością, dokładność będzie wysoka.
Wysoka dokładność na nic się nie przyda, jeśli zegarek jest niepraktyczny. Ten projekt ma dwie fatalne wady.
- Brak wskazówek godzinowych i minutowych. Masz tylko wskazówkę sekundową.
- Ciągłe nawijanie. Bęben wykonuje jeden obrót na minutę. Ładunek spada na podłogę w ciągu 20 minut.
Czy będziesz nakręcał zegarek co 20 minut? Większość ludzi by tego nie zrobiła. Jest to niedogodność. Zakłóca tok codziennego życia.
Tajemnica fabryki
Co zatem jest potrzebne do rozwiązania problemu początkowego?
Odpowiedź wymaga zmiany przełożenia. Chcesz, aby bęben obciążników obracał się wolniej. Chcesz, aby wskazówka sekundowa nadal poruszała się z prędkością jednego obrotu na minutę. Wymaga to szeregu kół zębatych napinających. Te koła zębate zwielokrotniają liczbę obrotów.
Energia z ładunku musi przejść przez te koła zębate, zanim dotrze do mechanizmu kotwiącego. Spowalnia to opadanie ładunku. Zwiększa to rezerwę chodu z 20 minut do dni lub tygodni.
Ale jest pewien haczyk. Dodanie biegów powoduje tarcie. Wprowadza błąd. System staje się bardziej złożony. Więcej części oznacza więcej punktów awarii.
Zadaniem inżyniera jest zrównoważenie wydajności i trwałości. Nie można po prostu dodać biegów. Musisz je dodać poprawnie. Następny krok obejmuje przekładnię i sposób przenoszenia momentu obrotowego na mechanizm kotwiący. Bez prawidłowego współczynnika zegar albo szybko traci energię, albo jest zbyt słaby, aby poruszać wskazówkami.
Rozwiązanie leży w powiązaniu lufy nawojowej z kołem wychwytowym.
