Принцип работы маятника часов

A pendulum clock is a clock that uses a pendulum, a swinging weight, as its timekeeping element. The advantage of a pendulum for timekeeping is that it is an approximate harmonic oscillator: It swings back and forth in a precise time interval dependent on its length, and resists swinging at other rates. From its invention in 1656 by Christiaan Huygens, inspired by Galileo Galilei, until the 1930s, the pendulum clock was the world’s most precise timekeeper, accounting for its widespread use.^[1][2] Throughout the 18th and 19th centuries, pendulum clocks in homes, factories, offices, and railroad stations served as primary time standards for scheduling daily life, work shifts, and public transportation. Their greater accuracy allowed for the faster pace of life which was necessary for the Industrial Revolution. The home pendulum clock was replaced by less-expensive, synchronous, electric clocks in the 1930s and ’40s. Pendulum clocks are now kept mostly for their decorative and antique value.

Pendulum clocks must be stationary to operate. Any motion or accelerations will affect the motion of the pendulum, causing inaccuracies, so other mechanisms must be used in portable timepieces.

History[edit]

The pendulum clock was invented on 25 December 1656 by Dutch scientist and inventor Christiaan Huygens, and patented the following year. He described it in his manuscript Horologium published in 1658.^[3] Huygens contracted the construction of his clock designs to clockmaker Salomon Coster, who actually built the clock. Huygens was inspired by investigations of pendulums by Galileo Galilei beginning around 1602. Galileo discovered the key property that makes pendulums useful timekeepers: isochronism, which means that the period of swing of a pendulum is approximately the same for different sized swings.^[4][5] Galileo in 1637 described to his son a mechanism which could keep a pendulum swinging, which has been called the first pendulum clock design (picture at top). It was partly constructed by his son in 1649, but neither lived to finish it.^[3][6] The introduction of the pendulum, the first harmonic oscillator used in timekeeping, increased the accuracy of clocks enormously, from about 15 minutes per day to 15 seconds per day^[7] leading to their rapid spread as existing ‘verge and foliot’ clocks were retrofitted with pendulums. By 1659 pendulum clocks were being manufactured in France by clockmaker Nicolaus Hanet, and in England by Ahasuerus Fromanteel.^[3]

These early clocks, due to their verge escapements, had wide pendulum swings^[3] of 80–100°. In his 1673 analysis of pendulums, Horologium Oscillatorium, Huygens showed that wide swings made the pendulum inaccurate, causing its period, and thus the rate of the clock, to vary with unavoidable variations in the driving force provided by the movement.^[3] Clockmakers’ realization that only pendulums with small swings of a few degrees are isochronous motivated the invention of the anchor escapement by Robert Hooke around 1658,^[3] which reduced the pendulum’s swing to 4–6°.^[8] The anchor became the standard escapement used in pendulum clocks. In addition to increased accuracy, the anchor’s narrow pendulum swing allowed the clock’s case to accommodate longer, slower pendulums, which needed less power and caused less wear on the movement. The seconds pendulum (also called the Royal pendulum), 0.994 m (39.1 in) long, in which the time period is two seconds, became widely used in quality clocks. The long narrow clocks built around these pendulums, first made by William Clement around 1680, who also claimed invention of the anchor escapement,^[3] became known as grandfather clocks. The increased accuracy resulting from these developments caused the minute hand, previously rare, to be added to clock faces beginning around 1690.^[9][3]

The 18th and 19th century wave of horological innovation that followed the invention of the pendulum brought many improvements to pendulum clocks. The deadbeat escapement invented in 1675 by Richard Towneley and popularized by George Graham around 1715 in his precision «regulator» clocks gradually replaced the anchor escapement^[10][3] and is now used in most modern pendulum clocks. Observation that pendulum clocks slowed down in summer brought the realization that thermal expansion and contraction of the pendulum rod with changes in temperature was a source of error. This was solved by the invention of temperature-compensated pendulums; the mercury pendulum by Graham in 1721 and the gridiron pendulum by John Harrison in 1726.^[11][3] With these improvements, by the mid-18th century precision pendulum clocks achieved accuracies of a few seconds per week.

Until the 19th century, clocks were handmade by individual craftsmen and were very expensive. The rich ornamentation of pendulum clocks of this period indicates their value as status symbols of the wealthy. The clockmakers of each country and region in Europe developed their own distinctive styles. By the 19th century, factory production of clock parts gradually made pendulum clocks affordable by middle-class families.

During the Industrial Revolution, the faster pace of life and scheduling of shifts and public transportation like trains depended on the more accurate timekeeping made possible by the pendulum. Daily life was organized around the home pendulum clock. More accurate pendulum clocks, called regulators, were installed in places of business and railroad stations and used to schedule work and set other clocks. The need for extremely accurate timekeeping in celestial navigation to determine longitude on ships during long sea voyages drove the development of the most accurate pendulum clocks, called astronomical regulators. These precision instruments, installed in naval observatories and kept accurate within a second by observation of star transits overhead, were used to set marine chronometers on naval and commercial vessels. Beginning in the 19th century, astronomical regulators in naval observatories served as primary standards for national time distribution services that distributed time signals over telegraph wires.^[12] From 1909, US National Bureau of Standards (now NIST) based the US time standard on Riefler pendulum clocks, accurate to about 10 milliseconds per day. In 1929 it switched to the Shortt-Synchronome free pendulum clock before phasing in quartz standards in the 1930s.^[13]
[14] With an error of less than one second per year, the Shortt was the most accurate commercially produced pendulum clock.^{[15][16][17][18][19]}

Pendulum clocks remained the world standard for accurate timekeeping for 270 years, until the invention of the quartz clock in 1927, and were used as time standards through World War 2. The French Time Service included pendulum clocks in their ensemble of standard clocks until 1954.^[20] The home pendulum clock began to be replaced as domestic timekeeper during the 1930s and 1940s by the synchronous electric clock, which kept more accurate time because it was synchronized to the oscillation of the electric power grid. The most accurate experimental pendulum clock ever made^[21][22] may be the Littlemore Clock built by Edward T. Hall in the 1990s^[23]
(donated in 2003 to the National Watch and Clock Museum, Columbia, Pennsylvania, USA).

Mechanism[edit]

The mechanism which runs a mechanical clock is called the movement. The movements of all mechanical pendulum clocks have these five parts:^[24]

• A power source; either a weight on a cord or chain that turns a pulley or sprocket, or a mainspring
• A gear train (wheel train) that steps up the speed of the power so that the pendulum can use it. The gear ratios of the gear train also divide the rotation rate down to give wheels that rotate once every hour and once every 12 hours, to turn the hands of the clock.
• An escapement that gives the pendulum precisely timed impulses to keep it swinging, and which releases the gear train wheels to move forward a fixed amount at each swing. This is the source of the «ticking» sound of an operating pendulum clock.
• The pendulum, a weight on a rod, which is the timekeeping element of the clock
• An indicator or dial that records how often the escapement has rotated and therefore how much time has passed, usually a traditional clock face with rotating hands.

Additional functions in clocks besides basic timekeeping are called complications. More elaborate pendulum clocks may include these complications:

• Striking train: strikes a bell or gong on every hour, with the number of strikes equal to the number of the hour. Some clocks will also signal the half hour with a single strike. More elaborate types, technically called chiming clocks, strike on the quarter hours, and may play melodies or Cathedral chimes, usually Westminster quarters.
• Calendar dials: show the day, date, and sometimes month.
• Moon phase dial: Shows the phase of the moon, usually with a painted picture of the moon on a rotating disk.
• Equation of time dial: this rare complication was used in early days to set the clock by the passage of the sun overhead at noon. It displays the difference between the time indicated by the clock and the time indicated by the position of the sun, which varies by as much as ±16 minutes during the year.
• Repeater attachment: repeats the hour chimes when triggered by hand. This rare complication was used before artificial lighting to check what time it was at night.

In electromechanical pendulum clocks such as used in mechanical Master clocks the power source is replaced by an electrically powered solenoid that provides the impulses to the pendulum by magnetic force, and the escapement is replaced by a switch or photodetector that senses when the pendulum is in the right position to receive the impulse. These should not be confused with more recent quartz pendulum clocks in which an electronic quartz clock module swings a pendulum. These are not true pendulum clocks because the timekeeping is controlled by a quartz crystal in the module, and the swinging pendulum is merely a decorative simulation.

Gravity-swing pendulum[edit]

The pendulum in most clocks (see diagram) consists of a wood or metal rod (a) with a metal weight called the bob (b) on the end. The bob is traditionally lens-shaped to reduce air drag. Wooden rods were often used in quality clocks because wood had a lower coefficient of thermal expansion than metal. The rod is usually suspended from the clock frame with a short straight spring of metal ribbon (d); this avoids instabilities that were introduced by a conventional pivot. In the most accurate regulator clocks the pendulum is suspended by metal knife edges resting on flat agate (a hard mineral that will retain a highly polished surface).

The pendulum is driven by an arm hanging behind it attached to the anchor piece (h) of the escapement, called the «crutch» (e), ending in a «fork» (f) which embraces the pendulum rod. Each swing of the pendulum releases the escape wheel, and a tooth of the wheel presses against one of the pallets, exerting a brief push through the crutch and fork on the pendulum rod to keep it swinging.

Most quality clocks, including all grandfather clocks, have a «seconds pendulum», in which each swing of the pendulum takes one second (a complete cycle takes two seconds), which is approximately one metre (39 inches) long from pivot to center of bob. Mantel clocks often have a half-second pendulum, which is approximately 25 centimetres (9.8 in) long. Only a few tower clocks use longer pendulums, the 1.5 second pendulum, 2.25 m (7.4 ft) long, or occasionally the two-second pendulum, 4 m (13 ft) which is used in the Great Clock of Westminster which houses Big Ben.

The pendulum swings with a period that varies with the square root of its effective length. For small swings the period T, the time for one complete cycle (two swings), is

where L is the length of the pendulum and g is the local acceleration of gravity. All pendulum clocks have a means of adjusting the rate. This is usually an adjustment nut (c) under the pendulum bob which moves the bob up or down on its rod. Moving the bob up reduces the length of the pendulum, reducing the pendulum’s period so the clock gains time. In some pendulum clocks, fine adjustment is done with an auxiliary adjustment, which may be a small weight that is moved up or down the pendulum rod. In some master clocks and tower clocks, adjustment is accomplished by a small tray mounted on the rod where small weights are placed or removed to change the effective length, so the rate can be adjusted without stopping the clock.

The period of a pendulum increases slightly with the width (amplitude) of its swing. The rate of error increases with amplitude, so when limited to small swings of a few degrees the pendulum is nearly isochronous; its period is independent of changes in amplitude. Therefore, the swing of the pendulum in clocks is limited to 2° to 4°.

Small swing angles tend toward isochronous behavior due to the mathematical fact that the approximation sin(x) = x becomes valid as the angle approaches zero. With that substitution made, the pendulum equation becomes the equation of a harmonic oscillator, which has a fixed period in all cases. As the swing angle becomes larger, the approximation gradually fails and the period is no longer fixed.

Temperature compensation[edit]

A major source of error in pendulum clocks is thermal expansion; the pendulum rod changes in length slightly with changes in temperature, causing changes in the rate of the clock. An increase in temperature causes the rod to expand, making the pendulum longer, so its period increases and the clock loses time. Many older quality clocks used wooden pendulum rods to reduce this error, as wood expands less than metal.

The first pendulum to correct for this error was the mercury pendulum invented by Graham in 1721, which was used in precision regulator clocks into the 20th century. These had a bob consisting of a container of the liquid metal mercury. An increase in temperature would cause the pendulum rod to expand, but the mercury in the container would also expand and its level would rise slightly in the container, moving the center of gravity of the pendulum up toward the pivot. By using the correct amount of mercury, the centre of gravity of the pendulum remained at a constant height, and thus its period remained constant, despite changes in temperature.

The most widely used temperature-compensated pendulum was the gridiron pendulum invented by John Harrison around 1726. This consisted of a «grid» of parallel rods of high-thermal-expansion metal such as zinc or brass and low-thermal-expansion metal such as steel. If properly combined, the length change of the high-expansion rods compensated for the length change of the low-expansion rods, again achieving a constant period of the pendulum with temperature changes.
This type of pendulum became so associated with quality that decorative «fake» gridirons are often seen on pendulum clocks, that have no actual temperature compensation function.

Beginning around 1900, some of the highest precision scientific clocks had pendulums made of ultra-low-expansion materials such as the nickel steel alloy Invar or fused silica, which required very little compensation for the effects of temperature.

Atmospheric drag[edit]

The viscosity of the air through which the pendulum swings will vary with atmospheric pressure, humidity, and temperature. This drag also requires power that could otherwise be applied to extending the time between windings. Traditionally the pendulum bob is made with a narrow streamlined lens shape to reduce air drag, which is where most of the driving power goes in a quality clock. In the late 19th century and early 20th century, pendulums for precision regulator clocks in astronomical observatories were often operated in a chamber that had been pumped to a low pressure to reduce drag and make the pendulum’s operation even more accurate by avoiding changes in atmospheric pressure. Fine adjustment of the rate of the clock could be made by slight changes to the internal pressure in the sealed housing.

Leveling and «beat»[edit]

To keep time accurately, pendulum clocks must be level. If they are not, the pendulum swings more to one side than the other, upsetting the symmetrical operation of the escapement. This condition can often be heard audibly in the ticking sound of the clock. The ticks or «beats» should be at precisely equally spaced intervals to give a sound of, «tick…tock…tick…tock»; if they are not, and have the sound «tick-tock…tick-tock…» the clock is out of beat and needs to be leveled. This problem can easily cause the clock to stop working, and is one of the most common reasons for service calls. A spirit level or watch timing machine can achieve a higher accuracy than relying on the sound of the beat; precision regulators often have a built-in spirit level for the task. Older freestanding clocks often have feet with adjustable screws to level them, more recent ones have a leveling adjustment in the movement. Some modern pendulum clocks have ‘auto-beat’ or ‘self-regulating beat adjustment’ devices, and don’t need this adjustment.

Local gravity[edit]

Since the pendulum rate will increase with an increase in gravity, and local gravitational acceleration varies with latitude and elevation on Earth, the highest precision pendulum clocks must be readjusted to keep time after a move. For example, a pendulum clock moved from sea level to 4,000 feet (1,200 m) will lose 16 seconds per day.^[25] With the most accurate pendulum clocks, even moving the clock to the top of a tall building would cause it to lose measurable time due to lower gravity.^[26] The local gravity also varies by about 0.5% with latitude between the equator and the poles, with gravity increasing at higher latitudes due to the oblate shape of the Earth. Thus precision regulator clocks used for celestial navigation in the early 20th century had to be recalibrated when moved to a different latitude.

Torsion pendulum[edit]

Also called torsion-spring pendulum, this is a wheel-like mass (most often four spheres on cross spokes) suspended from a vertical strip (ribbon) of spring steel, used as the regulating mechanism in torsion pendulum clocks. Rotation of the mass winds and unwinds the suspension spring, with the energy impulse applied to the top of the spring. The main advantage of this type of pendulum is its low energy use; with a period of 12–15 seconds, compared to the gravity swing pendulum’s period of 0.5—2s, it is possible to make clocks that need to be wound only every 30 days, or even only once a year or more. Since the restoring force is provided by the elasticity of the spring, which varies with temperature, it is more affected by temperature changes than a gravity-swing pendulum. The most accurate torsion clocks use a spring of elinvar which has low temperature coefficient of elasticity.

A torsion pendulum clock requiring only annual winding is sometimes called a «400-Day clock» or «anniversary clock«, sometimes given as a wedding gift. Torsion pendulums are also used in «perpetual» clocks which do not need winding, as their mainspring is kept wound by changes in atmospheric temperature and pressure with a bellows arrangement. The Atmos clock, one example, uses a torsion pendulum with a long oscillation period of 60 seconds.

Escapement[edit]

The escapement is a mechanical linkage that converts the force from the clock’s wheel train into impulses that keep the pendulum swinging back and forth. It is the part that makes the «ticking» sound in a working pendulum clock. Most escapements consist of a wheel with pointed teeth called the escape wheel which is turned by the clock’s wheel train, and surfaces the teeth push against, called pallets. During most of the pendulum’s swing the wheel is prevented from turning because a tooth is resting against one of the pallets; this is called the «locked» state. Each swing of the pendulum a pallet releases a tooth of the escape wheel. The wheel rotates forward a fixed amount until a tooth catches on the other pallet. These releases allow the clock’s wheel train to advance a fixed amount with each swing, moving the hands forward at a constant rate, controlled by the pendulum.

Although the escapement is necessary, its force disturbs the natural motion of the pendulum, and in precision pendulum clocks this was often the limiting factor on the accuracy of the clock. Different escapements have been used in pendulum clocks over the years to try to solve this problem. In the 18th and 19th centuries, escapement design was at the forefront of timekeeping advances. The anchor escapement (see animation) was the standard escapement used until the 1800s when an improved version, the deadbeat escapement, took over in precision clocks. It is used in almost all pendulum clocks today. The remontoire, a small spring mechanism rewound at intervals which serves to isolate the escapement from the varying force of the wheel train, was used in a few precision clocks. In tower clocks the wheel train must turn the large hands on the clock face on the outside of the building, and the weight of these hands, varying with snow and ice buildup, put a varying load on the wheel train. Gravity escapements were used in tower clocks.

By the end of the 19th century specialized escapements were used in the most accurate clocks, called astronomical regulators, which were employed in naval observatories and for scientific research. The Riefler escapement, used in Clemens-Riefler regulator clocks was accurate to 10 milliseconds per day. Electromagnetic escapements, which used a switch or phototube to turn on a solenoid electromagnet to give the pendulum an impulse without requiring a mechanical linkage, were developed. The most accurate pendulum clock was the Shortt-Synchronome clock, a complicated electromechanical clock with two pendulums developed in 1923 by W.H. Shortt and Frank Hope-Jones, which was accurate to better than one second per year. A slave pendulum in a separate clock was linked by an electric circuit and electromagnets to a master pendulum in a vacuum tank. The slave pendulum performed the timekeeping functions, leaving the master pendulum to swing virtually undisturbed by outside influences. In the 1920s the Shortt-Synchronome briefly became the highest standard for timekeeping in observatories before quartz clocks superseded pendulum clocks as precision time standards.

Time indication[edit]

The indicating system is almost always the traditional dial with moving hour and minute hands. Many clocks have a small third hand indicating seconds on a subsidiary dial. Pendulum clocks are usually designed to be set by opening the glass face cover and manually pushing the minute hand around the dial to the correct time. The minute hand is mounted on a slipping friction sleeve which allows it to be turned on its arbor. The hour hand is driven not from the wheel train but from the minute hand’s shaft through a small set of gears, so rotating the minute hand manually also sets the hour hand.

Styles[edit]

Pendulum clocks were more than simply utilitarian timekeepers; due to their high cost they were status symbols that expressed the wealth and culture of their owners. They evolved in a number of traditional styles, specific to different countries and times as well as their intended use. Case styles somewhat reflect the furniture styles popular during the period. Experts can often pinpoint when an antique clock was made within a few decades by subtle differences in their cases and faces. These are some of the different styles of pendulum clocks:

See also[edit]

• Pendulum (mathematics)
• Pendulum
• Cycloidal pendulum
• Flying pendulum clock
• Longcase clock (grandfather clock)
• Steam clock
• Balance spring (hairspring)

References[edit]

External links[edit]

• The Invention of Clocks
• The (Not So) Simple Pendulum
• The earliest Dutch and French Pendulum clocks, 1657-1662
• Computer-Aided Design and Kinematic Simulation of Huygens’s Pendulum Clock

Давайте перенесемся на пару столетий назад – в период маятниковых часов. Только представьте: роскошная гостиная или кабинет, одну из стен которой украшают сказочно красивые маятниковые часы. Этот предмет интерьера был доступен не каждой семье – позволить себе это чудо часовой инженерии могли только богатые люди. Негромкий звук таких часов мерно разносился по кабинету, успокаивая владельца часов и напоминая о скоротечности времени.

Русская классика

Маятниковые часы были своеобразной реликвией, которую передавали по наследству и берегли, как зеницу ока. Счастливые обладатели такой конструкции постоянно заводили их, протирали с них пыль и следили за тем, чтобы они всегда показывали правильное время. Помимо эстетической функции, они еще и исполняли роль тайника – сколько секретов они хранят, не знает никто. История настенных хранителей времени насчитывает более 300 лет – они немного видоизменялись, но при этом основная функция оставалась неизменной.

В 21 веке на наших стенах красуются более дешевые и доступные модели, которые можно купить в любом магазине хозяйственных товаров. Несмотря на это, многие люди предпочитают старые добрые маятниковые настенные часы с боем – они с легкостью вписываются в любой интерьер и сразу же притягивают внимание гостей. Элегантный внешний вид, дорогие сплавы, качественные породы дерева – стоят такие часы по-прежнему недешево.

Впрочем, в продаже можно найти относительно недорогие модели: они немного меньше по размеру, металлы более простые, а корпус выполнен из дуба или осины

История создания

Те из нас, кто смотрит новости, обращали внимание на циферблат часов, которые отсчитывают секунды до начала трансляции. Их же мы видим во время новогоднего обращения президента и других важных событий. Но мало кто знает о том, что это безумно популярные в свое время астрономические часы АЧФ-3 выдающегося российского конструктора Феодосия Федченко.

Появились они случайно – изобретатель даже не надеялся на такой результат. Во время работы в Харьковской лаборатории он изучал «Трактат о часах» нидерландского механика Христиана Гюйгенса ван Зейлихема. В свое время это была одна из самых популярных книг, в которой были изложены идеи по созданию идеальных маятниковых часов. Смысл был прост – если центр тяжести часов будет описывать часть циклоида, то колебания маятника будут показывать точное время. Немного непонятно? Тогда вернемся еще немного назад – во времена Галилео Галилея.

В 1853 году этот известный ученый слушал проповедь в Пизанском соборе и наблюдал за движением люстр на потолке. По возвращении домой он соорудил установку, которая позволяла исследовать колебания маятников. В их роли выступали простые свинцовые шарики, закрепленные на тонких нитках и подвешенные на прочную проволоку. Знакомое всем устройство, не правда ли? Сейчас их называют «шары Ньютона» и используют для снятия стресса. Но мало кто знает, что сама идея была взята из записей Галилео Галилея – Ньютон только слегка улучшил ее.

Конструкция была создана, выводы о колебаниях маятника сделаны, и почти до самой смерти Галилей не вспоминал об этом изобретении. В конце жизни он решил усовершенствовать данную модель и дополнил ее счетчиком колебаний. Первые в мире маятниковые часы готовы! Гениальное изобретение, за которое в наши дни он получил бы Нобелевскую премию.

Сын Галилея создал первую модель маятниковых часов, но умер еще до того, как она получила широкое распространение. Вновь эта идея увидела свет уже спустя 100 лет – та же самая мысль пришла в голову Христиану Гюйгенсу, который довел устройство часового механизма с маятником до совершенства. Более того, именно он стал отцом такой занимательной науки, как «хронометрия». Так наступила эпоха маятниковых часов, продлившаяся более 300 лет. Да-да, первый предложил использовать маятник в часах Гюйгенс. И только потом его работу продолжили другие, не менее выдающиеся ученые.

В 1921 году английский инженер Уильям Гамильтон Шорт изобрел первые маятниковые астрономические часы, которые моментально заслужили славу «самых точных в мире». Вплоть до 50-х годов 20 века они были любимчиками военных, моряков, различной направленности обсерваторий и научных институтов по всему миру. Всего за 34 года было выпущено более 100 экземпляров – сейчас они стоят баснословных денег, а найти их можно только в музеях и некоторых коллекциях ценителей антиквариата.

Теперь можно вернуться к Федченко. Изучив трактаты Галилея, Гюйгенса и Шорта, он загорелся идеей создания изохронного маятника (прибор, который позволяет установить время с точностью до секунды). На это он потратил – только вдумайтесь в эти цифры! – 25 лет собственной жизни! Он изобрел маятниковые часы тогда, когда уже были изобретены кварцевые, молекулярные и даже атомные измерители времени. Эти часы дают погрешность в одну секунду всего раз в 15 лет!

Благодаря высокой точности моделей, их до сих пор можно встретить в телецентрах и на космодромах: это идеальный прибор, позволяющий точно знать, который сейчас час

Как работают маятниковые часы?

Изначально им дали такое название потому, что основной регулирующей силой в них служит маятник. Существует несколько разновидностей часов:

• напольные;
• настенные;
• астрономические;
• электропервичные.

Кроме того, они делятся по типу двигателя, который запускает маятник:

1. Пружинные – характерны для настольных и настенных часов.
2. Гиревые – в настенных и напольных.

Многих людей интересует принцип работы маятниковых часов. Если говорить простым языком, то происходит это так: колебания маятника приводят к тому, что кинетическая и потенциальная энергии постоянно переходят одна в другую и обратно.

Например, механизм маятниковых часов Ориент работает именно таким образом. Если рассматривать этот процесс с точки зрения физики и хронометрии, то получается такая картина.

Любой часовой механизм оснащен специальным зафиксированным при помощи троса грузом, который проходит по валику и тем самым приводит в движение колеса. Это выработка энергии. Колесики взаимодействуют с тормозным колесом и анкером, а регулировка осуществляется при помощи маятника. После того, как анкер опустил тормозную шестеренку, происходит запуск тормозного колеса. При обратном движении зазубрина на тормозном колесе надавливает на анкер и передает усилие на маятник – такой процесс происходит непрерывно. Получается, что чем чаще колеблется маятник, тем чаще двигается тормозное колесо. При этом процессе минутная стрелка проворачивается один раз в час, а минутная стрелка движется в 12 раз медленнее, чем большая.

Как видите, ничего сложного – все основано на элементарной физике, которую большинство людей проходят в средней школе.

Как выбрать маятниковые часы?

В советские времена выбор был весьма ограничен, именно поэтому в большинстве домов красовались старинные маятниковые механические часы Янтарь. Натуральное дерево, аккуратное окошечко, негромкий бой – это уникальная модель, которую могли себе позволить абсолютно все. Часы работали на самой простой батарейке, которой хватало на год. Согласитесь, это очень удобно – завел один раз и забыл про это на 365 дней.

В 21 веке нас окружает огромное количество разнообразных моделей – практически все крупные компании выпускают подобные измерители времени. Различные размеры, конструкции, материалы – выбор огромен. Давайте разберемся, на что обратить внимание при покупке идеальных маятниковых часов:

1. Размер. Если у вас небольшая квартира, стоит отдать предпочтение компактным моделям. В просторных помещениях идеально будут смотреться высокие (почти до потолка) часы со смотровым стеклом. Да, такая модель стоит недешево, но инвестиция того стоит – они будут радовать вас и ваших детей бесперебойной работой на протяжении многих десятилетий.
2. Материал. Обычно для создания используют натуральное дерево, металл или умело комбинируют эти два материала.

Делать выбор стоит исходя из ваших пожеланий, финансовых возможностей и места установки той или иной модели. Давайте разберемся, в чем преимущества модели из того или иного материала.

Настенные часы с маятником в деревянном корпусе

Деревянные часы обладают неповторимой энергетикой, создают в доме уют и комфорт. Их принято вырезать из дорогих пород дерева: дуба, ореха, вишни, красного дерева. Форма может быть любой – начиная от классической прямоугольной или квадратной, и заканчивая такими причудливыми геометрическими фигурами, как цилиндр или параллелограмм.

Большие напольные или настенные модели с маятником будут уместны в спальне, кабинете или гостиной. Для кухни больше подойдет Vostok – это русская классика. Эти компактные стильные часы выполнены в стиле 19 века: множество завитков, резные декоративные элементы, декоративные камни, качественные породы дерева.

Настенные часы из других материалов

Если деревянные модели вам не по карману, обратите внимание на эти варианты:

1. Смесь металла и дерева. Предпочитаете золотую середину? Этот вариант для вас. Обычно корпус выполнен из дерева, а декоративные элементы из металла. Они отлично впишутся в любой интерьер – эта модель и в самом деле универсальна.
2. Металлические. Эти модели больше подойдут для интерьеров в стиле лофт или хай-тек. Стальной блеск, изящные переливы – это идеальная модель для молодых людей и тех, кто привык выбирать для себя инновационные варианты дизайна помещения. Они будут отлично смотреться в прихожей или на кухне. Стоят они значительно дешевле деревянных, а срок службы примерно такой же.

Теперь вы точно знаете, как сделать правильный выбор и приобрести самые лучшие маятниковые часы для своего дома.

Как повесить правильно настенные часы?

Итак, вы пришли домой с покупкой и думаете, в каком месте она будет смотреться лучше всего. От их местоположения зависит то, насколько точно они будут идти и как долго прослужат. Есть несколько основных правил, которые стоит учесть:

1. Нельзя вешать и устанавливать возле дверей. Нарушение этого правила грозит тем, что они будут неточно показывать время.
2. Никаких перекосов. Часы должны висеть ровно.
3. Маятник задевает заднюю стенку. Ситуацию исправит спрятанный позади корпуса кусочек картона или дощечка.
4. Маятник далеко от задней стенки? Вам поможет дощечка за корпусом и крепко закрученные винты.

Как видите, это очень просто. При соблюдении всех нюансов установки, часы будут радовать вас идеальной работой и точным временем долгие годы.

Как настроить ход часов?

Часы установлены, осталось только запустить маятник в часах. Для этого совсем необязательно приглашать часовщика – вы вполне справитесь с этой задачей самостоятельно.

Осуществляется настройка маятниковых часов очень просто: ставим часовую стрелку на ближайший час, а минутную стрелку устанавливаем на цифре 12. После этого вращаем до того момента, пока они не начнут показывать точное время. Остался еще один шаг – качаем маятник. Готово – теперь вы всегда будете знать точное время!

Как вы видите, регулировка хода маятниковых часов своими руками не требует никаких специальных навыков. Немного терпения, и ваши хранители времени порадуют вас равномерным боем и знанием того, который сейчас час.

Как ухаживать за настенными часами?

Такие модели очень неприхотливы в уходе – при правильном обращении проблем с ними не будет. Давайте разберемся, от чего зависит сохранность маятниковых часов:

1. Установка. Настенные экземпляры стоит подвешивать очень аккуратно, а сам корпус при этом должен располагаться идеально ровно. Решив установить маятниковые часы в невесомости, обращайтесь с ними так же нежно, как с хрустальной вазой – фиксация должна быть очень надежной.
2. Завод. Выставив точное время, запускаем пружину при помощи ключа. Поворот должен осуществляться строго по часовой стрелке! Заводить надо нежно и бережно – если вы будете совершать быстрые движения, то рискуете повредить нежный и хрупкий часовой механизм.
3. Звуки. Если вы слышите ровный звук, это знак того, что вы все сделали правильно. Слышите постукивания или пощелкивания? Стоит отрегулировать их еще раз.
4. Плотно закрытая дверца. В противном случае в механизм будет попадать пыль, и вам придется обращаться к специалисту, чтобы избавиться от нее.
5. Решили перевесить на другую стену? Вытащите маятник, закрепите часы на новом месте, верните маятник на место и произведите процедуру запуска часов.

В целом, настенные часы не требуют никакого серьезного ухода. Достаточно соблюдать эти правила, и звук отсчитываемого времени будет радовать вас на протяжении многих лет.

От чего зависит точность хода?

Точное время напрямую связано с числом колебаний маятника. Если маятниковые часы останавливаются, спешат или отстают, вам поможет простая регулировка. Для каждой ситуации у нас найдется свой совет:

1. Неточное время. Исправить это просто: достаточно переместить линзы на стержне маятника;
2. Отставание. Находим регулировочную гайку и перемещаем ее вверх;
3. Спешат вперед. Опускаем регулировочную гайку вниз. Впрочем, есть ряд проблем, которые невозможно решить этим способом – неполадка может заключаться в слишком маленьком корпусе, реакции на перепады температурных режимов или износе запчастей.
4. Остановились. В этом случае вы бессильны, и помочь вам может только специалист. Не пытайтесь устранить эту проблему самостоятельно!

Говорят, что настенные часы спешат только тогда, когда вы находитесь в напряжении и постоянно куда-то торопитесь. Перестав все время бежать по кругу, вы сможете наладить работу своих часов, тогда они будут идти плавно и ритмично. При бережном уходе и соблюдении всех перечисленных выше требований ваши часы станут практически вечным украшением вашего дома.

Настройка боя часов

Любые модели маятниковых часов требуют постоянной заботы, ведь именно от этого зависит то, насколько точно они будут идти и как долго прослужат.

Для некоторых моделей характерно небольшое отклонение – в сутки оно может составлять до 30 секунд

Высчитать неточность просто: берем разницу в точности хода и делим ее на то количество суток, в которые она происходила. Так, если отставание за пару дней составило около четырех минут, то за сутки эти цифры вырастают до целых 120 секунд.

Исправить неточность легко: поворачиваем регулировочный болт на несколько (обычно хватает трех) оборотов – готово.

Маятниковые часы – вечное украшение вашего дома, которое наполняют атмосферу праздником и волшебством. Такие часы станут отличным подарком, который создаст дополнительный комфорт и уют в любой квартире. Это так называемая вечная классика, которая никогда не выйдет из моды!

Тик так, Тик так – этот звук мы вспоминаем, когда думаем о часах. Хотя подавляющее большинство современных часов едва ли издают хоть какой-то звук. Не так давно почти каждые часы издавали характерный для часов звук, потому что они были полностью  механическими, а не электронными. Раньше для того чтобы часы работали было необходимо поворачивать ключ, заводить пружину, после прислушавшись можно было услышать как работают шестерни. Так давайте разберёмся, как на самом деле работают старомодные маятниковые часы.

Что такое маятник?

Маятник представляет собой стержень, который висит вертикально и раскачивается из стороны в сторону под действием силы тяжести. Как обнаружил итальянский учёный Галилео Галилей(1564-1642), полное колебание маятника занимает одинаковое время. В теории, единственное, что влияет на колебание маятника, это его длина и сила тяжести. Для относительно небольших колебаний, время (Т), которое требуется для того, чтобы маятник сделал одно полное колебание(известное как период) вычисляется по следующему уравнению:

Где, l — это длина маятника, g – мера силы тяжести(ускорение свободного падения). Из этого уравнения видно, что вам надо в 4 раза увеличить длину маятника, чтобы в 2 раза увеличить время колебания.

Как маятник работает?

Маятник работает путём преобразования кинетической энергии в потенциальную и обратно. Когда маятник находится в крайнем положении он имеет максимальную накопленную энергию(потенциальную энергию). В самой нижней точке, максимально близкой к земле потенциальная энергия переходит в кинетическую и имеет её максимальное значение в этой точке. Таким образом, маятник постоянно переводит потенциальную и кинетическую энергии друг в друга, что является примером простого гармонического колебания. Если бы трение соприкасающихся элементов и сопротивление среды(воздуха) отсутствовало, то есть были созданы идеальные условия, то маятник бы совершал колебания вечно. Но в реальных условиях маятник учитывая вышеперечисленные факторы замедляется. Но что является очень важным для хронометража, даже при уменьшении амплитуды колебания время колебания маятника не изменяется. Галилей сразу отметил эту полезную функцию, но построить маятниковые часы ему так и не удалось, удалось лишь представить модель маятниковых часов в 1642 году. Галилей передал свои труды датскому учёному Христиану Гюйгенсу. Он и сделал первые маятниковые часы в 1650 году.

Как работают маятниковые часы?

Почти все маятниковые часы сконструированы следующим образом: в часовом механизме, который Вы видите, груз 1 с помощью троса через валик 2 приводит в движение систему колес. Этот груз обеспечивает энергию для часов. Усилие через несколько колесных пар передается на тормозное колесико 3. Проворачивание часового механизма тормозится в результате взаимодействия тормозного колесика 3 и анкера 4 и регулируется маятником 5. Тормозное колесико будет продвигаться дальше лишь в том случае, если маятник приведет анкер в такое положение, когда он отпустит тормозную шестеренку. Одновременно другой конец анкера проходит в пространство между шестеренками и тем самым ограничивает движение тормозного колесика 3 на половину длины зубчика. Теперь, когда маятник будет совершать обратное движение, зубчик надавит на анкер и через стержень передаст усилие на маятник. Маятник при этом получает небольшую дополнительную энергию, что компенсирует имеющиеся у него потери на трение. Эта игра повторяется при каждом движении маятника. Таким образом, тормозное колесико движется в такт колебаниям маятника. Через несколько шестеренок оно соединено с минутной шестеренкой 7. Скорости промежуточных шестеренок рассчитаны таким образом, чтобы минутная шестеренка проворачивалась один раз в час, т.е. со скоростью большой стрелки, соединенной с минутной шестеренкой. И, наконец, шестеренки 8, 9 и 10 служат для того, чтобы маленькая стрелка двигалась в 12 раз медленнее, чем большая. Комбинацию из стрелок 8, 9 и 10 называют также стрелочным механизмом.

Недостатки маятниковых часов.

Как мы рассмотрели выше, время колебания маятника зависит от длины стержня и силы тяжести. Но длина металлического стержня может изменяться при изменении температуры, это изменение незначительное, но будет оказывать влияние на точность измерения времени. То же касается силы притяжения. Часы ближе к центру земли, на уровне моря и высоко в горах будут отсчитывать время не одинаково. Так же применение маятников часов на корабле практически невозможно, или очень затруднено. Но все эти проблемы были только на заре появления маятниковых часов. В процессе развития науки все проблемы были решены.

Участники[править]

Капитанюк Светлана(руководитель)
Трунова Иоанна(участник проекта)
Мосягина Анастасия(участник проекта)
Иванова Мария(участник проекта)
Тараканова Мария(участник проекта)

Цель проекта[править]

Создание полноценной модели маятниковых часов из фанеры.

Принцип работы маятниковых часов[править]

Груз 1 с помощью троса через валик 2 приводит в движение систему колес. Усилие через несколько колесных пар передается на тормозное колесико 3. Проворачивание часового механизма тормозится в результате взаимодействия тормозного колесика 3 и анкера 4 и регулируется маятником 5. Конец анкера 4 проходит в пространство между шестеренками и тем самым ограничивает движение тормозного колесика 3 на половину длины зубчика. Теперь, когда маятник будет совершать обратное движение, зубчик надавит на анкер и через стержень передаст усилие на маятник. Через несколько шестеренок ходовое колесо соединено с минутной шестеренкой 7. Скорости промежуточных шестеренок рассчитаны таким образом, чтобы минутная шестеренка проворачивалась один раз в час. И, наконец, шестеренки 8, 9 и 10 служат для того, чтобы маленькая стрелка двигалась в 12 раз медленнее, чем большая.

Обзор аналогов[править]

Отсюда была взята идея расположить часовую, минутную и секундную стрелки на разных осях.

Подробное изучение механизма часов[править]

Работа над проектом[править]

Расчет количества колес и числа зубьев.

Моделирование первых деталей[править]

Построение ходового колеса и анкера по чертежу[править]

Принцип работы анкерного хода[править]

Моделирование храпового механизма[править]

Моделирование расположения и размеров зубчатых колес, расчет межцентровых расстояний[править]

Размышления о том, как крепить зубчатые колеса на валах, делать ли подшипники и как будет крепиться маятник.

Сборка модели в Fusion 360[править]

Составление сметы и покупка материалов[править]

Изготовление втулок и деталей из фанеры[править]

Сборка часов[править]

Результаты[править]

• Все детали удалось собрать вместе;
• Храповый механизм работает;
• Вращения между зубчатыми колесами передаются, хотя и не безупречно;
• Передаточные соотношения были рассчитаны верно (то есть минутное колесо вращается в 60 раз медленнее секундного, часовое – в 60 раз медленнее минутного);
• Завести часы с помощью груза не получилось.

Почему не удалось завести часы с помощью груза?[править]

• Зубчатые колеса слишком свободно держатся на валах и вращаются не в одной плоскости, а задевая друг друга;
• Из-за отсутствия подшипников и маленького размера барабана, трение не дает барабанному колесу повернуться под тяжестью груза;
• Очень тонкие и хрупкие зубья на ходовом колесе. Лучше было сделать их из другого материала.

Часы с маятником Маятниковые часы, придуманные Галилео Галилеем около 1637 года. Самый ранний известный маятник Маятниковые настенные часы в стиле Венского регулятора

A маятниковые часы — это часы, в которых используется маятник, качающийся груз, поскольку его элемент хронометраж. Преимущество маятника для хронометража состоит в том, что он представляет собой гармонический осциллятор : он качается вперед и назад в точном временном интервале, зависящем от его длины, и сопротивляется колебаниям с другими скоростями. С момента изобретения в 1656 году Христианом Гюйгенсом, вдохновленным Галилео Галилеем, до 1930-х годов маятниковые часы были самыми точными хронометрами в мире, что объясняет их широкое распространение. На протяжении XVIII и XIX веков маятниковые часы в домах, фабриках, офисах и железнодорожных станциях служили основными эталонами времени для планирования повседневной жизни, рабочих смен и общественного транспорта, а их более высокая точность позволяла ускорять темп жизни, что было необходимо для Промышленная революция. Домашние маятниковые часы были заменены более дешевыми синхронными электрическими часами в 1930-х и 40-х годах, а маятниковые часы сейчас хранятся в основном из-за их декоративной и старинной ценности.

Для работы маятниковые часы должны быть неподвижны; любое движение или ускорение будет влиять на движение маятника, вызывая неточности, поэтому в портативных часах необходимо использовать другие механизмы.

Содержание

• 1 История
• 2 Механизм
• 3 Гравитационный маятник
  • 3.1 Температурная компенсация
  • 3.2 Атмосферное сопротивление
  • 3.3 Выравнивание и «биение»
  • 3.4 Местная гравитация
• 4 Торсионный маятник
• 5 Спусковой механизм
• 6 Индикация времени
• 7 Стили
• 8 См. Также
• 9 Ссылки
• 10 Внешние ссылки

История

Первые маятниковые часы, изобретены Христианом Гюйгенсом в 1656 году

Первые маятниковые часы были изобретены в 1656 году голландским ученым и изобретателем Христианом Гюйгенсом и запатентованы в следующем году. Гюйгенс поручил изготовление своих часов часовщику Саломону Костеру, который на самом деле построил часы. Гюйгенс был вдохновлен исследованиями маятников Галилео Галилеем, начавшимися примерно в 1602 году. Галилей открыл ключевое свойство, которое делает маятники полезными для измерения времени: изохронизм, что означает, что период качания маятника примерно одинакова для качелей разной величины. Галилей придумал маятниковые часы в 1637 году, которые были частично построены его сыном в 1649 году, но ни один из них не дожил до их завершения. Внедрение маятника, первого гармонического осциллятора , используемого для хронометража, значительно увеличило точность часов, примерно с 15 минут в день до 15 секунд в день, что привело к их быстрому распространению, как существующее ‘граница и часы foliot ‘были оснащены маятниками.

A фонарные часы, которые были преобразованы для использования маятника. Чтобы приспособиться к широким колебаниям маятника, вызванным спусковым механизмом, по бокам были добавлены «крылышки» Напольные часы Некоторые из самых точных маятниковых часов: (слева) Riefler часы-регулятор, которые служили эталоном времени США с 1909 по 1929 год, (справа) часы Shortt-Synchronome, самые точные маятниковые часы из когда-либо изготовленных, которые служили эталоном времени в 1930-х годах.

Эти ранние часы из-за их спускового механизма имели широкие колебания маятника на 80–100 °. В своем анализе маятников 1673 года Horologium Oscillatorium Гюйгенс показал, что широкие колебания делают маятник неточным, в результате чего его период и, следовательно, скорость хода часов изменяются с неизбежными изменениями в движущая сила, обеспечиваемая движением . Осознание мастерами часов, что только маятники с небольшими колебаниями в несколько градусов изохронны, мотивировало изобретение анкерного спуска Робертом Гуком около 1658 года, которое уменьшило маятник. повернуть на 4–6 °. Якорь стал стандартным спусковым механизмом, используемым в маятниковых часах. В дополнение к повышенной точности, узкий маятниковый ход якоря позволил корпусу часов приспособиться к более длинным и медленным маятникам, которые требовали меньше энергии и вызывали меньший износ механизма. Маятник секунд (также называемый Королевским маятником) длиной 0,994 м (39,1 дюйма), в котором период времени составляет две секунды, стал широко использоваться в качественных часах. Длинные узкие часы, построенные вокруг этих маятников, впервые изготовленные Уильямом Клементом около 1680 года, стали известны как дедушкины часы. Повышенная точность в результате этих разработок привела к тому, что минутная стрелка, ранее редкая, была добавлена ​​к циферблатам часов, начиная с 1690 года.

Волна часовых инноваций 18 и 19 веков, последовавшая за изобретением маятник внес много улучшений в маятниковые часы. бесступенчатый спуск, изобретенный в 1675 году Ричардом Таунли и популяризированный Джорджем Грэмом около 1715 года в его прецизионных «регулирующих» часах, постепенно заменивший анкерный спуск и применяемый сейчас в большинстве современных маятниковых часов. Наблюдение за замедлением хода маятниковых часов летом привело к пониманию того, что тепловое расширение и сжатие стержня маятника при изменении температуры были источником ошибок. Это было решено изобретением маятников с температурной компенсацией; ртутный маятник Джорджа Грэма в 1721 году и решетчатый маятник Джона Харрисона в 1726 году. С этими улучшениями к середине Прецизионные маятниковые часы 18 века обеспечивали точность до нескольких секунд в неделю.

До XIX века часы изготавливались вручную отдельными мастерами и стоили очень дорого. Богатый орнамент маятниковых часов этого периода указывает на их ценность как символов статуса богатых. часовщики каждой страны и региона Европы разработали свои собственные отличительные стили. К 19 веку фабричное производство деталей часов постепенно сделало маятниковые часы доступными для семей среднего класса.

Во время промышленной революции повседневная жизнь была организована вокруг домашних маятниковых часов. Более точные маятниковые часы, называемые регуляторами, были установлены на предприятиях и железнодорожных станциях и использовались для планирования работы и настройки других часов. Необходимость чрезвычайно точного хронометража в астрономической навигации для определения долготы привела к разработке самых точных маятниковых часов, называемых астрономическими регуляторами. Эти прецизионные инструменты, установленные в морских обсерваториях и поддерживающие точность в пределах секунды за счет наблюдения звездных переходов над головой, использовались для установки морских хронометров на военно-морских и торговых судах.. Начиная с XIX века, астрономические регуляторы в военно-морских обсерваториях служили основными стандартами для национальных служб распределения времени, которые распределяли сигналы времени по телеграфным проводам. С 1909 года Национальное бюро стандартов США (ныне NIST ) основывало американский стандарт времени на маятниковых часах Riefler с точностью до 10 миллисекунд в день. В 1929 году компания перешла на маятниковые часы со свободным маятником Shortt-Synchronome перед тем, как в 1930-х годах ввести в действие кварцевые эталоны. С погрешностью около одной секунды в год, Shortt были самыми точными серийно выпускаемыми маятниковыми часами.

Маятниковые часы оставались мировым стандартом для точного хронометража в течение 270 лет, пока не были изобретены кварцевые часы. в 1927 году и использовались в качестве эталонов времени во время Второй мировой войны. Французская служба времени до 1954 года использовала маятниковые часы как часть своего ансамбля стандартных часов. Домашние маятниковые часы начали заменять в качестве домашних хронометров в 1930-х годах и 1940-х годов синхронными электрическими часами, которые сохраняли более точное время, потому что они были синхронизированы с колебаниями электросети. Самыми точными экспериментальными маятниковыми часами из когда-либо созданных могут быть часы Littlemore, построенные Эдвардом Т. Холлом в 1990-х годах (подаренные в 2003 году Национальному музею часов и часов, Колумбия, Пенсильвания, США).

Механизм

Механизм модели часов Ansonia: c. 1904.

Механизм, который запускает механические часы, называется механизмом. Движение всех механических маятниковых часов состоит из следующих пяти частей:

• источник энергии; либо груз на шнуре или цепи, который вращает шкив или звездочку, либо главная пружина
• A зубчатая передача (колесная передача ), которая увеличивает скорость привода так, чтобы маятник может его использовать. передаточные числа зубчатой ​​передачи также делят скорость вращения вниз, чтобы колеса вращались один раз в час и один раз в 12 часов, чтобы поворачивать стрелки часов.
• An спусковой механизм, который подает маятнику точно синхронизированные импульсы, чтобы он оставался в движении, и который освобождает колеса зубчатой ​​передачи, чтобы двигаться вперед на фиксированную величину при каждом качании. Это источник «тикающего» звука работающих маятниковых часов.
• Маятник, груз на стержне, который является элементом хронометража часов
• Индикатор или циферблат, который регистрирует, как часто вращался спусковой механизм и, следовательно, сколько времени прошло, обычно это традиционный циферблат с вращающимися стрелками.

Дополнительные функции в часах, помимо базового хронометража, называются усложнениями. Более сложные маятниковые часы могут включать следующие усложнения:

• Ударный поезд : удары колокола или гонга каждый час с количеством ударов, равным количеству часов. Некоторые часы также сигнализируют полчаса одним ударом. Более сложные типы, технически называемые курантами, отбивают четверть часа и могут воспроизводить мелодии или соборные куранты, обычно Вестминстерские кварталы.
• Циферблаты календаря: показывают день, дату, а иногда и месяц.
• Фаза луны. Циферблат : показывает фазу луны, обычно с нарисованным изображением луны на вращающемся диске.
• Уравнение времени циферблат: это редкое усложнение использовалось в первые дни для установки часов с помощью прохождение солнца над головой в полдень. Он отображает разницу между временем, указанным на часах, и временем, указанным положением солнца, которое в течение года колеблется на ± 16 минут.
• Повторитель насадка: повторяет часовые куранты при срабатывании триггера рукой. Это редкое усложнение использовалось перед искусственным освещением, чтобы проверить, сколько времени было ночью.

В электромеханических маятниковых часах, таких как механические ведущие часы, источник питания заменен соленоидом с электрическим приводом., который подает на маятник импульсы с помощью магнитной силы, а спусковой механизм заменен переключателем или фотодетектором, который определяет, когда маятник находится в правильное положение для получения импульса. Их не следует путать с более поздними кварцевыми маятниковыми часами, в которых модуль электронных кварцевых часов качает маятник. Это не настоящие маятниковые часы, потому что хронометражом управляет кристалл кварца в модуле, а качающийся маятник — это просто декоративная имитация.

Маятник с гравитационным качанием

Маятниковые настенные часы в стиле школьного регулятора

Маятник качается с периодом , который изменяется в зависимости от квадратного корня из его эффективной длины. Для небольших колебаний период T, время одного полного цикла (двух колебаний), равен

T = 2 π L g { displaystyle T = 2 pi { sqrt { frac {L} {g}}} ,}

где L — длина маятника, а g — местное ускорение свободного падения. Все маятниковые часы имеют средства регулировки хода. Обычно это регулировочная гайка под маятником боб, которая перемещает боб вверх или вниз на штанге. Перемещение карабина вверх уменьшает длину маятника, уменьшая период маятника, поэтому часы отстают от времени. В некоторых маятниковых часах точная регулировка выполняется с помощью вспомогательной регулировки, которая может представлять собой небольшой груз, перемещаемый вверх или вниз по стержню маятника. В некоторых мастер-часах и башенных часах регулировка осуществляется с помощью небольшого лотка, установленного на стержне, куда помещаются или снимаются небольшие грузы для изменения эффективной длины, поэтому скорость можно регулировать, не останавливая часы.

Период маятника немного увеличивается с шириной (амплитудой) его качания. Частота ошибки увеличивается с увеличением амплитуды, поэтому, когда маятник ограничен небольшими колебаниями в несколько градусов, он почти изохронен; его период не зависит от изменения амплитуды. Таким образом, колебание маятника в часах ограничено от 2 ° до 4 °.

Температурная компенсация

Основным источником ошибок в маятниковых часах является тепловое расширение ; стержень маятника немного изменяется в длине при изменении температуры, вызывая изменение хода часов. Повышение температуры заставляет стержень расширяться, удлиняя маятник, поэтому его период увеличивается, и часы теряют время. Во многих часах более старого качества использовались деревянные маятниковые стержни, чтобы уменьшить эту ошибку, поскольку дерево расширяется меньше, чем металл.

Первым маятником, исправившим эту ошибку, был ртутный маятник, изобретенный Джорджем Грэмом в 1721 году, который использовался в часах с точным регулятором в 20 веке. У них был боб, состоящий из контейнера с жидким металлом ртутью. Повышение температуры приведет к расширению стержня маятника, но ртуть в контейнере также будет расширяться, и ее уровень будет немного повышаться в контейнере, перемещая центр тяжести маятника вверх по направлению к оси вращения. При использовании правильного количества ртути центр тяжести маятника оставался на постоянной высоте, и, таким образом, его период оставался постоянным, несмотря на изменения температуры.

Наиболее широко используемым маятником с температурной компенсацией был маятник с решеткой, изобретенный Джоном Харрисоном около 1726 года. Он состоял из «решетки» из параллельных стержней высокого давления. металл с термическим расширением, такой как цинк или латунь, и металл с низким тепловым расширением, такой как сталь. При правильном сочетании изменение длины стержней с большим расширением компенсировало изменение длины стержней с низким коэффициентом расширения, снова достигая постоянного периода маятника при изменении температуры. Этот тип маятника стал настолько ассоциироваться с качеством, что на маятниковых часах часто можно увидеть декоративные «фальшивые» сеточки, не имеющие реальной функции температурной компенсации.

Начиная примерно с 1900 года, некоторые из высокоточных научных часов имели маятники, изготовленные из материалов со сверхнизким коэффициентом расширения, таких как никелевый сплав инвар или плавленый кварц, что требовало очень небольшой компенсации влияния температуры.

Атмосферное сопротивление

Вязкость воздуха, в котором движется маятник, будет изменяться в зависимости от атмосферного давления, влажности и температуры. Это сопротивление также требует мощности, которая в противном случае могла бы использоваться для увеличения времени между обмотками. Традиционно маятниковый боб изготавливается с узкой обтекаемой формой линзы для уменьшения сопротивления воздуха, на которое в качественных часах приходится большая часть движущей силы. В конце 19-го и начале 20-го века маятники для прецизионных часов-регуляторов в астрономических обсерваториях часто эксплуатировались в камере, которая была откачана до низкого давления, чтобы уменьшить сопротивление и сделать работу маятника еще более точной за счет избегая перепадов атмосферного давления. Точная регулировка хода часов может производиться небольшими изменениями внутреннего давления в герметичном корпусе.

Выравнивание и «биение»

Для точного измерения времени маятниковые часы должны быть абсолютно выровнены. В противном случае маятник раскачивается больше в одну сторону, чем в другую, нарушая симметричную работу спуска. Это состояние часто можно услышать по тиканью часов. Тики или «удары» должны располагаться с точно равными интервалами, чтобы издавать звук «тик… тик… тик… тик»; если это не так и звучит «тик-так… тик-так…», часы не в ритме, и их необходимо выровнять. Эта проблема может легко привести к прекращению работы часов и является одной из наиболее частых причин обращения в службу поддержки. спиртовой уровень или часовой механизм может достичь более высокой точности, чем полагаясь на звук удара; Прецизионные регуляторы часто имеют встроенный спиртовой уровень для этой задачи. Старые отдельно стоящие часы часто имеют ножки с регулируемыми винтами для их выравнивания, более поздние имеют регулировку уровня в механизме. Некоторые современные маятниковые часы имеют устройства «авто-биения» или «саморегулирующейся регулировки ритма», и в этой настройке не требуется.

Местная гравитация

Маятниковые часы Ансония. C.1904, SANTIAGO, подвесные дубовые имбирные часы, восьмидневное время и удар.

Поскольку скорость маятника будет увеличиваться с увеличением силы тяжести, а местная сила тяжести изменяется в зависимости от широты и высоты на Земле, точные маятниковые часы должны быть отрегулированы. чтобы сохранить время после переезда. Например, маятниковые часы, перемещенные с уровня моря на 4000 футов (1200 м), будут терять 16 секунд в день. С наиболее точными маятниковыми часами, даже перемещение часов на верхнюю часть высокого здания приведет к потере измеряемого времени из-за меньшей силы тяжести.

Торсионный маятник

Также называется маятником с торсионной пружиной, это колесообразная масса (чаще всего четыре сферы на поперечных спицах), подвешенная на вертикальной полосе (ленте) из пружинной стали, используемой в качестве регулирующего механизма в торсионных маятниковых часах. Вращение массы заводит и раскручивает пружину подвески, при этом импульс энергии прикладывается к ее вершине. С периодом 12-15 секунд, по сравнению с периодом маятника качания силы тяжести в 0,5-2 секунды, можно изготавливать часы, которые нужно заводить только каждые 30 дней, или даже только раз в год или чаще. Этот тип не зависит от местной силы тяжести, но больше подвержен влиянию температурных изменений, чем некомпенсированный маятник с колебаниями силы тяжести.

Часы, требующие только годового завода, иногда называют «400-дневными часами» или «юбилейными часами », последние иногда дарят в качестве подарка на свадьбу. Немецкие фирмы Schatz и Kieninger Obergfell (известные как «Kundo», от «K und O») были основными производителями часов этого типа. В часах «вечный двигатель », названных Atmos, потому что их механизм удерживался включенным из-за изменений температуры воздуха, также используется торсионный маятник. В этом случае цикл колебаний занимает полные 60 секунд.

Спусковой механизм

Анимация анкерного спуска, одного из наиболее распространенных спусковых механизмов, используемых в маятниковых часах

Спусковой механизм — это механическое соединение, которое преобразует силу от зубчатой ​​передачи колес часов в импульсы, которые заставляют маятник раскачиваться вперед и назад. Это та часть, которая издает «тикающий» звук в работающих маятниковых часах. Большинство спусковых механизмов состоят из колеса с заостренными зубьями, называемого спусковым колесом, которое вращается колесной цепью часов, и поверхностей, на которые прижимаются зубья, называемые поддонами. Во время большей части качания маятника колесо не может вращаться, потому что зуб упирается в один из поддонов; это называется «заблокированным» состоянием. При каждом качании маятника поддон освобождает зуб спускового колеса. Колесо поворачивается вперед на фиксированную величину, пока зуб не зацепится за другой поддон. Эти расцепители позволяют колесной передаче часов продвигаться на фиксированную величину при каждом движении, перемещая стрелки вперед с постоянной скоростью, управляемой маятником.

Хотя спусковой механизм необходим, его сила нарушает естественное движение маятника, и в точных маятниковых часах это часто было ограничивающим фактором точности часов. На протяжении многих лет в маятниковых часах использовались различные спусковые механизмы, чтобы попытаться решить эту проблему. В 18-19 веках дизайн спуска был в авангарде развития хронометрии. Якорный спуск (см. Анимацию) был стандартным спусковым механизмом, который использовался до 1800-х годов, когда его улучшенная версия неуправляемый спуск заняла место в точных часах. Сегодня он используется почти во всех маятниковых часах. remontoire, небольшой пружинный механизм, перематываемый через определенные промежутки времени, который служит для изоляции спускового механизма от изменяющейся силы колесной пары, использовался в нескольких точных часах. В башенных часах колесный поезд должен вращать большие стрелки на циферблате снаружи здания, и вес этих стрелок, меняющийся в зависимости от образования снега и льда, создает переменную нагрузку на колесный поезд.. Гравитационный спуск использовался в башенных часах.

К концу 19 века специальные спусковые механизмы использовались в самых точных часах, называемых астрономическими регуляторами, которые использовались в морских обсерваториях и для научных исследований. Спусковой механизм Riefler, используемый в часах регулятора Clemens-Riefler, имел точность до 10 миллисекунд в день. Были разработаны электромагнитные спусковые механизмы, в которых использовался переключатель или фототрубка для включения соленоида электромагнита, чтобы дать маятнику импульс, не требуя механической связи. Самыми точными маятниковыми часами были часы Shortt-Synchronome, сложные электромеханические часы с двумя маятниками, разработанные в 1923 году W.H. Шорт и Фрэнк Хоуп-Джонс, с точностью лучше одной секунды в год. Ведомый маятник в отдельных часах был связан электрической цепью и электромагнитами с ведущим маятником в вакуумном резервуаре. Подчиненный маятник выполнял функции хронометража, оставляя главный маятник качаться практически без помех для внешних воздействий. В 1920-х годах Shortt-Synchronome на короткое время стал высшим стандартом для хронометража в обсерваториях, прежде чем кварцевые часы заменили маятниковые часы в качестве эталонов точного времени.

Индикация времени

Система индикации почти всегда представляет собой традиционный циферблат с подвижными часовой и минутной стрелками. У многих часов есть маленькая третья стрелка, указывающая секунды на вспомогательном циферблате. Маятниковые часы обычно устанавливают, открывая стеклянную крышку и вручную перемещая минутную стрелку на циферблате до нужного времени. Минутная стрелка установлена ​​на скользящей фрикционной муфте, которая позволяет поворачивать ее на оправке. Часовая стрелка приводится в движение не от колесной передачи , а от вала минутной стрелки через небольшой набор шестерен, поэтому вращение минутной стрелки вручную также приводит к установке часовой стрелки.

Styles

Годовые немецкие регуляционные часы. Около 1850 г.

Маятниковые часы были больше, чем просто утилитарные хронометры; они были символами статуса, которые выражали богатство и культуру их владельцев. Они развивались в нескольких традиционных стилях, специфичных для разных стран и времен, а также их предполагаемого использования. Стили корпусов в некоторой степени отражают популярные в то время стили мебели. Эксперты часто могут определить, когда старинные часы были изготовлены в течение нескольких десятилетий, по тонким различиям в их корпусах и циферблатах. Вот некоторые из различных стилей маятниковых часов:

• Парламентские часы
• Юбилейные часы (использует торсионный маятник )
• Часы Банджо
• Настольные часы
• Часы Картеля
• Часы Комтуаза или Морбье
• Кристаллический регулятор
• Часы с кукушкой
• Напольные часы
• Фонарные часы
• Каминные часы
• Главные часы
• Часы Ogee
• Столбовые часы
• Башня часы
• Венский регулятор
• Часы Зандам

См. также

• Маятник (математика)
• Маятник
• Циклоидальный маятник
• Летающие маятниковые часы
• Часы с длинным корпусом ( напольные часы )
• Паровые часы
• пружина баланса (спираль )

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Маятниковые часы .

• Изобретение часов
• (Не очень) простой маятник
• Самые ранние голландские и французские маятниковые часы, 1657-1662 гг.