Kyvadlové hodiny

Vidíme ho aj v obchodoch so starožitnosťami, múzeách alebo, štylizovaný, ale bez originálneho šarmu, medzi modernými hodinkami, ktoré sú koordinované kremenným krištáľom, vo výkladoch. Chcete poznať príbeh kyvadlových hodín? Ponorte sa do čítania čítaním tohto článku.

Aj keď v 21. storočí umenie výzdoby interiérov už neprikladá kyvadlu dôležitosť, aký je jednoduchší spôsob, ako v domácnosti obnoviť atmosféru minulých storočí, ako inštaláciou takýchto hodín? Okrem svojej čisto dekoratívnej úlohy budú mať tieto nástroje vždy s sebou časom značku mimoriadnej vynaliezavosti tých, ktorí si ich časom predstavovali a zdokonaľovali. Zistite, ako kyvadlové hodiny vznikli a ako fungujú.

Krátka história

V roku 1656 postavil holandský vedec Christiaan Huygens prvé kyvadlové hodiny pomocou kyvadlového mechanizmu s konštantnou a sebestačnou periódou kmitania. Koncept kyvadlových hodín sa však pripisuje Galileovi Galileimu, ktorý sa pohybom kyvadla zaoberal od roku 1582. Dokonca nakreslil náčrt kyvadlových hodín (Wikimedia.org), ktorý sa mu nepodarilo zostrojiť. počas jeho života. Prvé hodiny vyrobené Huygensom mali chybu asi minútu denne, na tie časy mimoriadny výkon. Následné vylepšenia spoločnosti Huygens znížili počet chýb na menej ako 10 sekúnd denne.

Kyvadlo ako oscilátor. Čo znamená oscilačný pohyb a ako sa udržuje ?

Kyvadlo hodín je jedným z najbežnejších a najbežnejších oscilátorov, aké si kedy predstavovali. Ak sa na kyvadlo použije počiatočný impulz, bude kmitať s rovnakou frekvenciou (tj. Bude vykonávať pohyb „prísť a odísť“ určitý počet ráz v určitom časovom intervale), bez ohľadu na amplitúdu pôvodne tlačeného kmitavého pohybu., (ktokoľvek to môže skontrolovať zostavením kyvadla podľa nižšie uvedeného diagramu a spočítaním celkových zdvihov vykonaných kyvadlom pre amplitúdy perzskej oscilácie). Dĺžka kyvadla je hlavnou premennou, pomocou ktorej je možné riadiť frekvenciu kmitania. Bolo vypočítané, že pre relatívne malé amplitúdy možno periódu kmitania aproximovať vzorcom

kde T je doba kmitania, l - dĺžka kyvadla a g - gravitačná konštanta. Pomocou tohto výpočtového vzorca teda môžeme navrhnúť kyvadlo s periódou oscilácie 1 sekunda alebo 2 sekundy.

Na zabezpečenie oscilácie objektu je potrebné, aby určité množstvo energie opakovane prechádzalo z jednej formy do druhej. V prípade kyvadla sa energia permanentne transformuje z potenciálnej energie (na koncoch zdvihu) na kinetickú energiu (uprostred pohybového cyklu). Opakovaná a nepretržitá transformácia medzi týmito dvoma formami energie generuje kmitanie. Problém je v tom, že akýkoľvek mechanický oscilátor postupne stráca energiu v dôsledku trenia so vzduchom, čo ho nakoniec zastaví. Musí sa nájsť spôsob, ako udržať kmitavý pohyb tak, že sa do každého pohybového cyklu pridá malé množstvo energie k pohybovej energii kyvadla. Mechanizmus, ktorý si predstavili dizajnéri kyvadlových hodiniek, dáva každému „úderu“ kyvadlo trochu navyše, aby kompenzoval straty spôsobené trením.

Súčasti kyvadlových hodín

Kyvadlové hodiny pri pohľade zvonku pozostávajú z:

• Predná strana s údajmi o hodinách a minútach;
• Jedna alebo viac váh;
• kyvadlo.

• prevodový mechanizmus poháňajúci ručičky hodín;
• takzvaná kotva, ktorej úlohu podrobne rozvedieme o niečo neskôr.

Pozrime sa, ako tieto zložky interagujú, aby boli schopné presne merať a indikovať čas.

Mechanizmus činnosti

Hmotnosť alebo hmotnosti, ak existujú, sú zásobníkom energie hodiniek, čo umožňuje ich dlhšiu dobu bez zásahu človeka. „Otočením“ kyvadlových hodín sa váhy presunú do vyššej výšky, čím sa získa vyššia potenciálna energia v dôsledku gravitačného poľa Zeme. Keď váha klesá, táto potenciálna energia je využívaná hodinovými mechanizmami na udržanie kmitavého pohybu kyvadla, ako bude zrejmé ďalej.

Ak by sme si mali predstaviť veľmi primitívny model hodiniek uvedených do pohybu o váhu, vyzeralo by to ako dole. Závažie by sme pripevnili na bubon, ku ktorému by sme pripevnili ihlu (jazyk), ktorou by sme mierili po sekundách. Samozrejme, po uvoľnení váhy by doba rotácie bubna bola príliš krátka na to, aby sme dosiahli náš cieľ, ale mohli by sme pokračovať v cvičení fantázie tak, že mentálne predstavíme zariadenie, ktoré zvýrazňuje trenie medzi bubnom a strunou, aby spomalilo rotáciu. Stále by sme však zostali v neprívetivom svete aproximačných hodinárov. A to preto, že trenie sa líši podľa teploty a vlhkosti v atmosfére. Bol potrebný pevný orientačný bod a tu zasiahol holandský astronóm Christiaan Huygens a navrhol použitie kyvadla.

Ako som už povedal predtým, perióda kmitania kyvadla závisí iba od gravitačnej konštanty a dĺžky kyvadla. Experimentálne je možné pozorovať, čo vyplýva z matematických výpočtov, konkrétne že pripojené váhy a amplitúda tlačeného kmitavého pohybu neovplyvňujú periódu kmitania. Huygens tak našiel stálu referenciu, na základe ktorej mohol veľmi presne merať čas. Ďalším skokom bolo predstavenie mechanizmu váženia pomocou vlastností kyvadla pri zachovaní jeho kmitania.

Cieľom bolo previesť na kyvadlo energiu uvoľnenú pádom tela, v malých „častiach“ a vo vhodných okamihoch, aby sa udržali jeho oscilácie. Údržba kmitov sa vykonáva automaticky, pretože samotné kyvadlo riadi prenos energie uvoľnenej pádom tela. (Preto sa kyvadlové hodiny používajú vo fyzike ako príklad samonosného mechanického oscilátora). Samoobsluha oscilácií bola možná pomocou veľmi dômyselného mechanizmu, ktorý je schematicky znázornený pomocou vyššie uvedeného obrázku, ktorý pozostáva z:

• ozubené koleso, vymeňte bubon na predchádzajúcom diagrame (1)
• stále (2)
• výstupky kotvy (3)

Takže sme tu v bode, kde môžeme použiť kyvadlo s periódou kmitania (čas, ktorý uplynie, kým sa kyvadlo vráti tam, kde skončilo, teda interval, v ktorom absolvuje cyklus „choď“) 2 sekundy (ktorý bije druhú), aby poháňal prevodový stupeň, ktorý pohybuje druhou ručičkou hodín. Aby sekundárne fungovalo správne, budeme musieť použiť ozubené koleso so 120 zubami. Problém, s ktorým sa stretneme ďalej, bude ten, že váha padne na zem príliš rýchlo, a preto si treba predstaviť prevodový stupeň, ktorý spomalí pohyb závažia. Je to mimoriadne ľahké, ak postupne pripojíte niekoľko prevodových stupňov rôznych veľkostí. Pomocou takýchto prevodových stupňov môžeme nastaviť periódu otáčania rôznych komponentov ozubeného kolesa tak, aby sme mali kolesá, ktorých periódy rotácie zodpovedajú minúte, respektíve hodine. Tieto kolesá nastavia časovač a hodiny. Je tiež potrebné dodať, že aby sa dali hodinky namontovať, musí byť možné z prevodovky dočasne vyradiť jeden z prevodových stupňov (čo sa stane, keď nasadíme náramkové hodinky). Podobná vec sa stane aj pri nastavovaní kyvadlových hodín.

Na záver si ako krátku rekapituláciu spomeniem na základné súčasti kyvadlových hodín:

• váha;
• ozubené kolesá a ozubené kolesá, ktoré regulujú chudnutie;
• ozubené koleso a ozubené kolesá, ktoré ovládajú pohyb ručičiek hodín;
• Kotva;
• mechanizmus nastavenia hodín, ktorý spočíva v dočasnom deaktivovaní prevodového stupňa, ktorý ovláda jazyky, čo umožňuje ich pohyb bez pohonu všetkých prevodových stupňov.

---