Часовникът на махалото

Виждаме го и в антикварни магазини, музеи или, стилизирани, но сякаш без оригиналния чар, сред съвременните часовници, координирани от кварцов кристал, от витрини. Искате ли да разберете историята на часовника с махалото? Потопете се в четене, като прочетете тази статия.

Въпреки че през 21-ви век изкуството на интериорната декорация вече не отдава значение на махалото, какъв по-прост начин за пресъздаване на атмосферата от минали векове в един дом, отколкото чрез инсталиране на такъв часовник? В допълнение към своята чисто декоративна роля, тези инструменти винаги ще носят със себе си белега на изключителната изобретателност на онези, които са си ги представяли и усъвършенствали с течение на времето. Разберете как е възникнал махало часовник и как работи.

Кратка история

През 1656 г. Кристиан Хюйгенс, холандски учен, построява първия махален часовник, използвайки махален механизъм с постоянен и самоподдържащ се период на трептене. Концепцията за махало часовника обаче се приписва на Галилео Галилей, който изучава движението на махалото от 1582 г. Той дори нарисува скица на махало часовник (Wikimedia.org), която не успява да построи. приживе. Първите часовници, построени от Хюйгенс, имаха грешка от около минута на ден, изключително представяне за онези времена. Последващите подобрения на Huygens са намалили грешките до по-малко от 10 секунди на ден.

Махалото като осцилатор. Какво означава трептящо движение и как се поддържа ?

Махалото на часовника е един от най-често срещаните и често срещани осцилатори, представяни някога. Ако към махалото се приложи първоначален импулс, той ще трепне с една и съща честота (т.е. ще извърши движението „дойди и отиди“ определен брой пъти в определен интервал от време), независимо от амплитудата на първоначално отпечатаното движение на трептенето., (всеки може да провери горното, като построи махало, както е показано на диаграмата по-долу, и преброи пълните удари, направени от махалото за персийски амплитуди на трептене). Дължината на махалото е основната променлива, с която може да се контролира честотата на трептене. Изчислено е, че за относително малки амплитуди периодът на трептене може да бъде апроксимиран по формулата

където T е периодът на трептене, l-дължината на махалото и g-гравитационната константа. Така че, използвайки тази формула за изчисление, можем да проектираме махало с период на трептене 1 секунда или 2 секунди.

За да накарате даден обект да трепне, е необходимо определено количество енергия да преминава многократно от една форма в друга. В случая на махалото енергията се трансформира трайно от потенциална енергия (в краищата на удара) в кинетична енергия (в средата на цикъла на движение). Повтарящата се и непрекъсната трансформация между тези две форми на енергия генерира трептене. Проблемът е, че всеки механичен генератор постепенно губи енергия поради триене с въздуха, което в крайна сметка го спира. Трябва да се намери начин за поддържане на трептящото движение, като се добави към всеки цикъл на движение малко количество енергия към енергията на движение на махалото. Механизмът, представен от дизайнерите на махални часовници, дава малко допълнителен тласък на махалото с всеки „удар“, за да компенсира загубите, причинени от триенето.

Компонентните части на махало часовник

Гледан отвън, махаловият часовник се състои от:

Предната част, с тези, указващи часовете и минутите;
Едно или повече тежести;
махало.

зъбен механизъм, който задвижва стрелките на часовника;
т. нар. котва, ролята на която ще детайлизираме малко по-късно.

Нека да видим как тези компоненти си взаимодействат, за да могат точно да измерват и посочват времето.

Механизъм на работа

Теглото или тежестите, ако има такива, са енергийният резервоар на часовника, което улеснява работата му за по-дълъг период от време, без човешка намеса. "Завоят" на махало часовник премества тежестите на по-висока височина, като по този начин им дава по-голяма потенциална енергия поради гравитационното поле на Земята. С падането на тежестта тази потенциална енергия се използва от часовниковите механизми за поддържане на трептящото движение на махалото, както ще се види по-долу.

Ако си представим един много елементарен модел на часовник, пуснат в движение с тежест, той ще изглежда като този по-долу. Бихме прикрепили тежестта към барабан, към който щяхме да монтираме игла (език), с която да се стремим да посочим секундите. Разбира се, чрез освобождаване на тежестта периодът на въртене на барабана би бил твърде кратък, за да постигнем целта си, но бихме могли да продължим упражнението на въображението, представяйки мислено устройство, което засилва триенето между барабана и струната, за да забави въртенето. Но все пак ще останем в неприятелския свят на производителите на часовници за сближаване. И това е така, защото триенето варира в зависимост от температурата и влажността в атмосферата. Необходима беше фиксирана забележителност и тук се намеси холандският астроном Кристиан Хюйгенс и предложи използването на махалото.

Както казах преди, периодът на трептене на махалото зависи само от гравитационната константа и дължината на махалото. Експериментално може да се наблюдава какво се появява според математическите изчисления, а именно, че приложените тегла и амплитудата на отпечатаното трептящо движение не влияят на периода на трептене. По този начин Хюйгенс бе намерил постоянна препратка, към която той можеше да измерва времето много точно. Следващият скок беше представен чрез представянето на механизма, чрез който да се претегли тежестта, като се използват свойствата на махалото, като същевременно се запази неговото трептене.

Целта беше да се прехвърли на махало енергията, освободена от падането на тялото, на малки „части“ и в благоприятни моменти, за да се запазят неговите трептения. Поддържането на трептенията се извършва автоматично, тъй като самото махало контролира преноса на енергия, отделена от падането на тялото. (Ето защо махаловият часовник се използва във физиката като пример за самоносещ механичен осцилатор). Самоподдържането на трептенията беше възможно чрез много гениален механизъм, представен схематично с помощта на изображението по-горе, което се състои от:

зъбно колело, сменете барабана в предишната схема (1)
все още (2)
анкерни издатини (3)

И така, стигнахме до точка, в която можем да използваме махало с периода на трептене (времето, изминало, докато махалото се върне там, където е спряло, така че интервалът, в който завършва цикъл „върви, ела“) от 2 секунди (което бие втората) за задвижване на предавка, която движи втората стрелка на часовника. Ще трябва да използваме зъбно колело със 120 зъба, за да работи правилно вторичното. Проблемът, с който ще се сблъскаме по-нататък, ще бъде, че тежестта ще падне твърде бързо на земята, поради което трябва да си представим предавка, която да забави движението на тежестта. Това е изключително лесно чрез последователно закрепване на няколко зъбни колела с различни размери. Използвайки такива зъбни колела, можем да регулираме периода на въртене на различните компоненти на зъбното колело, така че да имаме колела, чиито периоди на въртене съответстват съответно на минутата и часа. Тези колела ще настроят съответно таймера и часовника. Също така трябва да се добави, че за да се побере часовника, една от предавките трябва да може временно да се отстрани от предавката (точно какво се случва, когато поставим ръчен часовник). Подобно нещо се случва при настройване на махало часовник.

И накрая, като кратко обобщение, припомням основните компоненти на махало часовника:

теглото;
предавка и зъбни колела, които регулират загубата на тегло;
предавката и зъбните колела, които контролират движението на стрелките на часовника;
котва;
механизмът за регулиране на часовника, който включва временно деактивиране на предавката, която контролира езиците, позволявайки тяхното движение без задвижване на всички предавки.