Az ingaórák

Hogyan működik az inga?

Az inga úgy működik, hogy energiát alakít át oda-vissza, kicsit úgy, mint egy hullámvasút. Amikor a bóbita a legmagasabb (legtávolabb van a talajtól), akkor van a legnagyobb tárolt energiája (potenciális energia). Ahogy lefelé gyorsul a legalacsonyabb pont felé (a középpontja, a talajhoz legközelebb), ez a potenciális energia kinetikus energiává (mozgási energiává) alakul át, majd ahogy a bóbita ismét felfelé emelkedik, vissza potenciális energiává. Ahogy tehát a bóbita előre-hátra hintázik (oszcillál), az energiája ismételten ide-oda változik a potenciális és a kinetikus energia között. Valamit, ami így működik, harmonikus oszcillátornak nevezünk, és a mozgása példa az egyszerű harmonikus mozgásra, bár ezekre a dolgokra itt most nem térünk ki.

Művészeti alkotás:

Ha nem lenne súrlódás vagy légellenállás (légellenállás), az inga örökké mozogna. A valóságban minden kilengésnél a súrlódás és a légellenállás egy kicsit több energiát vesz el az ingától, és az fokozatosan megáll. De még ha lassul is, megtartja az időt. Nem emelkedik olyan messzire, de a rövidebb távolságot lassabban teszi meg, így valójában pontosan ugyanannyi idő alatt lendül meg. Ez a praktikus képesség (amit technikailag izokronizmusnak hívnak, ami egyszerűen annyit jelent, hogy “egyenlő ideig tart”) teszi az ingát olyan hasznossá az időméréshez.

Galileo rögtön rájött erre, és bár valójában soha nem sikerült neki egy teljes ingaórát építenie.elég közel járt hozzá (itt az 1642-es ingaóra modellje, amelyet nem sokkal halála előtt tervezett); a munka befejezése az 1650-es években egy másik zseniális tudósra, a holland Christiaan Huygensre (1629-1695) maradt.(Olvasson többet Huygensről és óráiról, és nézze meg az 1656-os első Huygens-ingaóra fényképét.)

Hogyan működik egy ingaóra?

ételezzük fel, hogy a lehető legegyszerűbb módon, a lehető legkevesebb alkatrészből szeretnénk órát építeni a semmiből. Kezdheted egy számlap és néhány mutatóval, és az ujjaddal mozgathatod őket a számlapon, számolhatod magadban a másodperceket, és ennek megfelelően mozgathatod a mutatókat. A másodpercmutatót másodpercenként egyszer, a percmutatót 60 másodpercenként egyszer, az óramutatót pedig 60 percenként egyszer mozgatod (3600 másodperc).Szép óra! Ez elég gyorsan unalmassá válik, ezért mi lenne, ha automatizálnánk a dolgokat? A mutatókat egy kis tengelyre szerelhetnénk, amelyet “időmérő fogaskerekek”-nek nevezünk, így a másodpercmutató automatikusan a percmutatót forgatja a percmutatót a sebességének 1/60-ával, és a percmutató hasonlóképpen az óramutatót a sebességének 1/60-ával. Ezután már csak a másodperceket kell számolnia, a másodpercmutatót forgatnia, és a munka többi részét elvégezte Ön helyett.

De várjunk csak, ez még mindig elég unalmas. Amire igazán szükségünk van, az a mutató automatikus működtetése. Tekerhetnénk egy darab zsinórt a tengely köré, és rögzíthetnénk rá egy súlyt. Ahogy a súly leesik, az körbehúzza a tengelyt, elfordítja a másodperces mutatót, és ez fogja meghajtani az óra többi részét. Az egyetlen probléma az, hogy a súly nagyon gyorsan fog esni, és a másodpercmutató túl gyorsan fog körbe-körbe suhanni, így az óra nem fogja tartani az időt. Oké, vezessünk be egy másik fogaskerékkészletet – nevezzük őket “hajtóműveknek” (hogy ne keverjük össze az időmérő fogaskerekekkel) -, amelyek a csökkenő súlytól veszik el az erőt, és úgy alakítják át, hogy a súly csökkenésével a másodpercmutató pontosan egy pozíciót lépjen előre a számlapon egy másodperc alatt. De ez még mindig nem fog működni, mert a súly lefelé haladva felgyorsul, mint minden zuhanó tárgy. Más szóval, az óra egyre gyorsabb és gyorsabb lesz, amíg a súly egy csattanással a földre nem ér!

Azt kell hozzáadnunk, hogy egy olyan mechanizmus szabályozza a súly esésének sebességét, amely lehetővé teszi, hogy az egész időmérő szerkezet úgy haladjon előre, hogy a másodpercmutató egy másodpercet (és csak egy másodpercet) lépjen előre a számlapon egy másodperc alatt. Ezt teszi az inga. Miközben oldalról oldalra leng, megpendíti a csuklónak nevezett kart, amely rögzíti, majd feloldja a mechanizmusnak azt a részét, amelyet a leeső súly hajt. (Gondoljon erre így: a mechanizmus rögzítve van, és a csukló feloldja, hogy mozoghasson – más szóval, másodpercenként egyszer engedi kiszabadulni.) Ez az ismételt rögzítés és feloldás okozza a hallható tik-tak hangot. Mivel (legalábbis elméletben) egy bizonyos hosszúságú inga mindig ugyanannyi időt vesz igénybe, hogy oda-vissza lengjen, az inga tartja az órát az időben. Az inga által szabályozott mozgási mechanizmus (okosan) úgy tartja az inga előre-hátra mozgását, hogy többször ad neki egy kis lökést – egy plusz energiainjekciót a súrlódás és az ellenállás ellensúlyozására.

Az ingaórák nem pontosan így működnek; ez egy nagyon leegyszerűsített megközelítése a folyamatnak, ami viszonylag könnyen követhető.

Fotó: Anders Sandberg: A csuklógátló egy lengőkar, amely lehetővé teszi, hogy az óra fogaskerekei csak egy bizonyos sebességgel haladjanak előre, amelyet az inga lengései határoznak meg. Anders Sandberg fotója a Flickr-en 2009-ben jelent meg Creative Commons licenc alatt.

Animáció: Hogyan működik a csigahajtómű: 1) A leeső súly hajtja az órát. 2) Ahogy esik, a súly húzza a fogaskerekeket. Magára hagyva a súly felgyorsulna,egyre gyorsabban és gyorsabban esne. 3) A billegő hajtómű be- és kikapcsolja a fogaskerekeket, így azok állandó sebességgel forognak, és az óra pontos időt mutat. 4) A lengő inga megingatja a csigaházat, és beállítja a mozgási sebességet.

Az órák működésének összefoglalása

Az ingaóra legfontosabb részei tehát:

1. A számlap és a mutatók, amelyek az időt jelzik.
2. A súly, amely (potenciális) energiát tárol, és azt az óra szerkezetének adja át, miközben egy nap (vagy több nap, ha szerencsénk van) alatt nagyon fokozatosan esik. Az óra felhúzása megemeli a súly tartalékát, több potenciális energiát tárolva a szerkezet működtetéséhez.
3. Egy fogaskerékkészlet, amely energiát vesz el a leeső súlyból, és arra használja fel, hogy a megfelelő sebességgel meghajtja az óra szerkezetét. Ha igazán nehéz súlyt és a megfelelő hajtóműveket használunk, a súly elegendő energiát tárol ahhoz, hogy napokig működtesse az órát anélkül, hogy fel kellene húzni.(Ne feledje az energia megőrzésének törvényét:minél tovább fut az óra, annál több energiát használ fel; egy nehezebb súlyú óra több potenciális energiát tud tárolni, így általában véve tovább fog futni felhúzás nélkül, mint egy könnyebb súlyú)
4. Az időmérő fogaskerekek készlete, amelyek különböző sebességgel hajtják az óralap körül a különböző mutatókat. Ezek általában finomabbak és precízebbek, mint a hajtóművek.
5. Az inga és a járókeret, amelyek szabályozzák az óra sebességét, és (többé-kevésbé) állandóan tartják azt.

A gyakorlatban az óráknak sok más apróságuk, darabjuk, alkatrészük és funkciójuk van, amelyeket a horológusok (órásmesterek) szeretnek – nagyszerű őszinteséggel – “komplikációknak” nevezni.”

Fotó: 1) Amikor a legtöbb embernek egy ingaóra jut eszébe, ez jut eszébe: egy nagyapai óra (más néven hosszúházas óra). 2) Az ilyen óráknak hosszú inga van, amely csak egy viszonylag keskeny lendületet tesz előre-hátra. 3) A nagyapai órák gyakran nagyon díszes és szépen festett számlapokkal rendelkeznek.

Az ingaórák néhány hátránya

Fotó: NIST: A valaha készült egyik legpontosabb ingaóra, mielőtt a jobb technológiák elavulttá tették volna őket. Ez volt a hivatalos amerikai időmérési szabvány 1904-től 1929-ig.Németországban készítette Clemens Riefler.A fotó a National Institute of Standards and Technology (Gaithersburg, MD 20899) jóvoltából készült.

Az ingaórákkal kapcsolatos problémákat látja? Én is! Egy bizonyos hosszúságú inga ugyanannyi idő alatt mozog oda-vissza, ha a gravitáció ereje változatlan marad. De mi van, ha az inga hossza változik? Ez biztosan megtörténhet, ha ez egy fém inga, és a szoba hőmérséklete emelkedik vagy csökken (mondjuk tél és nyár között), mert a fémek a melegben kitágulnak, a hidegben pedig összehúzódnak.

Most mi van a gravitációval? Úgy kezeljük, mintha állandó lenne, de az erő, amellyel a Föld gravitációs ereje a tárgyakra hat, bolygónk felszínén változik: annál nagyobb, minél közelebb vagyunk a Föld középpontjához, így a hegyek megmászásával kissé kisebb, a tengerszinthez közeledve pedig kissé nagyobb lesz. Ez azt jelenti, hogy ugyanaz az ingaóra eltérő időt mutat például New York Cityben és Coloradóban! És ha már a tengerről beszélünk, képzeljük el, hogy egy ingaórát hajóra viszünk. Mit fog tenni a hullámok billegése és hullámzása az inga pontos előre-hátra mozgásával? Nem fog túl jól működni, ugye?

Az első probléma – az inga kissé változó hossza – viszonylag könnyen orvosolható. Egyszerűen olyan kompenzáló ingákat használunk, amelyek automatikusan beállnak (“kompenzálnak”), ahogy a hőmérséklet változik.Két korai fajtája a higanyinga (folyékony higannyal teli üvegcsöveket tartalmazott) és a vasinga (két különböző fém, például acél és réz, cink és acél vagy acél és sárgaréz felhasználásával készült, amelyek kioltják egymás tágulását és összehúzódását). A 20. század elején az emberek egy új anyagból, az invarból (nikkel és acél ötvözete) kezdtek ingákat készíteni, amelyek a hőmérsékletváltozás hatására nagyon kis mértékben tágultak, és gyakorlatilag megoldották a problémát.

A gravitáció ellen azonban nem sokat lehet tenni, és ahogy a hajókra szerelt ingaórák esetében, úgy az időmérés jobb formáit is fokozatosan fejlesztették ki, amelyek szükségtelenné tették őket. De ez már egy másik történet! (You can follow it up in the “Find out more” section below.)