Zegary wahadłowe

Jak działa wahadło?

Wahadło działa poprzez konwersję energii tam i z powrotem, trochę jak jazda na rollercoasterze. Kiedy bob jest najwyżej (najdalej od ziemi), ma maksymalną zmagazynowaną energię (energię potencjalną). Gdy przyspiesza w dół w kierunku najniższego punktu (jego środka, najbliżej ziemi), energia potencjalna jest zamieniana na energię kinetyczną (energię ruchu), a następnie, gdy bob wznosi się ponownie, z powrotem na energię potencjalną. Tak więc, gdy bob kołysze się (oscyluje) tam i z powrotem, wielokrotnie zmienia swoją energię pomiędzy potencjalną i kinetyczną. Coś, co działa w ten sposób, nazywa się harmonicoscillatorem, a jego ruch jest przykładem ruchu prostego harmonicznego, choć nie będziemy się tu zagłębiać w te sprawy.

Artykuł: Wahadło nieustannie zamienia energię potencjalną na kinetyczną.

Gdyby nie było tarcia ani oporu (oporu powietrza), wahadło poruszałoby się w nieskończoność. W rzeczywistości, przy każdym wahnięciu tarcie i opór powietrza odbierają wahadłu trochę więcej energii i stopniowo się ono zatrzymuje. Ale nawet gdy zwalnia, zachowuje czas. Nie wznosi się tak daleko, ale wolniej pokonuje krótszy dystans, więc w rzeczywistości jego wychylenie zajmuje dokładnie tyle samo czasu. Ta przydatna umiejętność (technicznie nazywana izochronizmem, co oznacza po prostu „równe ilości czasu”) sprawia, że wahadło jest tak użyteczne w odmierzaniu czasu.

Galileo zrozumiał to od razu i choć nigdy nie udało mu się zbudować kompletnego zegara wahadłowego.był całkiem blisko (oto model zegara wahadłowego z 1642 roku, który projektował tuż przed śmiercią); zadanie to pozostawił innemu genialnemu naukowcowi, Holendrowi Christiaanowi Huygensowi (1629-1695), który dokończył je w latach 50-tych XVI wieku.(Przeczytaj więcej o Huygensie i jego zegarach i zobacz zdjęcie pierwszego zegara wahadłowego Huygensa z 1656 r.)

Jak działa zegar wahadłowy?

rzypuśćmy, że chcesz zbudować zegar od podstaw w najprostszy możliwy sposób, z najmniejszą liczbą części. Mógłbyś zacząć od tarczy i kilku wskazówek i przesuwać je po tarczy palcem, licząc sekundy dla siebie i odpowiednio przesuwając wskazówki. Youmove druga ręka raz na sekundę, minuta ręka raz na 60seconds, a godzina ręka raz na 60 minut (3600 sekund).Some zegar! To będzie się nużące dość szybko, więc co o automatyzacji rzeczy? Możesz zamontować wskazówki na małej osi napędzanej przez to, co nazwiemy „zębatkami odmierzającymi czas”, tak aby druga wskazówka automatycznie obracała wskazówkę minutową z prędkością 1/60 jej prędkości, a wskazówka minutowa, podobnie, obracała wskazówkę godzinową z prędkością 1/60 jej prędkości. Wtedy wszystko, co musisz zrobić, to liczyć sekundy, obracać drugą ręką, a reszta pracy jest wykonywana za Ciebie.

Ale, poczekaj, to wciąż jest dość żmudne. To, czego naprawdę potrzebujemy, to jakiś sposób na automatyczne zasilanie wskazówek. Można by owinąć wokół osi kawałek sznurka i przymocować do niego ciężarek. Gdy ciężar spadnie, pociągnie oś dookoła, obróci drugą wskazówkę, a ta będzie napędzać resztę zegara. Jedynym problemem jest to, że waga będzie spadać naprawdę szybko i druga ręka będzie wirować wokół zbyt szybko, więc zegar nie będzie trzymać czasu. Dobrze, wprowadźmy jeszcze jeden zestaw kół zębatych – nazwiemy je „kołami zębatymi mocy” (aby nie pomylić ich z kołami zębatymi odmierzającymi czas) – które wezmą moc ze spadającego ciężaru i przekształcą ją tak, że w miarę jak ciężar będzie spadał, wskazówka sekundowa będzie przesuwała się dokładnie o jedną pozycję na tarczy w ciągu jednej sekundy. Ale to nadal nie zadziała, ponieważ waga będzie przyspieszać w miarę spadania, jak każdy spadający obiekt. Innymi słowy, zegar będzie coraz szybszy i szybszy, aż waga uderzy o ziemię z hukiem!

To, co musimy dodać, to mechanizm, który reguluje, jak szybko waga może spaść, pozwalając całemu mechanizmowi odmierzającemu czas na postęp, tak aby druga wskazówka poruszała się o jedną sekundę na tarczy (i tylko o jedną sekundę) w czasie jednej sekundy. To właśnie robi wahadło. Gdy kołysze się z boku na bok, porusza dźwignią zwaną mechanizmem wychwytowym, który blokuje i odblokowuje część mechanizmu napędzaną przez spadający ciężar. (Pomyśl o tym w ten sposób: mechanizm jest zablokowany, a mechanizm wychwytowy zwalnia go, aby mógł się poruszać – innymi słowy, pozwala mu uciec – raz na sekundę.)To właśnie to wielokrotne blokowanie i odblokowywanie sprawia, że słyszymy dźwięk tykania. Ponieważ (przynajmniej w teorii) wahadło o określonej długości zawsze potrzebuje tyle samo czasu, aby obrócić się tam i z powrotem, wahadło jest tym, co utrzymuje zegar w czasie. Mechanizm wychwytu, który reguluje wahadło, również (sprytnie) utrzymuje je w ruchu poprzez wielokrotne dawanie mu lekkiego szturchnięcia – dodatkowego zastrzyku energii, aby przeciwdziałać tarciu i oporowi.

To nie jest dokładnie to, jak działają zegary wahadłowe; jest to bardzo uproszczone przybliżenie tego, co się dzieje, które jest dość łatwe do naśladowania.

Foto: Escapement to kołysząca się dźwignia, która pozwala zębatkom w zegarze posuwać się do przodu tylko w określonym tempie, wyznaczanym przez wahania wahadła. Zdjęcie autorstwa Andersa Sandberga opublikowane na Flickr w 2009 roku na licencji Creative Commons.

Animacja: Jak działa mechanizm zegarowy: 1) Spadający ciężar zasila zegar.2) Podczas opadania, ciężar pociąga za sobą koła zębate. Pozostawiony sam sobie, ciężar przyspieszyłby, spadając coraz szybciej i szybciej. 3) Kołyszący się mechanizm włącza i wyłącza koła zębate, dzięki czemu obracają się one w stałym tempie, a zegar wskazuje dokładny czas. 4) Wahadło kołysze mechanizm zegarowy i ustala tempo, w jakim się porusza.

Podsumowanie działania zegarów

Podsumowując, kluczowymi częściami zegara wahadłowego są:

1. Tarcza i wskazówki, które wskazują czas.
2. Waga, która przechowuje (potencjalną) energię i uwalnia ją do mechanizmu zegarowego, gdy spada, bardzo stopniowo, w ciągu dnia (lub kilku dni, jeśli masz szczęście). Nawijanie zegara podnosi zapas ciężaru, gromadząc więcej energii potencjalnej do zasilania mechanizmu.
3. Zestaw przekładni, które pobierają energię ze spadającego ciężaru i wykorzystują ją do napędzania mechanizmu zegara z odpowiednią prędkością. Jeśli użyjemy naprawdę dużego ciężaru i odpowiednich przekładni, ciężar zmagazynuje wystarczająco dużo energii, aby napędzać zegar przez wiele dni bez konieczności nakręcania go. (Pamiętaj o prawie zachowania energii: im dłużej zegar działa, tym więcej energii zużywa; zegar o większym ciężarze może zmagazynować więcej energii potencjalnej, więc, ogólnie rzecz biorąc, będzie działał dłużej bez nakręcania niż zegar o mniejszym ciężarze.)
4. Zestaw kół zębatych odmierzających czas, które napędzają różne wskazówki wokół tarczy zegara z różnymi prędkościami. Są one zazwyczaj drobniejsze i bardziej precyzyjnie wykonane niż koła zębate mocy.
5. Wahadło i mechanizm zegarowy, które regulują prędkość zegara i utrzymują ją (mniej więcej) na stałym poziomie.

W praktyce, zegary mają wiele innych elementów, części i cech, które horolodzy (mistrzowie zegarmistrzostwa) lubią określać – z wielką szczerością – jako „komplikacje”.”

Zdjęcie: 1) Kiedy większość ludzi myśli o zegarze z wahadłem, to jest to, co wyobrażają sobie w głowie: zegar dziadka (zwany również zegarem longcase). 2) Zegary takie jak ten mają długie wahadło, które wykonuje tylko stosunkowo wąski ruch tam i z powrotem. 3) Zegary dziadkowe często mają bardzo ozdobne i pięknie malowane tarcze.

Niektóre wady zegarów wahadłowych

Fot: Jeden z najdokładniejszych zegarów wahadłowych, jakie kiedykolwiek powstały, zanim lepsze technologie uczyniły je przestarzałymi. Był to oficjalny standard pomiaru czasu w USA od 1904 do 1929 r. Został wykonany przez Clemensa Rieflera w Niemczech.Zdjęcie dzięki uprzejmości National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899.

Czy widzisz jakieś problemy z zegarami wahadłowymi? Ja też! Wahadło o pewnej długości potrzebuje tyle samo czasu, aby poruszać się tam i z powrotem, jeśli siła grawitacji pozostaje taka sama. Ale co się stanie, jeśli długość wahadła się zmieni? Tak może się stać, jeśli jest to wahadło metalowe, a temperatura w pokoju wzrasta lub spada (np. między zimą a latem), ponieważ metale rozszerzają się w cieple i kurczą w zimnie.

A co z grawitacją? Traktujemy ją tak, jakby była stała, ale siła, z jaką ziemska grawitacja oddziałuje na obiekty, różni się na całej powierzchni naszej planety: jest tym większa, im bliżej środka Ziemi się znajdujemy, więc staje się nieco mniejsza, gdy wspinamy się w góry i nieco większa, gdy zbliżamy się do poziomu morza. Oznacza to, że ten sam zegar wahadłowy będzie odmierzał różne czasy w Nowym Jorku i Kolorado, na przykład! A skoro mowa o morzu, wyobraź sobie, że zabierasz zegar wahadłowy na statek. Co wszystkie kołysanie i toczenie fal będzie zrobić do zgrabnych ruchów tam i z powrotem swojego wahadła? Nie będzie działał zbyt dobrze, prawda?

Pierwszy z tych problemów – nieznacznie zmieniająca się długość wahadła – jest stosunkowo łatwy do rozwiązania. Dwa wczesne rodzaje to wahadła rtęciowe (zawierające szklane rurki wypełnione ciekłą rtęcią) i wahadła żelazne (wykonane przy użyciu dwóch różnych metali, takich jak stal i miedź, cynk i stal lub stal i mosiądz, które znoszą wzajemne rozszerzanie się i kurczenie). Na początku XX wieku ludzie zaczęli produkować wahadła z nowego materiału o nazwie invar (stop niklu i stali), który rozszerzał się bardzo nieznacznie przy zmianach temperatury i praktycznie rozwiązał ten problem.

Niewiele można zrobić z grawitacją, jednak, tak jak w przypadku zegarów wahadłowych na statkach, stopniowo zaczęto opracowywać lepsze formy pomiaru czasu, które sprawiły, że stały się one zbędne. Ale to już inna historia! (You can follow it up in the „Find out more” section below.)