Период маятника определяется только одной переменной. Длиной.
Вот и всё. Масса, материал, начальный угол отклонения — ничто из этого не влияет на ход времени. Это можно проверить за десять минут с помощью предметов, которые найдутся в каждом доме.
Возьмите груз. Подойдёт кофейная кружка или толстая книга. Привяжите к нему верёвку. Подвесьте груз над краем стола. Установите длину нити примерно в два фута.
Отведите груз назад на один фут. Отпустите его. Отмерьте 60 секунд. Посчитайте количество качаний.
Остановите маятник. Запустите его снова. На этот раз отведите его назад только на шесть дюймов. Дуга будет меньше.
Снова отмерьте 60 секунд. Снова посчитайте. Число будет таким же. Угол отпуска не изменяет период. Только длина нити имеет значение.
Измените длину, пока не получите ровно 60 качаний в минуту. У вас получится секундный маятник.
Эта стабильность сделала возможным точное отсчёт времени. Когда инженеры убедились, что физические законы работают, они начали строить часы на этой основе. Анкерный ход — это механизм, который преобразует эти равномерные качания в движение.
Шестерня с specially shaped зубьями находится рядом с маятником. Устройство, attached к маятнику, зацепляет эти зубья. Каждое качание вперёд-назад позволяет одному зубу выйти из зацепления.
Шестерня поворачивается. Стрелки продвигаются. Время фиксируется.
Если вам нужен точный расчёт периода, найдите стандартную формулу. Она включает ускорение свободного падения и длину. Но для самих часов? Длина — это главное.
Посмотрите, как маятник качается влево. Он пересекает центральную точку. Левый упор освобождает зубец. Шестерня смещается вперед. Ровно на ползуба. Она ударяется о правый упор.
Тик.
Это сердцебиение механического хронометража. Шестерня анкерного механизма издаёт звук, потому что физически взаимодействует с упором. Этот механизм делает не только звук. Он контролирует высвобождение энергии.
Якорь и толчок
Маятники не качаются вечно. Существует трение. Существует сопротивление воздуха. Гравитация в конечном итоге побеждает, если вы не вмешиваетесь.
Второстепенная задача анкерного механизма — толкать маятник. Он даёт ему ровно столько энергии, чтобы он продолжал качаться. Не больше. Не меньше. Избыток энергии нарушает точность хода. Недостаток энергии останавливает часы.
Здесь появляется якорь. Якорь — это компонент, прикрепленный к маятнику. Он взаимодействует с шестерней анкерного механизма. Зубья на шестерне не являются стандартными. Они имеют специальную форму. Эта форма позволяет шестерне правильно «высвобождаться».
Когда маятник качается, якорь толкает его. Этот толчок — это ускорение. Он преодолевает трение. Часы продолжают идти.
Проблема прямого привода
Представьте, что вы создаёте анкерный механизм с 60 зубьями. Вы напрямую прикрепляете его к барабану груза. Вы используете маятник с периодом в одну секунду.
У вас теперь есть часы. Секундная стрелка совершает один оборот в минуту. Если вы с крайней тщательностью отрегулируете длину маятника, точность будет высокой.
Высокая точность бесполезна, если часы непрактичны. Этот дизайн имеет два фатальных недостатка.
- Нет часовой или минутной стрелок. У вас есть только секундная стрелка.
- Постоянная заводка. Барабан совершает один оборот каждую минуту. Груз опускается на пол за 20 минут.
Будете ли вы заводить часы каждые 20 минут? Большинство людей не стали бы этого делать. Это неудобство. Оно нарушает течение повседневной жизни.
Загадка заводки
Итак, что требуется для решения проблемы заводки?
Ответ требует изменения передаточного числа. Вам нужно, чтобы барабан груза вращался медленнее. Вам нужно, чтобы секундная стрелка по-прежнему двигалась с частотой один оборот в минуту. Для этого требуется ряд промежуточных шестерён. Эти шестерни умножают количество оборотов.
Энергия от груза должна пройти через эти шестерни, прежде чем достигнет анкерного механизма. Это замедляет опускание груза. Это увеличивает запас хода с 20 минут до дней или недель.
Но есть подвох. Добавление шестерён вносит трение. Оно вносит ошибку. Система становится более сложной. Больше деталей означает больше точек отказа.
Задача инженера — сбалансировать эффективность и долговечность. Вы не можете просто добавлять шестерни. Вы должны добавлять их правильно. Следующий шаг включает в себя передачу шестерён и то, как она передаёт крутящий момент на анкерный механизм. Без правильного соотношения часы либо быстро теряют энергию, либо работают слишком слабо, чтобы приводить стрелки.
Решение кроется во взаимосвязи между барабаном заводного механизма и анкерным колесом.
