Ceasnicele cu pendul

Cum funcționează un pendul?

Un pendul funcționează prin transformarea energiei înainte și înapoi, un pic ca un rollercoaster. Atunci când bob-ul este cel mai sus (cel mai departe de sol), acesta are maximum de energie stocată (energie potențială). Pe măsură ce accelerează în jos spre punctul cel mai de jos (punctul său median, cel mai apropiat de sol), această energie potențială este convertită în energie cinetică (energia mișcării) și apoi, pe măsură ce pendulul urcă din nou, înapoi în energie potențială. Astfel, în timp ce bob-ul se balansează (oscilează) înainte și înapoi, el își schimbă în mod repetat energia între energia potențială și cea cinetică. Ceva care funcționează în acest fel se numește oscilator armonic, iar mișcarea sa este un exemplu de mișcare armonică simplă, deși nu vom intra în aceste lucruri aici.

Opera de artă: Un pendul schimbă în mod constant energia potențială și energia cinetică.

Dacă nu ar exista frecare sau rezistență (rezistența aerului), un pendul ar continua să se miște la nesfârșit. În realitate, la fiecare oscilație se constată că frecarea și rezistența la înaintare fură un pic mai multă energie de la pendul și acesta se oprește treptat. Dar chiar dacă încetinește, el păstrează timpul. Nu urcă la fel de mult, dar parcurge distanța mai scurtă mai încet – astfel încât, de fapt, îi ia exact același timp să se balanseze. Această abilitate la îndemână (numită tehnic izocronism, care înseamnă doar „cantități egale de timp”) este ceea ce face pendulul atât de util pentru măsurarea timpului.

Galileu și-a dat seama imediat de acest lucru și, deși nu a reușit niciodată să construiască un ceas cu pendul complet.a fost destul de aproape (aici este un model al ceasului cu pendul din 1642 pe care îl proiecta chiar înainte de moartea sa); a fost lăsat pe seama unui alt om de știință strălucit, olandezul Christiaan Huygens (1629-1695), să termine treaba în anii 1650.(Citiți mai multe despre Huygens și ceasurile sale și vedeți o fotografie a primului ceas cu pendul Huygens din 1656.)

Cum funcționează un ceas cu pendul?

Să presupunem că doriți să construiți un ceas de la zero în cel mai simplu mod posibil, cu cel mai mic număr de piese. Ai putea să începi cu un cadranși câteva mâini și să le deplasezi pe cadran cu degetul,numărând secundele pentru tine și mișcând mâinile în consecință. Mișcați acul secundar o dată pe secundă, acul minutelor o dată la 60 de secunde și acul orelor o dată la 60 de minute (3600 de secunde).Ce mai ceas! Acest lucru va deveni plictisitor destul de repede, așa că ce-ar fi să automatizăm lucrurile? Ați putea monta acele pe un mic ax acționat de ceea ce vom numi „angrenaje de cronometrare”, astfel încât acul secundar să rotească automat acul minutelor la 1/60 din viteza sa, iar acul minutelor, la fel, să rotească acul orelor la 1/60 din viteza sa. Apoi, tot ce trebuie să faceți este să numărați secundele, să rotiți mâna a doua, iar restul lucrului este făcut pentru dumneavoastră.

Dar, stați puțin, asta este încă destul de plictisitor. Ceea ce ne trebuie cu adevărat este o modalitate de a acționa automat mâinile. Ați putea să înfășurați o bucată de sfoară în jurul axei și să îi atașați o greutate. Pe măsură ce greutatea cade, aceasta va trage axul în jurul său, va roti mâna a doua, iar aceasta va acționa restul ceasului. Singura problemă este că greutatea va cădea foarte repede, iar mâna a doua se va roti prea repede, astfel încât ceasul nu va mai ține timpul. Bine, să introducem un alt set de angrenaje – pe care le vom numi „angrenaje de putere” (pentru a nu le confunda cu angrenajele de măsurare a timpului) – care vor prelua energia de la greutatea care cade și o vor transforma astfel încât, pe măsură ce greutatea cade, acul secundar să avanseze exact o poziție pe cadran într-o secundă. Dar acest lucru tot nu va funcționa, deoarece greutatea va accelera pe măsură ce coboară, ca orice obiect în cădere. Cu alte cuvinte, ceasul va deveni din ce în ce mai rapid până când greutatea va lovi pământul cu o lovitură puternică!

Ceea ce trebuie să adăugăm este un mecanism care să reglementeze cât de repede poate cădea greutatea, permițând întregului mecanism de cronometrare să avanseze astfel încât această a doua manetă să se deplaseze o secundă pe cadran (și numai o secundă) într-un timp de o secundă. Aceasta este ceea ce face pendulul. În timp ce se balansează dintr-o parte în alta, balansează o pârghie numită scăpare care blochează și apoi deblochează partea mecanismului acționat de căderea greutății (gândește-te în felul următor: mecanismul este blocat, iar scăparea îl deblochează astfel încât să se poată mișca – cu alte cuvinte, îl lasă să evadeze – o dată pe secundă.) Această blocare și deblocare repetată este cea care produce sunetul tic-tac pe care îl poți auzi. Deoarece (cel puțin în teorie) un pendul de o anumită lungime are întotdeauna nevoie de același timp pentru a se mișca înainte și înapoi, pendulul este cel care menține ceasul la timp. Mecanismul de evadare pe care pendulul îl reglează îl menține, de asemenea, (în mod inteligent) în mișcare înainte și înapoi, dându-i în mod repetat o ușoară împingere – o injecție suplimentară de energie pentru a contracara frecarea și rezistența.

Acesta nu este exact modul în care funcționează ceasurile cu pendul; este o aproximare foarte simplificată a ceea ce se întâmplă, care este destul de ușor de urmărit.

Foto: Evadarea este o pârghie oscilantă care permite angrenajelor dintr-un ceas să avanseze doar cu o anumită viteză, determinată de oscilațiile pendulului. Fotografie de Anders Sandberg publicată pe Flickr în 2009 sub o licență Creative Commons.

Animare: Cum funcționează eșapamentul: 1) Greutatea care cade alimentează ceasul. 2) Pe măsură ce coboară, greutatea trage angrenajele în jurul ei. Lăsată de capul ei, greutatea ar accelera,căzând din ce în ce mai repede. 3) Evadarea prin legănare angrenează și dezangajează angrenajele, astfel încât acestea se rotesc cu o viteză constantă, iar ceasul arată ora exactă. 4) Pendulul care se balansează balansează eșapamentul și stabilește viteza cu care acesta se mișcă.

Un rezumat al funcționării ceasurilor

În concluzie, deci, părțile cheie ale unui ceas cu pendul sunt:

1. Un cadran și mâini care indică ora.
2. O greutate care stochează energie (potențială) și o eliberează mecanismului ceasului pe măsură ce cade, foarte treptat, pe parcursul unei zile (sau a mai multor zile, dacă aveți noroc). Înfășurarea ceasului ridică greutatea de rezervă, stocând mai multă energie potențială pentru a alimenta mecanismul.
3. Un set de angrenaje de putere care preiau energia de la greutatea care cade și o folosesc pentru a acționa mecanismul ceasului la viteza corectă. Dacă folosim o greutate foarte grea și angrenajele de putere potrivite, greutatea va stoca suficientă energie pentru a acționa ceasul zile întregi fără a fi nevoie să-l înfășurăm. (Amintiți-vă aici legea conservării energiei: cu cât ceasul funcționează mai mult timp, cu atât mai multă energie folosește; un ceas cu o greutate mai mare poate stoca mai multă energie potențială, așa că, în general, va funcționa mai mult timp fără a fi înfășurat decât unul cu o greutate mai mică.)
4. Un set de angrenaje de cronometrare care antrenează diferitelemâne în jurul cadranului ceasului la viteze diferite. Acestea sunt, de obicei, mai fine și mai precis realizate decât angrenajele de putere.
5. Un pendul și un eșapament care regleazăviteza ceasului și o mențin (mai mult sau mai puțin) constantă.

În practică, ceasurile au o mulțime de alte biți, piese, părți și caracteristici la care horologilor (maeștrii ceasornicari) le place să se refere – cu o onestitate splendidă – ca fiind „complicații”.”

Foto: 1) Când majoritatea oamenilor se gândesc la un ceas cu pendul, asta este ceea ce își imaginează în minte: un ceas cu pendul(numit și ceas cu carcasă lungă). 2) Ceasurile de genul acesta au un pendul lung care face doar o baleiaj relativ îngust înainte și înapoi. 3) Ceasurile bunicilor au adesea cadrane foarte ornamentate și frumos pictate.

Câteva dezavantaje ale ceasurilor cu pendul

Foto: Unul dintre cele mai precise ceasuri cu pendul fabricate vreodatăînainte ca tehnologii mai bune să le facă depășite. Acesta a fost standardul oficial de cronometrare a timpului în SUA din 1904 până în 1929. a fost realizat de Clemens Riefler în Germania. fotografie realizată prin amabilitatea Institutului Național de Standarde și Tehnologie, Gaithersburg, MD 20899.

Vezi vreo problemă cu ceasurile cu pendul? Și eu la fel! Un pendul de o anumită lungime are nevoie de același timp pentru a se mișca înainte și înapoi dacă forța de gravitație rămâne aceeași. Dar ce se întâmplă dacă lungimea pendulului se schimbă? Acest lucru s-ar putea întâmpla cu siguranță dacă este un pendul din metal și temperatura camerei crește sau scade (de exemplu, între iarnă și vară), deoarece metalele se dilată la căldură și se contractă la frig.

Cum rămâne cu gravitația? O tratăm ca și cum ar fi o constantă, dar puterea cu care forța gravitațională a Pământului se exercită asupra obiectelor variază pe suprafața planetei noastre: este cu atât mai mare cu cât vă aflați mai aproape de centrul Pământului, așa că devine ușor mai mică pe măsură ce urcați în munți și ușor mai mare pe măsură ce vă apropiați de nivelul mării. Asta înseamnă că același ceas cu pendul va avea ore diferite în New York City și Colorado, de exemplu! Și apropo de mare, imaginați-vă că luați un ceas cu pendul pe o navă. Ce vor face toate valurile care se mișcă și se rostogolesc asupra mișcărilor de înainte și înapoi ale pendulului dumneavoastră? Nu va funcționa prea bine, nu-i așa?

Prima dintre aceste probleme – lungimea ușor schimbătoare a pendulului – este relativ ușor de rezolvat. Pur și simplu folosim penduluri de compensare care se ajustează automat („compensează”) pe măsură ce temperatura se schimbă.Două dintre primele tipuri au fost pendulurile cu mercur (care încorporează tuburi de sticlă pline cu mercur lichid) și pendulurile de fier (realizate prin utilizarea a două metale diferite, cum ar fi oțel și cupru, zinc și oțel sau oțel și alamă, care își anulează reciproc expansiunile și contracțiile). La începutul secolului al XX-lea, oamenii au început să fabrice penduluri dintr-un nou material numit invar (un aliaj de nichel și oțel), care se dilată foarte puțin odată cu schimbările de temperatură și a rezolvat practic problema.

Nu poți face prea multe în legătură cu gravitația, totuși, și, ca și în cazul ceasurilor cu pendul de pe nave, au fost dezvoltate treptat forme mai bune de măsurare a timpului care le-au făcut inutile. Dar asta este o altă poveste! (You can follow it up in the „Find out more” section below.)

• 
• 
•