Маятниковий годинник

Ми все ще бачимо його в антикварних магазинах, музеях або, стилізовано, але без оригінального шарму, серед сучасних годинників, координованих кварцовим кристалом, у вітринах. Хочете дізнатися історію маятникового годинника? Пориньте в читання, прочитавши цю статтю.

Хоча в XXI столітті мистецтво внутрішнього оздоблення вже не надає значення маятнику, який простіший спосіб відтворити в будинку атмосферу минулих століть, ніж встановити такий годинник? На додаток до своєї суто декоративної ролі, ці інструменти з часом завжди матимуть із собою знак надзвичайної винахідливості тих, хто їх уявив і вдосконалив з часом. З’ясуйте, як з’явився маятниковий годинник і як він працює.

Коротка історія

У 1656 році голландський вчений Крістіан Гюйгенс побудував перший маятниковий годинник, використовуючи маятниковий механізм з постійним і самопідтримуючимся періодом коливань. Однак концепція маятникового годинника приписується Галілео Галілею, який вивчав рух маятника з 1582 р. Він навіть намалював ескіз маятникового годинника (Wikimedia.org), який йому не вдалося побудувати. за життя. Перші годинники, побудовані Гюйгенсом, мали помилку близько хвилини на день, надзвичайна продуктивність для тих часів. Подальші вдосконалення Гюйгенса зменшили помилки до менш ніж 10 секунд на день.

Маятник як осцилятор. Що означає коливальний рух і як він підтримується ?

Маятник годинника є одним із найпоширеніших і найпоширеніших коливальних коли-небудь уявлених. Якщо до маятника подати початковий імпульс, він коливатиметься з однаковою частотою (тобто виконуватиме рух "приходь і йти" певну кількість разів за певний інтервал часу), незалежно від амплітуди початково друкованого коливального руху., (будь-хто може перевірити вищесказане, побудувавши маятник, як показано на діаграмі нижче, і підрахувавши повні штрихи, зроблені маятником, для персидських амплітуд коливань). Довжина маятника є основною змінною, за допомогою якої можна регулювати частоту коливань. Було підраховано, що для відносно малих амплітуд період коливань можна наблизити за формулою

де Т - період коливань, l - довжина маятника і g - гравітаційна стала. Отже, використовуючи цю формулу розрахунку, ми можемо сконструювати маятник з періодом коливань 1 секунду або 2 секунди.

Щоб об’єкт коливався, необхідно, щоб певна кількість енергії неодноразово переходила з однієї форми в іншу. У випадку маятника енергія постійно перетворюється з потенційної енергії (на кінцях удару) в кінетичну енергію (в середині циклу руху). Повторне і безперервне перетворення між цими двома формами енергії породжує коливання. Проблема полягає в тому, що будь-який механічний генератор поступово втрачає енергію через тертя з повітрям, яке з часом зупиняє його. Потрібно знайти спосіб підтримати коливальний рух, додаючи до кожного циклу руху невелику кількість енергії до енергії руху маятника. Механізм, який уявляють собі дизайнери маятникових годинників, дає невеликий додатковий поштовх маятнику з кожним "ударом", щоб компенсувати втрати, спричинені тертям.

Складові частини маятникового годинника

Ззовні маятниковий годинник складається з:

• Фронт, із зазначенням годин та хвилин;
• Один або кілька ваг;
• маятник.

• шестерневий механізм, що приводить в рух стрілки годинника;
• так званий якір, роль якого ми детально розповімо трохи пізніше.

Давайте подивимося, як ці складові взаємодіють, щоб мати змогу точно виміряти та вказати час.

Механізм роботи

Вага або ваги, якщо такі є, є резервуаром енергії годинника, що полегшує його роботу протягом тривалого періоду часу без участі людини. "Поворот" маятникового годинника переставляє ваги на більшу висоту, тим самим надаючи їм більшу потенційну енергію завдяки гравітаційному полю Землі. У міру падіння ваги ця потенційна енергія використовується годинниковими механізмами для підтримки коливального руху маятника, як це буде видно нижче.

Якби ми уявили собі дуже елементарну модель годинника, приведеного в рух вагою, вона мала б вигляд, як показано нижче. Ми прикріпили вагу до барабана, до якого ми змонтували голку (язичок), за допомогою якої ми мали на меті вказати секунди. Звичайно, випустивши вагу, період обертання барабана був би занадто коротким для досягнення нашої мети, але ми могли б продовжувати вправу уяви, подумки представляючи пристрій, який підсилює тертя між барабаном і струною, щоб уповільнити обертання. Але ми все одно залишилися б у недружньому світі годинників наближення. І це тому, що тертя змінюється залежно від температури та вологості в атмосфері. Потрібен був фіксований орієнтир, і тут втрутився голландський астроном Крістіан Гюйгенс, який запропонував використовувати маятник.

Як я вже говорив раніше, період коливань маятника залежить лише від гравітаційної константи та довжини маятника. Експериментально можна спостерігати, що випливає з математичних розрахунків, а саме, що додані ваги та амплітуда друкованого коливального руху не впливають на період коливань. Таким чином, Гюйгенс знайшов постійне посилання, на яке він міг дуже точно виміряти час. Наступним стрибком було уявлення механізму зважування ваги з використанням властивостей маятника при збереженні його коливань.

Тоді метою було передати маятнику енергію, що виділяється при падінні тіла, крихітними «порціями» і в сприятливі моменти, щоб підтримувати свої коливання. Підтримка коливань здійснюється автоматично, оскільки маятник сам контролює передачу енергії, що виділяється при падінні тіла. (Ось чому маятниковий годинник використовується у фізиці як приклад самонесучого механічного генератора). Самозбереження коливань стало можливим за допомогою дуже геніального механізму, схематично представленого на зображенні вище, яке складається з:

• зірочку, замініть барабан на попередній схемі (1)
• ще (2)
• анкерні виступи (3)

Отже, ми знаходимося в точці, де ми можемо використовувати маятник з періодом коливань (час, що минув, поки маятник не повернеться туди, де зупинився, тож інтервал, в якому він завершує цикл "йди, прийди"), становить 2 секунди (що б’є другу) для приводу шестірні, яка рухає секундною стрілкою годинника. Нам доведеться використовувати 120-зубчасту шестерню, щоб вторинна робота працювала належним чином. Проблема, з якою ми зіткнемося далі, полягатиме в тому, що вага занадто швидко падатиме на землю, саме тому слід уявляти передачу, щоб уповільнити рух ваги. Зробити це надзвичайно просто, послідовно приєднуючи кілька передач різного розміру. Використовуючи такі шестерні передач, ми можемо регулювати період обертання різних компонентів шестерні так, щоб у нас були колеса, періоди обертання яких відповідають хвилині та годині відповідно. Ці колеса встановлюватимуть таймер та годинник відповідно. Слід також додати, що для того, щоб встановити годинник, одну з шестірні потрібно тимчасово вийняти з шестірні (саме те, що відбувається, коли ми встановлюємо наручний годинник). Подібне відбувається при налаштуванні маятникового годинника.

Нарешті, як короткий підсумок, я згадую основні компоненти маятникового годинника:

• вага;
• шестерня та зірочки, що регулюють втрату ваги;
• шестерні та шестерні, що контролюють рух стрілок годинника;
• якір;
• механізм регулювання годинника, який передбачає тимчасове вимкнення шестерні, яка контролює язики, дозволяючи їх рух без керування всіма шестернями.

---