Для чего нужен маятник в часах
Маятниковые часы
Тик так, Тик так – этот звук мы вспоминаем, когда думаем о часах. Хотя подавляющее большинство современных часов едва ли издают хоть какой-то звук. Не так давно почти каждые часы издавали характерный для часов звук, потому что они были полностью механическими, а не электронными. Раньше для того чтобы часы работали было необходимо поворачивать ключ, заводить пружину, после прислушавшись можно было услышать как работают шестерни. Так давайте разберёмся, как на самом деле работают старомодные маятниковые часы.
Что такое маятник?
Маятник представляет собой стержень, который висит вертикально и раскачивается из стороны в сторону под действием силы тяжести. Как обнаружил итальянский учёный Галилео Галилей(1564-1642), полное колебание маятника занимает одинаковое время. В теории, единственное, что влияет на колебание маятника, это его длина и сила тяжести. Для относительно небольших колебаний, время (Т), которое требуется для того, чтобы маятник сделал одно полное колебание(известное как период) вычисляется по следующему уравнению:
Где, l — это длина маятника, g – мера силы тяжести(ускорение свободного падения). Из этого уравнения видно, что вам надо в 4 раза увеличить длину маятника, чтобы в 2 раза увеличить время колебания.
Как маятник работает?
Маятник работает путём преобразования кинетической энергии в потенциальную и обратно. Когда маятник находится в крайнем положении он имеет максимальную накопленную энергию(потенциальную энергию). В самой нижней точке, максимально близкой к земле потенциальная энергия переходит в кинетическую и имеет её максимальное значение в этой точке. Таким образом, маятник постоянно переводит потенциальную и кинетическую энергии друг в друга, что является примером простого гармонического колебания. Если бы трение соприкасающихся элементов и сопротивление среды(воздуха) отсутствовало, то есть были созданы идеальные условия, то маятник бы совершал колебания вечно. Но в реальных условиях маятник учитывая вышеперечисленные факторы замедляется. Но что является очень важным для хронометража, даже при уменьшении амплитуды колебания время колебания маятника не изменяется. Галилей сразу отметил эту полезную функцию, но построить маятниковые часы ему так и не удалось, удалось лишь представить модель маятниковых часов в 1642 году. Галилей передал свои труды датскому учёному Христиану Гюйгенсу. Он и сделал первые маятниковые часы в 1650 году.
Как работают маятниковые часы?
Почти все маятниковые часы сконструированы следующим образом: в часовом механизме, который Вы видите, груз 1 с помощью троса через валик 2 приводит в движение систему колес. Этот груз обеспечивает энергию для часов. Усилие через несколько колесных пар передается на тормозное колесико 3. Проворачивание часового механизма тормозится в результате взаимодействия тормозного колесика 3 и анкера 4 и регулируется маятником 5. Тормозное колесико будет продвигаться дальше лишь в том случае, если маятник приведет анкер в такое положение, когда он отпустит тормозную шестеренку. Одновременно другой конец анкера проходит в пространство между шестеренками и тем самым ограничивает движение тормозного колесика 3 на половину длины зубчика. Теперь, когда маятник будет совершать обратное движение, зубчик надавит на анкер и через стержень передаст усилие на маятник. Маятник при этом получает небольшую дополнительную энергию, что компенсирует имеющиеся у него потери на трение. Эта игра повторяется при каждом движении маятника. Таким образом, тормозное колесико движется в такт колебаниям маятника. Через несколько шестеренок оно соединено с минутной шестеренкой 7. Скорости промежуточных шестеренок рассчитаны таким образом, чтобы минутная шестеренка проворачивалась один раз в час, т.е. со скоростью большой стрелки, соединенной с минутной шестеренкой. И, наконец, шестеренки 8, 9 и 10 служат для того, чтобы маленькая стрелка двигалась в 12 раз медленнее, чем большая. Комбинацию из стрелок 8, 9 и 10 называют также стрелочным механизмом.
Недостатки маятниковых часов.
Как мы рассмотрели выше, время колебания маятника зависит от длины стержня и силы тяжести. Но длина металлического стержня может изменяться при изменении температуры, это изменение незначительное, но будет оказывать влияние на точность измерения времени. То же касается силы притяжения. Часы ближе к центру земли, на уровне моря и высоко в горах будут отсчитывать время не одинаково. Так же применение маятников часов на корабле практически невозможно, или очень затруднено. Но все эти проблемы были только на заре появления маятниковых часов. В процессе развития науки все проблемы были решены.
Маятниковые часы.
Маятниковые часы получили такое название потому, что регулятором в них является маятник. Их изготовляют напольные, настенные и специальные (астрономические и электропервичные).
В зависимости от вида двигателя маятниковые часы бывают гиревые и пружинные. Гиревой двигатель применяется в напольных и настенных, а пружинный двигатель — в настенных и настольных часах.
Маятниковые часы выпускаются разных размеров и конструкций, простые и сложные, например, с такими дополнительными устройствами, как бой, календарь. Самой простой конструкцией маятниковых часов являются ходики.
На рис. 85, а представлена кинематическая схема часов с кукушкой, разработанных на базе часов «ходиков» (см. рис. 85, б). Рассмотрим работу механизма боя, который действует в течение короткого промежутка времени после автоматического освобождения его стрелочным механизмом. На центральной оси стрелок вращается минутное колесо 32 с двумя штифтами 33, При повороте колеса на каждые полчаса штифт поднимает двуплечий рычаг включения 5, который, упираясь в штифт оси рычага замыкания 8, поднимает его. При подъеме рычага 8 освобождается штифт стопорного колеса 10, при этом оно поворачивается, пока штифт, находящийся на нем, не попадает на выступ двуплечего рычага включения. При подходе минутной стрелки к цифрам «6» и «12» штифт 33 минутного колеса 32 перемещается и освобождает лежащий на нем двуплечий рычаг включения 5, при этом рычаг, падая, возвращается в свое исходное положение, освобождая штифт стопорного колеса 10 и приводя в действие механизм кукушки. В корпусе часов установлено два деревянных свистка, к верхним концам которых присоединены меха 16 и 17 с крышками, изготовленными из мягкой кожи. С помощью валиков 18 и 19 рычагов подъема, взаимодействующих со звездочкой 20, меха приводятся в действие. При подъеме меха вбирают в себя воздух, при опускании они сжимаются под действием массы крышек и свистки издают звук, похожий на кукование. На поворотном кронштейне 6, приводимом в действие от рычага замыкания механизма боя, установлена фигура кукушки. При подъеме рычага 8 (в результате поворота кулачка 9) кронштейн кукушки поворачивается и выдвигает кукушку в окно, одновременно открывая дверцу. Один из мехов при подъеме поднимает изогнутый хвост кукушки, в результате чего фигурка кукушки наклоняется. Механизм боя имеет счетный диск, соединенный со счетным колесом 24, которое вращается счетным трибом 23, закрепленным на оси звездочки 20. На счетном диске имеются неравные выступы, размеры которых определяются числом требуемых звуков кукушки или боя. Счетный диск, поворачиваясь, подставляет очередную выемку под рычаг счетчика 7, который, опускаясь вместе с рычагом замыкания, стопорит колесо 10 и весы, механизм.
Рис. 85. Кинематическая схема часов (ходиков):
На рис. 85, б представлена кинематическая схема часов с гиревым двигателем (ходиков). Гиря 42 подвешена на цепи 41. Цепь надета на находящуюся за колесом 36 звездочку. Звездочка, две боковые шайбы, которые не позволяют цепи соскакивать со звездочки, и трехлепестковая пружина-собачка (эти детали на рисунке не видны) неподвижно закреплены на втулке. Весь этот узел называется блочек.
Блочек свободно вращается на втулке среднего колеса 36, закрепленного неподвижно на валике минутного триба 40, на конце которого насажена минутная стрелка. При опускании гири цепь вращает звездочку по часовой стрелке. Вместе со звездочкой вращается весь блочек. Трехлепестковая пружина (собачка) своими согнутыми лепестками входит в окна среднего колеса 36 и вращает его по часовой стрелке. Вместе со средним колесом 36 вращается валик 39 с минутной стрелкой 38. За один час валик делает один оборот.
Через минутный триб 40, колесо 29 и триб 28 движение передается часовому колесу 31, число оборотов которого в 12 раз меньше числа оборотов минутного триба.
На втулке часового колеса 31 насажена часовая стрелка 37, которая делает один оборот за 12 ч. Среднее колесо 36 приводит в движение триб 27 промежуточного колеса 25, которое передает движение трибу 2 ходового колеса 3. С ходового колеса 3 получает импульс скоба 35.
Скоба 35 через поводок 34 передает импульсы на маятник 43, поддерживая его колебания. Скоба 35 периодически затормаживает и освобождает ходовое колесо. Период колебания маятника, числа зубьев колес и трибов рассчитаны так, чтобы минутная стрелка совершала один оборот в час.
При подъеме гири вверх звездочка, а вместе с ней весь блок вращаются в направлении против часовой стрелки.
Трехлепестковая пружина скользит своими лепестками по поверхности спиц среднего колеса. В это время маятник не получает импульсов, поддерживающих его колебания. Несмотря на простоту конструкции, часы-ходики работают с высокой точностью, так как момент на ходовом колесе постоянен, а следовательно, и постоянны импульсы, передаваемые маятнику.
На рис. 86 показана кинематическая схема более сложных и точных маятниковых часов, выпускаемых отечественной промышленностью. Это напольные маятниковые часы, которые отбивают целые часы, получасы и четверти часа. В схеме условно изображены не все зубья на колесах и трибах. Передача движения от двигателя к маятнику происходит следующим образом. От гири через цепь, связанную с колесом 19, движение передается на триб 20, дополнительное колесо 23, триб 21, промежуточное колесо 22, триб ходового колеса и на ходовое колесо 5. Ходовое колесо взаимодействует с маятником через скобу 6. С осью дополнительного колеса фрикционно соединено вексельное колесо 16 с трибом, передающее движение на часовую и минутную стрелки.
Механизм боя в часах является самостоятельным и связан с часовым механизмом с помощью специальных кулачков и рычагов. На трибе минутной стрелки 15 закреплен кулачок 17 с четырьмя выступами, которые каждые четверть часа поднимают специальный рычаг 18. При этом отключается стопор 3, удерживающий колесную систему боя четвертей. При помощи специального регулятора скорости 4 колесная система механизма боя приходит в равномерное движение. На оси колеса 1 имеется набор дисков с зубцами, которые поднимают молоточки 2, падающие попеременно на звучащие стержни.
Рис. 86. Кинематическая схема напольных маятниковых часов с боем:
1, 10 — колеса системы боя, 2 — молоточки, 3 — стопор, 4 — регулятор скорости, 5 — ходовое колесо, 6 — скоба, 7 — молоточки, 8 — звездочка, 9 — регулятор скорости, И — стопор, 12 — рычаг боя, 13 — зубчатый сектор, 14 — кулачок («улитка»), 15 — триб минутной стрелки, 16- вексельное колесо, 17- кулачки, 18 — рычаг боя четвертей часа, 19 — зубчатое колесо, 20 — триб дополнительного колеса, 21 — триб промежуточного колеса, 22 — промежуточное колесо, 23 — дополнительное колесо, 24 — диски с зубцами
В зависимости от показаний часов бой четвертей повторяется один, два, три и четыре раза. После боя четвертей происходит бой целых часов. Один из четырех кулачков 17, имеющихся на трибе минутной стрелки, длиннее остальных, т. е. расположен дальше от центра триба минутной стрелки, чем остальные три. При подъеме этого кулачка происходит одновременный подъем рычагов 18, 12, включающих и бой четвертей часа, и целых часов. При этом отключается стопор 11, удерживающий колесную систему 10 боя целых часов. При помощи регулятора скорости 9 колесная система приходит в равномерное движение. Одно из колес системы имеет звездочку 8, которая своими зубцами поднимает молоточки 7, падающие одновременно на звучащие стержни.
Для отсчета боя целых часов служат зубчатый сектор («гребенка») 13 и кулачок («улитка») 14.
В часах с боем других конструкций вместо четырех кулачков на трибе минутной стрелки могут быть только два, расположенные в диаметрально противоположных направлениях относительно оси вращения. В этом случае часы будут «отбивать» получасы и часы.
82 комментария на «Маятниковые часы.»
Здравствуйте.
Возможно ли починить механизм боя старых настольных часов (Австрия, примерно 1820-1840 годы), если там полностью отсутствуют шестерни боя? Должны бить полный час, половину и четверть, но ни одной шестеренки боя нет.
Я так понимаю, что не имея образцов шестеренок, проблему решить невозможно, поскольку неизвестны диаметры, количество зубцов и т.д.? Или есть какие-то методы расчета?
В целом часы на ходу, молоточки и «наковаленка» боя на месте.
С уважением,
Здравствуйте, Сергей. Скорее всего вернуть механизм в первоначальное состояние вряд ли удастся. Поскольку ремонт часов в таком состоянии, будет стоить гораздо больше стоимости самих часов.
Здравствуйте, Мастер. Может Вы ответите, что означают цифры в виде дроби на задней платине каминных(?) часов? Цифры такие: 118/12cm. Помню/читал — как-то связано с маятником(которого нет)). На форуме watch.ru не ответили, им не до того. Да, и если длинна маятника — то откуда считать? от точки изгиба педеля или от точки его подвеса? спасибо.
Здравствуйте, Алек. Длину маятника в каменных часах можно подобрать эмпирически. Это совсем несложное занятие. Изготовьте соответствующей длины подвес и прикрепите на него какой-нибудь грузик, чтобы он мог двигаться вверх и вниз. Заведите и запустить и часы и через некоторое время вы сами поймёте как его отрегулировать. Сдвинуть линзу маятника вверх значит часы будут идти быстрее, сдвинуть линзу маятника вниз и часы будут идти медленнее.
Здравствуйте! Часы очз били на один раз больше, чем нужно. Подкрутила часовую стрелку на час вперёд. Через полчаса примерно Часы встали, что делать?
Здравствуйте, Ирина. Обратитесь к часовому мастеру. к
Здравствуйте! В моих напольных маятниковых часах ОЧЗ 1962 г. производства гири разного веса. Почему у них вес разный и какая из них на каком месте должна висеть? Спасибо.
Здравствуйте, Александр. те гири которые потяжелее, А их две штуки, каждая весом по 3 кг 300 г. На бой. и соответственно та, что полегче — 2 кг 600г, эту на ход.
Спасибо, но у меня 3 гири все разного веса, с разницей примерно в пол-кило.
потому Какой должен быть вес у гирь и как их вешать, я вам уже ответил.
Маятниковые часы: От Галилея до Федченко
Более трехсот лет длилась эволюция маятниковых часов. Тысячи изобретений на пути к совершенству. Но в исторической памяти надолго останутся лишь те, кто поставил первую и последнюю точку в этой великой эпопее
Более трехсот лет длилась эволюция маятниковых часов. Тысячи изобретений на пути к совершенству. Но в исторической памяти надолго останутся лишь те, кто поставил первую и последнюю точку в этой великой эпопее.
Часы Феодосия Михайловича Федченко удостоены такой чести. В любой другой стране об изобретателе подобного уровня знал бы каждый школьник. А у нас уже 11 лет назад тихо и скромно ушел из жизни выдающийся конструктор и никто о нем даже вспоминает. Почему? Наверное, в свое время был упрям, не умел льстить и лицемерить, что так не нравилось чиновникам от науки.
Помогла изобрести Федченко знаменитые часы случайность. Одна из тех загадочных случайностей, которая так украшает историю науки.
Впоследствии Христиану Гюйгенсу всю жизнь необходимо было доказывать, что именно ему принадлежит честь создания первых маятниковых часов. По этому поводу в 1673 году он писал:
«Некоторые утверждают, что Галилей пытался сделать это изобретение, но не довел дело до конца; эти лица скорее уменьшают славу Галилея, чем мою, так как выходит, что я с большим успехом, чем он, выполнил ту же задачу».
Не так уж важно кто из этих двух великих ученых «первее» в деле создания часов с маятником. Гораздо значительнее то, что Христиан Гюйгенс не просто изготовил очередной тип часов, он создал науку хронометрию. С этого времени в деле конструирования часов был наведен порядок. «Лошадь» (практика) уже не бежала впереди «паровоза» (теории). Идеи Гюйгенса воплощал в жизнь парижский часовой мастер Исаак Тюре. Так увидели свет часы с различными конструкциями маятников, изобретенных Гюйгенсом.
Начало «карьеры» учителя физики
Феодосии Михайлович Федченко, родившийся в 1911 году ничего не знал о страстях по маятнику трехсотлетней давности. Да и вообще о часах он не думал. Его «карьера» началась в бедной сельской школе. Простой учитель физики вынужден был стать невольным изобретателем. Как же иначе, не имея должного оборудования, объяснить любознательным детишкам основополагающие законы природы.
Его настольной книгой стал «Трактат о часах» Христиана Гюйгенса. Так заочно познакомился Ф. М. Федченко со своими знаменитыми предшественниками Христианом Гюйгенсом и Вильгельмом X. Шортом.
Предпоследняя точка в истории часов с маятником была поставлена английским ученым Вильгельмом X. Шортом. Правда, долгое время считалось, что создать часы с маятником точнее, чем часы Шорта невозможно. В 20-е годы XX века решили, что эволюция маятниковых приборов времени завершена. Каждая обсерватория не считалась достаточно оснащенной, если не имела астрономических часов Шорта, но платить за них приходилось золотом.
Возвращение к истокам
Харьковский умелец установил, что еще в 1673 году Христиан Гюйгенс в «Трактате о часах» практически все сказал о том, как делать маятниковые часы. Оказывается, для того, чтобы часы были точными, необходимо, чтобы центр тяжести маятника в пространстве описывал не дугу окружности, а часть циклоиды: кривой, по которой движется точка на ободе колеса, катящегося по дороге. В этом случае колебания маятника будут изохронными, не зависящими от амплитуды. Сам Гюйгенс теоретически все обосновавший, пытался достичь цели, делая тысячи изобретений, но к идеалу не приблизился.
Отчаявшийся Федченко, понимая, что без прецизионного оборудования он, как без рук, пошел на настоящую авантюру. Он напрямую обратился к управляющему Госбанка и нашел такие убедительные слова о значение своего изобретения, что умный и смелый человек, профессионал в своем деле, поверив мастеру, выдал ему нужную сумму наличными, в качестве документа потребовав просто расписку. Это один из примеров «очевидного, но невероятного».
uznayka
uznaykaдля детей и их родителей
По материалам сайта timeway.ru
Чтобы стрелки часов двигались, нужна энергия.
В наручных часах в качестве источника энергии используют скрученную пружину, которая и движет колеса и стрелки часов.
Если вращать вал при неподвижном барабане, пружина будет закручиваться. Если затем зафиксировать вал, пружина, раскручиваясь, будет стремиться вращать барабан.
Система зубчатых колес, обеспечивающая нужное соотношение скоростей вращения минутной и часовой стрелок называется стрелочным механизмом.
По опыту с детскими заводными машинками каждый знает, что если пружину завести и отпустить, она раскрутится почти моментально. Но от часов мы хотим получить равномерный и точный ход в течение продолжительного времени.
Для точного хода часов необходимо устройство, которое за равные промежутки времени будет разрешать барабану (и соответственно стрелкам) поворачиваться на строго определенный угол. Устройство, задающие эти промежутки времени, в часах называют регулятором. В настенных часах им обычно является маятник. В наручных и карманных часах регулятором является система баланс-спираль (рис.4).
Если баланс повернуть в какую-либо сторону, то в спирали возникнет напряжение, которое тем сильнее, чем больше угол поворота. Если теперь отпустить баланс, он под действием упругой спирали повернется обратно, в положение равновесия. В этом положении напряжение спирали исчезнет, но баланс по инерции повернется дальше почти на такой же угол, на который он был отклонен, снова напрягая пружину. Если бы не было трения и других внешних воздействий, то эти колебания повторялись бы бесконечно. Более того, теоретически, частота колебаний системы баланс-спираль не зависит от амплитуды, т.е. максимального угла, на который был отклонен баланс. Про такую систему говорят, что она изохронна. Время, за которое баланс совершает полное колебание, зависит только от упругости спирали, диаметра и веса самого баланса.
Таким образом, так же, как и маятник, система баланс-спираль совершает колебания с постоянной частотой. Следовательно, мы можем использовать ее для стабилизации скорости вращения колесной передачи. Предположим, за одну секунду баланс совершает три полных колебания. Если мы приспособим к балансу какое-либо устройство, которое за 180 колебаний будет передвигать минутную стрелку на одно деление, то в сумме со стрелочным механизмом мы получим часы.
При помощи хода регулятор управляет вращением зубчатой передачи так, что за одно колебание баланса колеса поворачиваются на определенные малые углы.
Известно множество конструкций спусковых механизмов, но в настоящее время почти все механические наручные часы снабжены спуском одного типа, называемого швейцарским свободным анкерным спуском.
Характерной чертой этого спуска является наличие элемента, похожего на корабельный якорь, называемого анкерной вилкой (поз. 14 рис.1), которая расположена между балансом и последним из зубчатых колес.
Детали и работа спуска изображены на рисунке 5.
Анкерная вилка имеет два плеча, в которых закреплены рубиновые камни, называемые палетами, и раздвоенный хвост, концы которого называют рожками. Вилка насажена на ось, которая позволяет ей поворачиваться из стороны в сторону.
В состав спуска входят также колесо с зубьями особой формы, называемое анкерным колесом, и импульсный ролик с импульсным камнем, находящиеся на оси баланса.
Заводная пружина через зубчатую передачу постоянно стремится повернуть анкерное колесо против часовой стрелки. Но этому препятствует анкерная вилка. Большую часть времени одна из палет анкерной вилки «запирает» зуб анкерного колеса, не давая тому повернуться.
Баланс большую часть времени двигается свободно и не имеет контакта с анкерной вилкой (рис. 5-1). Возвращаясь в своем колебании из мертвой точки, он бьет импульсным камнем по рожку и поворачивает анкерную вилку, этом палета, запиравшая зуб анкерного колеса, поднимается и освобождает зуб (рис. 5-2).
Как только зуб оказывается свободным, анкерное колесо под влиянием заводной пружины начинает поворачиваться, и теперь уже зуб анкерного колеса «подталкивает» палету и поворачивает анкерную вилку. Рожок анкерной вилки догоняет импульсный камень и бьет по нему, сообщая балансу дополнительную энергию (рис. 5-3).
Анкерное колесо поворачивается еще на некоторый угол, и теперь уже другой его зуб упирается в противоположную палету анкерной вилки (рис. 5-4). При обратном движении баланса все повторится снова, но с другой стороны вилки.
За одно полное колебание баланса анкерная вилка разрешает анкерному колесу повернуться на один зуб. В момент, когда анкерное колесо поворачивается и ударяется зубом о палету анкерной вилки, мы слышим звуки «тик-так».
Частота колебаний баланса в несколько тысяч раз больше скорости вращения барабана. Чтобы согласовать скорости их движения, между барабаном и анкерным колесом помещают еще ряд колес и трибов, называемых основной колесной системой.
Зубчатая передача от барабана к анкерному трибу увеличивает число оборотов, пропорционально снижая передаваемую мощность. Основную колесную систему обычно проектируют так, чтобы первый после барабана триб совершал оборот за 1 час, а его ось проходила через центр часов, поэтому он получил название «центральный триб» (поз. 7 рис. 1). На ось центрального триба устанавливают триб минутной стрелки с закрепленной на нем минутной стрелкой. Ось триба, совершающего один оборот за одну минуту, часто выводят на циферблат выше отметки «6 часов» и крепят к ней секундную стрелку.
Как происходят перевод стрелок и завод пружины часов?
В обычном, утопленном положении заводной головки (поз. 25 рис. 1, рис. 6А), кулачковая муфта, находящаяся на заводном валу, сцеплена с заводным трибом. Вращая головку, мы через заводной триб и заводное колесо вращаем барабанное колесо, закрепленное на валу барабана, и закручиваем пружину. Собачка не дает валу барабану вращаться в обратном направлении.
Когда мы вытягиваем заводную головку (рис. 6Б), кулачковая муфта под действием рычагов передвигается по заводному валу, расцепляется с заводным трибом и входит в зацепление с переводным колесом.
Триб минутной стрелки сделан так, что он держится на валу центрального триба фрикционно, т.е. с небольшим трением. Этого трения достаточно для того, чтобы при обычной работе часов он и закрепленная на нем минутная стрелка вращались вместе с центральным трибом. Но если приложить к трибу минутной стрелки небольшое усилие, то его можно повернуть относительно центрального вала. А часовое колесо с часовой стрелкой может свободно вращаться на втулке триба минутной стрелки.