Pendelur - Pendulum clock
.jpg)
En pendelklokke er en klokke som bruker en pendel , en svingende vekt, som tidtakerelement . Fordelen med en pendel for tidvisning er at den er en harmonisk oscillator : Den svinger frem og tilbake i et presist tidsintervall avhengig av lengden, og motstår å svinge i andre hastigheter. Fra oppfinnelsen i 1656 av Christiaan Huygens , inspirert av Galileo Galilei , og fram til 1930 -årene, var pendelklokken verdens mest presise tidtaker, og stod for den utbredte bruken. Gjennom 1700- og 1800 -tallet fungerte pendelklokker i hjem, fabrikker, kontorer og jernbanestasjoner som primære tidsstandarder for å planlegge dagliglivet, arbeidsskift og offentlig transport. Deres større nøyaktighet tillot et raskere livstempo som var nødvendig for den industrielle revolusjonen . Hjempendelen ble erstattet av rimeligere, synkrone, elektriske klokker på 1930- og 40-tallet. Pendelklokker beholdes nå mest for sin dekorative og antikke verdi.
Pendelklokker må være stasjonære for å fungere. Enhver bevegelse eller akselerasjon vil påvirke pendelens bevegelse, forårsake unøyaktigheter, og dermed kreve andre mekanismer for bruk i bærbare ur.
Historie
Den første pendelklokken ble oppfunnet i 1656 av den nederlandske forskeren og oppfinneren Christiaan Huygens , og patenterte året etter. Huygens kontrakterte konstruksjonen av klokkedesignene sine til urmaker Salomon Coster , som faktisk bygde klokken. Huygens ble inspirert av undersøkelser av pendler av Galileo Galilei som begynte rundt 1602. Galileo oppdaget nøkkelegenskapen som gjør pendler nyttige tidtakere: isokronisme , noe som betyr at en pendels periode er omtrent den samme for svingninger i forskjellige størrelser. Galileo hadde ideen om en pendelklokke i 1637, som delvis ble konstruert av sønnen i 1649, men ingen av dem levde for å fullføre den. Innføringen av pendelen, den første harmoniske oscillatoren som ble brukt i tidvisning, økte klokkenes nøyaktighet enormt, fra omtrent 15 minutter per dag til 15 sekunder per dag, noe som førte til at de spredte seg raskt da eksisterende ' verge and foliot ' klokker ble ettermontert med pendler.
Disse tidlige klokkene, på grunn av deres rømming , hadde brede pendelsvingninger på 80–100 °. I sin analyse av pendler fra 1673, Horologium Oscillatorium , viste Huygens at brede svinger gjorde pendelen unøyaktig, noe som forårsaket at perioden og dermed klokkens hastighet varierer med uunngåelige variasjoner i drivkraften som bevegelsen gir . Urmakernes erkjennelse av at bare pendler med små svingninger i noen få grader er isokron motiverte oppfinnelsen av ankerutslipp av Robert Hooke rundt 1658, noe som reduserte pendelens sving til 4–6 °. Ankeret ble standard rømning som ble brukt i pendelklokker. I tillegg til økt nøyaktighet tillot ankerets smale pendelsving klokkens etui å romme lengre, langsommere pendler, som trengte mindre kraft og forårsaket mindre slitasje på bevegelsen. Den sekunder pendel (også kalt Royal pendel), 0,994 m (39,1 tommer) lang, i hvilken tidsperioden er to sekunder, ble mye brukt i kvalitet klokker. De lange smale klokkene som ble bygget rundt disse pendlene, først laget av William Clement rundt 1680, ble kjent som bestefarsklokker . Den økte nøyaktigheten som følge av denne utviklingen førte til at minuttviseren, tidligere sjelden, ble lagt til urskiver som begynte rundt 1690.
Bølgen av horologisk innovasjon fra 1700- og 1800 -tallet som fulgte oppfinnelsen av pendelen brakte mange forbedringer til pendelklokkene. Den deadbeat Escape oppfunnet i 1675 av Richard Towneley og popularisert av George Graham rundt 1715 i sin presisjon "regulator" klokker gradvis erstattet ankeret Escape og brukes nå i de fleste moderne pendel klokker. Observasjon av at pendelklokkene bremset om sommeren ga innsikten om at termisk ekspansjon og sammentrekning av pendelstangen med temperaturendringer var en feilkilde. Dette ble løst ved oppfinnelsen av temperaturkompenserte pendler; det kvikksølv pendel av Graham i 1721 og grillrist pendelen ved John Harrison i 1726. Med disse forbedringene, ved midten av det 18. århundre presisjon pendel klokker oppnådd nøyaktighet på noen få sekunder per uke.
Fram til 1800 -tallet ble klokker håndlaget av individuelle håndverkere og var veldig dyre. Den rike utsmykningen av pendelklokker i denne perioden indikerer deres verdi som statussymboler for de velstående. De clockmakers i hvert land og region i Europa utviklet sine egne særegne stiler. På 1800-tallet gjorde fabrikkproduksjon av klokkedeler gradvis pendelklokker rimelige for middelklassefamilier.
Under den industrielle revolusjonen ble dagliglivet organisert rundt pendelklokken. Mer nøyaktige pendelklokker, kalt regulatorer , ble installert på forretningssteder og jernbanestasjoner og ble brukt til å planlegge arbeid og stille andre klokker. Behovet for ekstremt nøyaktig tidtaking i himmelnavigasjon for å bestemme lengdegrad drev utviklingen av de mest nøyaktige pendelklokkene, kalt astronomiske regulatorer . Disse presisjonsinstrumentene, installert i marineobservatorier og holdt nøyaktige i løpet av et sekund ved observasjon av stjernetransit overhead, ble brukt til å sette marine kronometre på marine- og kommersielle fartøyer. Fra 1800 -tallet tjente astronomiske regulatorer i marineobservatorier som hovedstandarder for nasjonale tidsfordelingstjenester som distribuerte tidssignaler over telegrafledninger . Fra 1909 baserte US National Bureau of Standards (nå NIST ) den amerikanske tidsstandarden på Riefler pendelklokker, nøyaktig til omtrent 10 millisekunder per dag. I 1929 byttet den til Shortt-Synchronome gratis pendelklokke før den innfaser kvartsstandarder på 1930-tallet. Med en feil på rundt ett sekund per år var Shortt den mest nøyaktige kommersielt produserte pendelklokken.
Pendelklokker forble verdens standard for nøyaktig tidtaking i 270 år, fram til oppfinnelsen av kvartsuret i 1927, og ble brukt som tidsstandarder gjennom andre verdenskrig. Den franske tidstjenesten brukte pendelklokker som en del av ensemblet av standardklokker til 1954. Pendeluret i hjemmet begynte å bli erstattet som husholdningstimer i løpet av 1930- og 1940 -årene av den synkrone elektriske klokken , som holdt mer nøyaktig tid fordi den ble synkronisert med svingningen av det elektriske strømnettet .Den mest nøyaktige eksperimentelle pendelklokken som noen gang er laget, kan være Littlemore Clock bygget av Edward T. Hall på 1990 -tallet (donert i 2003 til National Watch and Clock Museum , Columbia, Pennsylvania, USA).
Mekanisme
Mekanismen som driver en mekanisk klokke kalles bevegelsen. Bevegelsene til alle mekaniske pendelklokker har disse fem delene:
- En strømkilde; enten en vekt på en snor eller kjede som snur en remskive eller tannhjul, eller en hovedfjær
- Et girtog ( hjultog ) som øker hastigheten på kraften slik at pendelen kan bruke den. De utvekslingsforhold i gear toget også dele opp rotasjonshastigheten ned for å gi hjul som roterer en gang hver time, og en gang hver 12. time for å føre hendene på klokken.
- En rømning som gir pendelen nøyaktig tidsbestemte impulser for å holde den svingende, og som slipper girhjulene for å bevege seg et bestemt beløp fremover for hver sving. Dette er kilden til den "tikkende" lyden til en opererende pendelklokke.
- Pendelen, en vekt på en stang, som er tidtakingselementet til klokken
- En indikator eller skive som registrerer hvor ofte rømningen har rotert og derfor hvor lang tid som har gått, vanligvis en tradisjonell urskive med roterende hender.
Ytterligere funksjoner i klokker i tillegg til grunnleggende tidtaking kalles komplikasjoner . Mer forseggjorte pendelklokker kan inneholde disse komplikasjonene:
- Slående tog : slår en bjelle eller gong hver time, med antall streik lik timetallet. Noen klokker vil også signalisere den halve timen med et enkelt streik. Mer forseggjorte typer, teknisk kalt klokkeklokker , slår på i kvartalet, og kan spille melodier eller katedraler, vanligvis Westminster -kvartaler .
- Kalenderoppringninger: vis dag, dato og noen ganger måned.
- Månefaseskive : Viser månens fase , vanligvis med et malt bilde av månen på en roterende skive.
- Likning av tidsskive: denne sjeldne komplikasjonen ble brukt i tidlige dager for å stille klokken etter at solen passerte over hodet ved middagstid. Den viser forskjellen mellom tiden angitt av klokken og tiden angitt av posisjonen til solen, som varierer med så mye som ± 16 minutter i løpet av året.
- Repeaterfeste : gjentar timeklokkene når den utløses for hånd. Denne sjeldne komplikasjonen ble brukt før kunstig belysning for å sjekke hva klokken var om natten.
I elektromekaniske pendelklokker som brukes i mekaniske Master -klokker erstattes strømkilden med en elektrisk drevet magnetventil som gir impulsene til pendelen med magnetisk kraft , og rømningen erstattes av en bryter eller fotodetektor som registrerer når pendelen er i riktig posisjon for å motta impulsen. Disse skal ikke forveksles med nyere kvartspendelklokker der en elektronisk kvartsurmodul svinger en pendel. Dette er ikke sanne pendelklokker fordi tidvisningen styres av en kvartskrystall i modulen, og den svingende pendelen er bare en dekorativ simulering.
Gravity-swing pendel
Pendelen i de fleste klokker (se diagram) består av en tre- eller metallstang (a) med en metallvekt kalt bob (b) på enden. Bobben er tradisjonelt linseformet for å redusere luftmotstand. Trestenger ble ofte brukt i kvalitetsur fordi tre hadde en lavere termisk ekspansjonskoeffisient enn metall. Stangen er vanligvis suspendert fra klokkerammen med en kort rett fjær av metallbånd (d) ; dette unngår ustabilitet som ble introdusert av en konvensjonell pivot. I de mest nøyaktige regulatorklokkene er pendelen suspendert av metallknivkanter som hviler på flate agatplater.
Pendelen drives av en arm som henger bak den festet til ankerstykket (h) på rømningen , kalt "krykken" (e) , og ender med en "gaffel" (f) som omfavner pendelstangen. Hver sving på pendelen frigjør rømningshjulet, og en tann på hjulet presser mot en av pallene og utøver et kort trykk gjennom krykken og gaffelen på pendelstangen for å holde den svingende.
De fleste kvalitetsklokker, inkludert alle bestefarsklokker, har en "sekundpendel", der hver sving i pendelen tar ett sekund (en full syklus tar to sekunder), som er omtrent en meter (39 tommer ) lang fra sving til sentrum av bob. Mantelklokker har ofte en pendel på et halvt sekund, som er omtrent 25 centimeter (9,8 tommer) langt. Bare noen få tårnklokker bruker lengre pendler, den 1,5 sekunders pendelen, 2,25 m (7,4 fot) lang, eller noen ganger den to sekunder lange pendelen, 4 m (13 fot) som brukes i Big Ben.
Pendelen svinger med en periode som varierer med kvadratroten av dens effektive lengde. For små svinger er perioden T , tiden for en komplett syklus (to svingninger)
hvor L er pendelens lengde og g er den lokale akselerasjonen av tyngdekraften . Alle pendelklokker har et middel til å justere hastigheten. Dette er vanligvis en justeringsmutter (c) under pendelbobben som beveger bobben opp eller ned på stangen. Å flytte bobben opp reduserer lengden på pendelen, og reduserer pendelens periode slik at klokken får tid. I noen pendelklokker utføres finjustering med en hjelpestilling, som kan være en liten vekt som flyttes opp eller ned i pendelstangen. I noen hovedklokker og tårnklokker utføres justeringen av et lite brett montert på stangen der små vekter plasseres eller fjernes for å endre den effektive lengden, slik at hastigheten kan justeres uten å stoppe klokken.
Perioden for en pendel øker noe med bredden (amplituden) på svingen. Den hastighet av feilen øker med amplitude, slik at når begrenset til små svingninger av noen få grader pendelen er nesten isokrone ; perioden er uavhengig av endringer i amplitude. Derfor er pendelen i klokker begrenset til 2 ° til 4 °.
Temperaturkompensasjon
En stor feilkilde i pendelklokker er termisk ekspansjon; pendelstangen endres litt i lengden med temperaturendringer, noe som forårsaker endringer i klokkens hastighet. En temperaturøkning får stangen til å ekspandere, noe som gjør pendelen lengre, så perioden øker og klokken mister tid. Mange klokker av eldre kvalitet brukte trependler for å redusere denne feilen, ettersom tre utvider seg mindre enn metall.
Den første pendelen som korrigerte for denne feilen var kvikksølvpendelen som ble oppfunnet av Graham i 1721, som ble brukt i presisjonsregulator -klokker inn på 1900 -tallet. Disse hadde en bob bestående av en beholder med flytende metall kvikksølv . En temperaturøkning ville få pendelstangen til å ekspandere, men kvikksølv i beholderen ville også ekspandere og nivået ville stige noe i beholderen og flytte tyngdepunktet til pendelen opp mot svinget. Ved å bruke riktig mengde kvikksølv forble pendelens tyngdepunkt i konstant høyde, og dermed forble perioden konstant, til tross for temperaturendringer.
Den mest brukte temperaturkompenserte pendelen var gridiron-pendelen som ble oppfunnet av John Harrison rundt 1726. Denne besto av et "rutenett" av parallelle stenger av metall med høy termisk ekspansjon som sink eller messing og metall med lav termisk ekspansjon som f.eks. stål . Hvis de er riktig kombinert, kompenserte lengdeendringen av stengene med høy ekspansjon lengdeendringen på stengene med lav ekspansjon, og oppnådde igjen en konstant periode på pendelen med temperaturendringer. Denne typen pendel ble så forbundet med kvalitet at dekorative "falske" rutenett ofte sees på pendelklokker, som ikke har noen faktisk temperaturkompensasjonsfunksjon.
Fra rundt 1900 hadde noen av de vitenskapeligste klokkene med høyeste presisjon pendler laget av materialer med ekstremt lav ekspansjon, for eksempel nikkelstållegeringen Invar eller smeltet silika , noe som krevde svært liten kompensasjon for effektene av temperatur.
Stemningsfullt drag
Viskositeten til luften som pendelen svinger gjennom vil variere med atmosfærisk trykk, fuktighet og temperatur. Denne dragningen krever også strøm som ellers kan brukes til å forlenge tiden mellom viklingene. Tradisjonelt er pendelboben laget med en smal strømlinjeformet linseform for å redusere luftmotstand, det er der mesteparten av drivkraften går i en kvalitetsklokke. På slutten av 1800 -tallet og begynnelsen av 1900 -tallet ble pendler for presisjonsregulator -klokker i astronomiske observatorier ofte operert i et kammer som hadde blitt pumpet til et lavt trykk for å redusere motstand og gjøre pendelen enda mer nøyaktig ved å unngå endringer i atmosfæretrykk. Finjustering av klokkens hastighet kan gjøres ved små endringer i det indre trykket i det forseglede huset.
Utjevning og "beat"
For å holde tiden nøyaktig må pendelklokkene være helt nivå. Hvis de ikke er det, svinger pendelen mer til den ene siden enn den andre, noe som forstyrrer den symmetriske driften av rømningen. Denne tilstanden kan ofte høres hørbart i den tikkende lyden av klokken. Flåttene eller "slagene" skal ha nøyaktig like store mellomrom for å gi lyden av "tikk ... tikk ... tikk ... tikk"; hvis de ikke er det, og har lyden "tick-tock ... tick-tock ..." er klokken ute av takt og må utjevnes. Dette problemet kan lett få klokken til å slutte å fungere, og er en av de vanligste årsakene til tjenesteanrop. Et vannpass- eller urmaskin kan oppnå en høyere nøyaktighet enn å stole på lyden av rytmen; presisjonsregulatorer har ofte et innebygd vater for oppgaven. Eldre frittstående klokker har ofte føtter med justerbare skruer for å jevne dem, nyere har en justeringsjustering i bevegelsen. Noen moderne pendelklokker har "auto-beat" eller "selvregulerende beatjustering" -enheter, og trenger ikke denne justeringen.
Lokal tyngdekraft
Siden pendelhastigheten vil øke med en økning i tyngdekraften, og lokal tyngdekraft varierer med breddegrad og høyde på jorden, må presisjonspendelklokker justeres for å holde tiden etter et trekk. For eksempel vil en pendelklokke flyttet fra havnivå til 1.200 m miste 16 sekunder per dag. Med de mest nøyaktige pendelklokkene vil selv å flytte klokken til toppen av en høy bygning føre til at den mister målbar tid på grunn av lavere tyngdekraft.
Torsjonspendel
Også kalt torsjonsfjærpendel, dette er en hjullignende masse (oftest fire sfærer på tverr eiker) suspendert fra en vertikal stripe (bånd) av fjærstål, brukt som reguleringsmekanisme i torsjonspendelklokker . Rotasjon av massen vinder og spoler opp fjæren, med energiimpulsen påført toppen av fjæren. Den største fordelen med denne typen pendel er dens lave energibruk; med en periode på 12–15 sekunder, sammenlignet med tyngdekraftens pendelperiode på 0,5–2 sekunder, er det mulig å lage klokker som bare må vikles hver 30. dag, eller bare en gang i året eller mer. Siden gjenopprettingskraften tilveiebringes av fjærens elastisitet , som varierer med temperaturen, påvirkes den mer av temperaturendringer enn en tyngdekraftsvingende pendel. De mest nøyaktige torsjonsklokkene bruker en fjær av elinvar som har lav temperaturskoeffisientskoeffisient.
En torsjonspendelklokke som bare krever årlig svingning kalles noen ganger en " 400-dagers klokke" eller " jubileumsklokke ", noen ganger gitt som en bryllupsgave . Torsjonspendler brukes også i "evige" klokker som ikke trenger vikling, ettersom fjæren deres holdes såret av endringer i atmosfærisk temperatur og trykk med et belgarrangement. Den Atmos klokke , et eksempel bruker en torsjonspendel med en lang svingeperiode på 60 sekunder.
Rømning
Rømningen er en mekanisk kobling som omdanner kraften fra klokkens hjultog til impulser som holder pendelen svingende frem og tilbake. Det er delen som lager den "tikkende" lyden i en fungerende pendelklokke. De fleste rømninger består av et hjul med spisse tenner som kalles rømningshjulet som dreies av klokkens hjultog og overflater tennene skyver mot, kalt paller . Under det meste av pendelens svingning forhindres hjulet i å snu fordi en tann hviler mot en av pallene; dette kalles "låst" tilstand. Hver sving på pendelen frigjør en pall en tann på rømningshjulet. Hjulet roterer frem en fast mengde til en tann tar tak i den andre pallen. Disse utgivelsene lar klokkehjulstoget gå frem et bestemt beløp for hver sving, og beveger hendene fremover med en konstant hastighet, kontrollert av pendelen.
Selv om rømningen er nødvendig, forstyrrer kraften den naturlige bevegelsen til pendelen, og i presisjonspendelklokker var dette ofte den begrensende faktoren for nøyaktigheten av klokken. Ulike rømninger har blitt brukt i pendelklokker gjennom årene for å prøve å løse dette problemet. På 1700- og 1800 -tallet var rømningsdesign i spissen for fremskritt i tidtaking. Ankerutslipp (se animasjon) var standard rømning som ble brukt frem til 1800 -tallet da en forbedret versjon, dødsutsømningen tok over i presisjonsklokker. Den brukes i nesten alle pendelklokker i dag. Den remontoire , en liten fjærmekanisme spoles tilbake med mellomrom som tjener til å isolere gangverket fra den varierende styrke av hjulet tog, ble anvendt i noen presisjon klokker. I tårnklokker må hjultoget snu de store hendene på urskiven på utsiden av bygningen, og vekten på disse hendene, varierende med snø og isoppbygging, legger en varierende belastning på hjultoget. Tyngdekraftsutslipp ble brukt i tårnklokker.
På slutten av 1800 -tallet ble spesialiserte rømninger brukt i de mest nøyaktige klokkene, kalt astronomiske regulatorer , som ble ansatt i marineobservatorier og for vitenskapelig forskning. Riefler-rømmingen, som ble brukt i Clemens-Riefler regulator-klokker, var nøyaktig til 10 millisekunder per dag. Elektromagnetiske escapements, som brukte en bryter eller en fotorøret for å slå på en solenoid elektromagnet for å gi pendelen en impuls uten å kreve en mekanisk binding, ble utviklet. Den mest nøyaktige pendelklokken var Shortt-Synchronome-klokken, en komplisert elektromekanisk klokke med to pendler utviklet i 1923 av WH Shortt og Frank Hope-Jones , som var nøyaktig til bedre enn ett sekund per år. En slavependel i en egen klokke ble knyttet av en elektrisk krets og elektromagneter til en masterpendel i en vakuumtank. Slavependelen utførte tidtakerfunksjonene, og lot masterpendelen svinge praktisk talt uforstyrret av påvirkninger fra utsiden. På 1920-tallet ble Shortt-Synchronome kort den høyeste standarden for tidtaking i observatorier før kvartsklokker erstattet pendelklokker som presisjonstidstandarder.
Tidsangivelse
Indikeringssystemet er nesten alltid den tradisjonelle skiven med timevis og minuttvisere. Mange klokker har en liten tredje hånd som angir sekunder på et datterselskap. Pendelklokker er vanligvis utformet for å stilles inn ved å åpne glassdekselet og manuelt skyve minuttviseren rundt skiven til riktig tid. Minuttviseren er montert på en glidende friksjonshylse som gjør at den kan snus på arboret. Timeviseren kjøres ikke fra hjultoget, men fra minuttvisarens aksel gjennom et lite sett med gir, så rotering av minutviseren stiller også timeviseren manuelt.
Stiler
Pendelklokker var mer enn bare utilitaristiske tidtakere; de var statussymboler som ga uttrykk for rikdommen og kulturen til eierne. De utviklet seg i en rekke tradisjonelle stiler, spesifikke for forskjellige land og tider, samt tiltenkt bruk. Kassestiler gjenspeiler noe av møbelstilene som var populære i perioden. Eksperter kan ofte finne ut når en antikk klokke ble laget i løpet av få tiår av subtile forskjeller i sakene og ansiktene. Dette er noen av de forskjellige stilene til pendelklokker:
- Parlamentsloven
- Jubileumsklokke (bruker en torsjonspendel )
- Banjo klokke
- Brakettklokke
- Kartell klokke
- Comtoise eller Morbier klokke
- Krystallregulator
- gjøkur
- Bestefarsklokke
- Lykteklokke
- Mantel klokke
- Hovedklokke
- Ogee -klokke
- Søyleur
- Skolehusregulator
- Turret klokke
- Wien -regulator
- Zaandam klokke
Se også
- Pendel (matematikk)
- Pendel
- Cycloidal pendel
- Flygende pendelklokke
- Langklokke ( bestefarsklokke )
- Dampklokke
- Balanse våren ( hårspring )