Kyvadlo - presný mechanický oscilačný systém Erwin Sattler GmbH; Spol
Už v 16. storočí sa známi astronómovia a prírodovedci zaoberali zvláštnosťami a správaním kyvadla alebo takzvaného gravitačného kyvadla. V rozsiahlych experimentoch a výpočtoch dospeli k záveru, že doba kmitania kyvadla so zavesením nite nezávisí od hmotnosti alebo tvaru telesa kyvadla, ale iba od samotnej dĺžky kyvadla. Malo teda zmysel použiť tento efekt, že keď sa kyvadlo uvedie do pohybu, potrebuje vždy rovnakú dĺžku na kmitanie, na použitie v hodinách kolies. V tom čase boli hodiny pomerne nepresné a hľadanie čo najpresnejšieho oscilačného systému, pomocou ktorého sa dal merať alebo zobrazovať čas, ešte neskončilo.
Dnes poznáme rôzne kmitavé systémy ako vyvažovacie koliesko (pre mechanické náramkové hodinky), kremeň (pre hodiny s batériovým napájaním) alebo dokonca kyvadlo. Posledný menovaný je stále najpresnejším mechanickým oscilátorom, ktorý sa stále používa pre vysoko presné, pevné alebo zavesené hodiny.
V roku 1585, ako už bolo spomenuté vyššie, Galileo Galilei objavil, že frekvencia výkyvu kyvadla je primárne určená jeho dĺžkou a každodennou gravitáciou, ktorá ho obklopuje. Okrem toho zistil, že rozsah oscilácií kyvadla nemá žiadny vplyv na trvanie kmitania kyvadla, ktoré je teraz opísané výrazom izochronný. Pokiaľ ide o izochronizmus, dnes vieme, že pre veľmi malé kmity kyvadla je to k dispozícii iba približne.
Pretože kyvadlo po uvedení do pohybu permanentne stráca svoj rozsah kmitania v dôsledku rôznych rušivých vplyvov, ako je gravitácia, odpor vzduchu alebo trenie zavesenia kyvadla, musí sa mu v pravidelných intervaloch pôsobiť silou. V prípade jemných kyvadlových hodín je za to zodpovedné závažie, ktoré prostredníctvom hodinového stroja prenáša energiu na kyvadlo. Na tomto mieste je potrebné spomenúť, že v tomto prípade je váha absolútne nevyhnutnou zásobou energie, pretože má neustále konštantnú (váhovú) silu.
Ak je kyvadlo zabudované do pevne nainštalovaných hodín, je poháňané konštantným výkonom a jeho dĺžka je nastavená na presnú geografickú polohu, takže hodiny by mali zobrazovať čas čo najpresnejšie. Nie je to však automaticky tak! Teraz existujú ďalšie rušivé faktory týkajúce sa existujúceho systému. V prvom rade ide o kolísanie teploty, ako aj kolísanie tlaku vzduchu a kolísanie vlhkosti.
Nepríjemnú vlhkosť je možné veľmi rýchlo napraviť natretím kyvadlových tyčí z dreva alebo dokonca pomocou tyčí z kovu.
Odchýlky v dôsledku teplotných výkyvov predstavujú väčší problém.Pri vysokých teplotách sa materiály rozširujú, kyvadlá sa predlžujú, a preto sú pomalšie, hodiny sa spomaľujú. Pri nízkych teplotách je účinok obrátený. Prvým krokom bolo použitie špeciálnych drevín, ktoré na tieto výkyvy reagovali len málo, a potom nasledovali experimenty so zložitými a nákladnými štruktúrami rôznych tyčí vyrobených z rôznych kovov, ktoré sa mali navzájom kompenzovať, aby sa zabránilo zmene dĺžky kyvadlovej tyče v dôsledku teploty, tzv. Rustové kyvadlo. Nakoniec na konci 19. storočia francúzsky vedec Charles-Edouard Guillaume objavil prevratnú zliatinu železo-nikel. Koeficient tepelnej rozťažnosti tohto nového materiálu bol 10-krát nižší ako u ocele a 5-krát nižší ako u vybraných drevín. Tento nový „nemenný“ kov preto dostal očividne meno Invar.
Pretože však Invar má stále nízku tepelnú rozťažnosť, boli možné hodinky s odchýlkami rýchlosti niekoľko sekúnd za mesiac, ale lepšie hodnoty nebolo možné dosiahnuť iba so samotným Invarom.
V roku 1896 vynašiel podnikateľ Sigmund Riefler ďalšiu vylepšenú kompenzáciu na vyrovnanie teplotných výkyvov. Na kyvadlovú tyč použil Invar a na regulačnú maticu v spodnej časti tyče umiestnil takzvanú kompenzačnú trubicu. Táto trubica bola v spodnej časti obmedzená regulačnou maticou, ale hore sa mohla voľne rozpínať (pri zahrievaní). Aby bola kompenzácia dokonalá, siahala kompenzačná trubica presne do stredu tela kyvadla. Zjednodušene povedané, kompenzačná trubica sa pri zahriatí roztiahne smerom hore o množstvo, o ktoré sa tyč kyvadla roztiahne smerom dole. Teleso kyvadla tak zostáva pri rôznych teplotách v úplne rovnakej polohe! Teraz bola vydláždená cesta pre konštrukciu vysoko presných kyvadlových hodín a dosahovanie mimoriadne dobrých hodnôt rýchlosti už nebolo ovplyvňované teplotnými výkyvmi.
V neposlednom rade je to tretí rušivý faktor, neustále sa meniaci tlak vzduchu. Aj tu inovatívny vynález umožnil dosiahnuť výrazné zlepšenie z hľadiska presnosti - ale o tom čoraz viac v jednom z našich ďalších článkov v časopise!
Teraz sa chceme stručne zaoberať reguláciou, teda tým, ako sú kyvadlové hodiny presne upravené.
Zhruba sa to deje úpravou dĺžky kyvadla, čo znamená, že kyvadlová šošovka musí byť posunutá nahor, aby sa kyvadlo skrátilo, a tým sa zrýchlili hodiny. Jeho posunutie nadol spôsobí pomalšie sa hojdajúce kyvadlo. U väčšiny kyvadlových hodín sa to deje pomocou takzvanej regulačnej matice. Nachádza sa na dolnom konci kyvadla a nesie telo kyvadla. Ak je teraz matica otočená tak, že sa telo kyvadla zdvihne, t. J. Posunie sa smerom hore, kyvadlo sa zrýchli, pretože sa zmenšilo (vzhľadom na svoje ťažisko).
Táto metóda regulácie je dostatočná na to, aby väčšina hodiniek dosiahla dobré hodnoty rýchlosti, ale nie tak tomu je u presných kyvadlových hodiniek. Tu sa používa ďalší nenápadný vynález na dosiahnutie výrazne lepších výsledkov chôdze. Takzvaný bežec Huygenschen alebo doska jemného nastavenia. Nachádza sa presne v strede medzi bodom zavesenia a ťažiskom kyvadla na tyči kyvadla - v tejto polohe je účinok nasledujúceho jemného nastavenia najväčší.
Ak už bolo kyvadlo prestavené pomocou regulačnej matice čo najpresnejšie, malo by sa to kmitať čo najhladšie. To naopak znamená, že presnosť výkyvného kyvadla sa musí/mala ďalej zvyšovať. Ak chcete, aby sa kyvadlo hojdalo rýchlejšie, t. J. Skráťte ho, musíte na regulačnú dosku umiestniť malé závažia. Zodpovedajúcim spôsobom sa odstránením závaží, ktoré sa už nachádzajú na regulačnej doske, dosiahne pravý opak. Pomocou tohto malého triku možno na otočnom kyvadle vykonať najjemnejšie zmeny prevodových stupňov.
Zatiaľ by to malo byť v tomto bode dobré, ale samotná téma kyvadla je taká obsiahla, že boli o nej napísané celé knihy.
Ak sa stále zaujímate o takúto literatúru, odporúčame vám nasledujúce knihy:
- Karl Giebel - Kompletné práce - ISBN: 978-3-941539-67-9
- Dipl.-Ing. Ludwig Lehotzky - Technické základy mechanických hodiniek - ISBN: 978-3-9809557-3-7
- Klaus Menny - Hodiny a ich funkcia - ISBN: 978-3-86852-506-9
Tieto a ďalšie zaujímavé knihy je možné získať od: