Vyvažovací kolo - Balance wheel

Vyvažovací kolečko v budíku z roku 1950, Apollo, od společnosti Lux Mfg. Co., ukazující vyvažovací pružinu (1) a regulátor (2)

Moderní vyvažovací kolečko v hodinkovém strojku

Vyvažovací kolo dovnitř krbové hodiny. Nahoře je vidět spirálová vyvažovací pružina.

A vyvažovací kolonebo Zůstatek, je měřič času používaný v mechanické hodinky a malé hodiny, shodný svým účelem s kyvadlo ve větším kyvadlové hodiny. Jedná se o vážené kolo, které se otáčí tam a zpět a je spirálou vráceno do své střední polohy torzní pružina, známý jako vyrovnávací pružina nebo vlasové pero v hodinkách. Je poháněn únik, který transformuje rotační pohyb hodinek soukolí do impulsů dodávaných na vyvažovací kolo. Každý pohyb kola (nazývaný „klíště“ nebo „úder“) umožňuje soukolí posunout předem stanovenou částku a pohybovat rukama vpřed. Vyvažovací kolo a vlasová pružina společně tvoří a harmonický oscilátor, který kvůli rezonance osciluje přednostně určitou rychlostí rezonanční frekvence nebo „porazit“ a odolává oscilaci jinými rychlostmi. Kombinace hmotnosti vyvažovacího kola a pružnost pružiny udržovat čas mezi každým kmitání nebo „zaškrtněte“ velmi konstantní, což odpovídá jeho téměř univerzálnímu použití jako časoměřiče v mechanických hodinkách až do současnosti. Od jeho vynálezu ve 14. století až do ladička a křemen pohyby byly k dispozici v 60. letech 20. století, prakticky každé přenosné časoměřičské zařízení používalo nějakou formu vyvažovacího kola.

Přehled

Až do 80. let 20. století byla v historii používána vyvažovací kola chronometry, bankovní trezor časové zámky, čas fuzes pro munice, budíky, kuchyně časovače a stopky, ale křemen technologie převzala tyto aplikace a hlavní zbývající použití je v kvalitě mechanické hodinky.

Moderní (2007) vyvažovací kola hodinek jsou obvykle vyrobena z Glucydur, slitina s nízkou tepelnou roztažností berylium, měď a žehlička, s pružinami s nízkým tepelným součinitelem pružnosti slitiny, jako je Nivarox.^[1] Obě slitiny jsou sladěny, takže jejich zbytkové teplotní reakce se ruší, což má za následek ještě nižší teplotní chybu. Kola jsou hladká, aby se snížilo tření vzduchu, a otočné čepy jsou podporovány přesností klenotnická ložiska. Starší vyvažovací kola používala závaží kolem ráfku k nastavení výšky (vyvážení), ale moderní kola jsou v továrně vyrobena počítačem a pomocí laseru vypálili přesný důl v ráfku, aby byly vyvážené.^[2] Vyvažovací kolečka se otáčejí přibližně o 1½ otáčky při každém švihu, tj. Přibližně o 270 ° na každou stranu od jejich středové rovnovážné polohy. Rychlost vyvažovacího kola se nastavuje pomocí regulátor, páka s úzkou štěrbinou na konci, kterým prochází vyvažovací pružina. To drží část pružiny za štěrbinou nehybnou. Pohybem páky se štěrbinou posouvá pružina váhy nahoru a dolů, mění se její účinná délka a tím i rezonanční frekvence vibrací váhy. Vzhledem k tomu, že regulátor zasahuje do činnosti pružiny, mají chronometry a některé přesné hodinky „volné odpružené“ váhy bez regulátoru, například Gyromax.^[1] Jejich rychlost se nastavuje pomocí závaží na ráfku váhy.

Rychlost vibrací váhy se tradičně měří v tepech (klíšťatech) za hodinu nebo BPH, i když v tepech za sekundu a Hz jsou také používány. Délka taktu je jeden pohyb vyvažovacího kolečka mezi obrácenými směry, takže v celém cyklu jsou dva údery. Váhy v přesných hodinkách jsou navrženy s rychlejšími rytmy, protože jsou méně ovlivňovány pohyby zápěstí.^[3] Budíky a kuchyňské časovače mají často rychlost 4 tepů za sekundu (14 400 BPH). Hodinky vyrobené před 70. lety měly obvykle rychlost 5 tepů za sekundu (18 000 BPH). Aktuální hodinky mají rychlost 6 (21 600 BPH), 8 (28 800 BPH) a některé mají 10 tepů za sekundu (36 000 BPH). Audemars Piguet v současné době vyrábí hodinky s velmi vysokou frekvencí vibrací rovnováhy 12 úderů / s (43 200 BPH).^[4] Během druhé světové války vytvořil Elgin velmi přesné stopky, které běžely rychlostí 40 úderů za sekundu (144 000 BPH) a vysloužily si přezdívku „Jitterbug“.^[5]

Přesnost nejlepších hodinek s vyvážením na zápěstí se pohybuje kolem několika sekund denně. Nejpřesnější vyrobené hodinky vyvažovacího kola byly námořní chronometry, které byly použity na lodích pro nebeská navigace, jako přesný zdroj času k určení zeměpisná délka. Za druhé světové války dosáhli přesnosti 0,1 sekundy denně.^[6]

Období oscilace

Vyvažovací kolo doba oscilace T v sekundách je čas potřebný pro jeden kompletní cyklus (dva údery) určen podle kola moment setrvačnosti Já v kilogramech² a tuhost (jarní konstanta ) jeho vyrovnávací pružina κ v newtonmetrech na radián:

${ displaystyle T = 2 pi { sqrt { frac {I} { kappa}}} ,}$

Foliot (vodorovná lišta se závažími) z hodin De Vick, postavený 1379, Paříž

Dějiny

Možná nejstarší existující výkres vyvažovacího kola, v Giovanni de Dondi je orloj, postavený 1364, Padova, Itálie. Vyvažovací kolečko (tvar koruny, nahoře) mělo pauzu 2 sekundy. Trasování ilustrace z jeho 1364 hodin pojednání, Il Tractatus Astrarii.

Vyvažovací kolo se objevilo s prvními mechanickými hodinami v Evropě ve 14. století, ale zdá se, že není známo, kdy a kde bylo poprvé použito. Jedná se o vylepšenou verzi foliot, časný setrvační měřič času, který se skládá z přímé tyče otočené ve středu se závažími na koncích, která osciluje tam a zpět. Váhy foliotů mohly být zasunuty dovnitř nebo ven na liště, aby se upravila rychlost hodin. První hodiny v severní Evropě používaly folioty, zatímco v jižní Evropě vyvažovací kola.^[7] Protože hodiny byly zmenšeny, nejprve jako konzolové hodiny a lucerny hodiny a poté jako první velké hodinky po roce 1500 se místo foliotů začaly používat balanční kolečka.^[8] Protože větší část jeho hmotnosti je umístěna na ráfku od osy, mohlo by mít vyvažovací kolo větší moment setrvačnosti než foliot stejné velikosti a udržet si lepší čas. Tvar kola měl také menší odpor vzduchu a jeho geometrie to částečně kompenzovala teplotní roztažnost chyba v důsledku teplotních změn.^[9]

Přidání vyvažovací pružiny

Předčasně vyvážené kolo s pružinou ve francouzských hodinkách z 18. století

Tato časně vyvážená kola byla hrubá časomíra, protože jim chyběl další základní prvek: vyrovnávací pružina. Předčasně vyvážená kola byla tlačena jedním směrem únik dokud krajní vlajka, která byla v kontaktu se zubem na únikovém kole, neklouzala kolem špičky zubu („unikla“) a akce úniku se obrátila a zatlačila kolo zpět na druhou stranu. U takového „inerciálního“ kola je zrychlení úměrné hnací síle. U hodin nebo hodinek bez vyvažovací pružiny poskytuje hnací síla jak sílu, která zrychluje kolo, tak také sílu, která jej zpomaluje a couvne. zvyšuje se hnací síla, zvyšuje se zrychlení i zpomalování, což má za následek rychlejší posunutí kola tam a zpět. Díky tomu byl časoměřič silně závislý na síle aplikované únikem. V hodinkách je hnací síla poskytovaná hlavní pramen, aplikovaný na únik přes převodovku hodinek, klesl během běhu hodinek, když se hlavní pružina odvinula. Bez některých prostředků k vyrovnání hnací síly se hodinky během běhu mezi vinutími zpomalily, protože pružina ztratila sílu, což způsobilo ztrátu času. To je důvod, proč jsou vyžadovány všechny pružinové hodinky s před vyvážením pojistky (nebo v několika případech stackfreeds ) k vyrovnání síly z hlavního proudu dosahující úniku, aby se dosáhlo i minimální přesnosti.^[10] I u těchto zařízení byly hodinky před vyvažovací pružinou velmi nepřesné.

Myšlenka vyvažovací pružiny byla inspirována pozorováním, že pružné obrubníky štětin, které byly přidány k omezení otáčení kola, zvýšily jeho přesnost.^[11][12] Robert Hooke nejprve aplikoval kovovou pružinu na rovnováhu v roce 1658 a Jean de Hautefeuille a Christiaan Huygens vylepšil do dnešní spirálové podoby v roce 1674^[9][13] Přidáním pružiny bylo vyvažovací kolo a harmonický oscilátor, základ každého moderního hodiny. To znamená, že kolo vibrovalo přirozeně rezonanční frekvence nebo „porazil“ a odolával změnám v rychlosti vibrací způsobeným třením nebo změnou hnací síly. Tato zásadní inovace výrazně zvýšila přesnost hodinek, a to z několika hodin denně^[14] asi 10 minut denně,^[15] jejich změna z drahých novinek na užitečné časoměřiče.

Chyba teploty

Po přidání vyrovnávací pružiny byl hlavním zbývajícím zdrojem nepřesnosti účinek teplotních změn. Časné hodinky měly vyvažovací pružiny vyrobené z obyčejné oceli a váhy z mosazi nebo oceli a vliv teploty na tyto citelně ovlivňoval rychlost.

Zvýšení teploty zvětšuje rozměry vyvažovací pružiny a vyvážení kvůli teplotní roztažnost. Síla pružiny, obnovovací síla, kterou vytváří v reakci na průhyb, je úměrná její šířce a krychli její tloušťky a nepřímo úměrná její délce. Zvýšení teploty by ve skutečnosti způsobilo, že pružina bude silnější, pokud by ovlivnila pouze její fyzické rozměry. Mnohem větším účinkem vyvažovací pružiny z prosté oceli je však to, že pružnost kovu pružiny významně klesá s rostoucí teplotou, což má za následek, že pružina z prosté oceli se s rostoucí teplotou zeslabuje. Zvýšení teploty také zvyšuje průměr ocelového nebo mosazného vyvažovacího kola a zvyšuje jeho rotační setrvačnost moment setrvačnosti, což ztěžuje zrychlení vyrovnávací pružiny. Dva účinky zvýšení teploty na fyzikální rozměry pružiny a rovnováhy, posílení vyrovnávací pružiny a zvýšení rotační setrvačnosti rovnováhy, mají protichůdné účinky a do určité míry se navzájem ruší.^[16] Hlavním účinkem teploty, který ovlivňuje rychlost hodinek, je oslabení vyvažovací pružiny s rostoucí teplotou.

U hodinek, které nejsou kompenzovány vlivy teploty, slabší pružině trvá déle, než se vyvažovací kolečko vrátí zpět do středu, takže se „rytmus“ zpomalí a hodinky ztratí čas. Ferdinand Berthoud v roce 1773 bylo zjištěno, že obyčejná mosazná rovnováha a ocelové vlasové pružiny vystavené zvýšení teploty o 60 ° F (33 ° C) ztrácí denně 393 sekund (6 1/2 minuty), z čehož 312 sekund je způsobeno snížením pružnosti pružiny.^[17]

Tepelně kompenzovaná vyvažovací kola

Potřeba přesných hodin pro nebeská navigace během námořních cest vedl v 18. století v Británii a ve Francii mnoho pokroků v technologii vyvážení. Dokonce i chyba 1 s za den v a námořní chronometr po 2měsíční plavbě by mohla vyústit v 17 mílovou chybu v poloze lodi. John Harrison byl první aplikovat teplotní kompenzaci na vyvažovací kolo v roce 1753, pomocí a bimetalový „Kompenzační obrubník“ na jaře, v prvních úspěšných námořních chronometrech H4 a H5. Dosáhli přesnosti zlomku sekundy denně,^[15] ale kompenzační obrubník se kvůli jeho složitosti dále nepoužíval.

Bimetalické teplotně kompenzované vyvažovací kolečko z kapesních hodinek z počátku 20. století. Průměr 17 mm (1) Posunutí protilehlých párů závaží blíže ke koncům paží zvyšuje teplotní kompenzaci. (2) Odšroubováním párů závaží v blízkosti paprsků se zpomaluje rychlost oscilace. Úpravou jednotlivé hmotnosti se mění vyvážení nebo vyvážení.

Jednodušší řešení vymyslel kolem roku 1765 Pierre Le Roy a vylepšeno o John Arnold, a Thomas Earnshaw: Earnshaw nebo vyrovnávací vyvažovací kolo.^[18] Klíčem bylo, aby vyvážení změnilo velikost s teplotou. Pokud by bylo možné rovnováhu zmenšit v průměru, jak se otepluje, tím menší moment setrvačnosti by kompenzovalo oslabení vyrovnávací pružiny a udržovalo stejnou dobu oscilace.

K dosažení tohoto cíle byl vnější okraj váhy vyroben ze „sendviče“ ze dvou kovů; vrstva oceli na vnitřní straně se spojila s vrstvou mosazi na vnější straně. Pruhy toho bimetalový při zahřátí se konstrukce ohýbají směrem k ocelové straně, protože tepelná roztažnost mosazi je větší než u oceli. Ráfek byl rozříznut ve dvou bodech vedle paprsků kola, takže připomínal tvar písmene S (viz obrázek) se dvěma kruhovými bimetalovými „rameny“. Tato kola se někdy označují jako „Z-váhy“. Zvýšení teploty způsobí, že se paže ohnou dovnitř směrem ke středu kola, a posun hmoty směrem dovnitř sníží moment setrvačnosti rovnováhy, podobně jako při otáčení krasobruslař může snížit její moment setrvačnosti zatažením za ruce. Toto snížení momentu setrvačnosti kompenzovalo snížený točivý moment způsobený slabší vyvažovací pružinou. Výše kompenzace se upravuje pohyblivými závažími na pažích. Námořní chronometry s tímto typem vah vykazovaly chyby jen 3–4 sekundy denně v širokém teplotním rozsahu.^[19] V 70. letech 19. století se v hodinkách začaly používat kompenzované zůstatky.

Chyba střední teploty

Vyvažovací kolečka pro námořní chronometry z poloviny 19. století s různými systémy „pomocné kompenzace“ pro snížení chyby střední teploty

Standardní vyvážení kompenzace Earnshaw dramaticky snížilo chyby způsobené teplotními výkyvy, ale neodstranilo to. Jak poprvé popsal J. G. Ulrich, kompenzovaná rovnováha upravená tak, aby udržovala správný čas při dané nízké a vysoké teplotě, bude rychlá několik sekund za den při středních teplotách.^[20] Důvod je ten, že moment setrvačnosti rovnováhy se mění jako čtverec poloměru kompenzačních ramen, a tedy i teploty. Ale pružnost pružiny se lineárně mění s teplotou.

Aby se tento problém zmírnil, tvůrci chronometrů přijali různá schémata „pomocné kompenzace“, která snížila chybu pod 1 sekundu denně. Taková schémata spočívala například v malých bimetalových ramenech připevněných k vnitřní straně vyvažovacího kola. Takové kompenzátory se mohly ohýbat pouze jedním směrem ke středu vyvažovacího kola, ale ohýbání směrem ven by bylo blokováno samotným kolem. Blokovaný pohyb způsobuje nelineární teplotní odezvu, která by mohla o něco lépe kompenzovat změny pružnosti v pružině. Většina z chronometrů, které přišly první ročně Greenwichská observatoř pokusy v letech 1850 až 1914 byly pomocnými návrhy odškodnění.^[21] Pomocná kompenzace nebyla u hodinek kvůli její složitosti nikdy použita.

Lepší materiály

Bilance slitiny s nízkou teplotou a pružina v an ETA Pohyb 1280 od hodinek Benrus Co. vyrobený v 50. letech

Bimetalové kompenzované vyvažovací kolo bylo na počátku 20. století zastaralé díky pokrokům v metalurgii. Charles Édouard Guillaume získal Nobelovu cenu za vynález z roku 1896 Invar slitina niklové oceli s velmi nízkou tepelnou roztažností a Elinvar (Elasticité invarschopný) slitina, jejíž pružnost se nemění v širokém teplotním rozsahu, pro vyrovnávací pružiny.^[22] Pevná rovnováha Invarů s pružinou Elinvar nebyla do značné míry ovlivněna teplotou, takže nahradila obtížně nastavitelnou bimetalovou rovnováhu. To vedlo k řadě vylepšených slitin s nízkým teplotním koeficientem pro váhy a pružiny.

Před vývojem Elinvaru Guillaume také vynalezl slitinu pro kompenzaci chyby střední teploty v bimetalových rovnováhách tím, že ji vybavil záporným kvadratickým teplotním koeficientem. Tato slitina, pojmenovaná anibal, je nepatrnou variací invaru. Téměř úplně vyvrátil teplotní účinek ocelového vlasového pramene, ale stále vyžadoval bimetalové vyvážené vyvažovací kolečko, známé jako vyvažovací kolečko Guillaume. Tato konstrukce se později přestala používat ve prospěch jednokovových vah Invar s pružinami Elinvar. Kvadratický koeficient je definován jeho místem v rovnici roztažení materiálu;^[23]

${ displaystyle ell _ { theta} = ell _ {0} (1+ alpha theta + beta theta ^ {2}) ,}$

kde:

${ displaystyle scriptstyle ell _ {0}}$ je délka vzorku při určité referenční teplotě

${ displaystyle scriptstyle theta}$ je teplota nad referenční hodnotou

${ displaystyle scriptstyle ell _ { theta}}$ je délka vzorku při teplotě ${ displaystyle scriptstyle theta}$

${ displaystyle scriptstyle alpha}$ je lineární koeficient roztažnosti

${ displaystyle scriptstyle beta}$ je kvadratický koeficient roztažnosti

Reference

• „Marine Chronometer“. Encyklopedie Britannica online. Encyklopedie Britannica Inc. 2007. Citováno 2007-06-15.
• Britten, Frederick J. (1898). O odpružení a seřizování hodinek. New York: Spon & Chamberlain. Citováno 2008-04-20.. Má podrobný popis vývoje vyrovnávací pružiny.
• Brearley, Harry C. (1919). Čas vyprávění v průběhu věků. New York: Doubleday. Citováno 2008-04-16..
• Glasgow, David (1885). Hodinky a výroba hodin. Londýn: Cassel & Co.. Citováno 2008-04-16.. Podrobná část o chybě teploty vyvážení a pomocné kompenzaci.
• Gould, Rupert T. (1923). Námořní chronometr. Jeho historie a vývoj. London: J. D. Potter. 176–177. ISBN  0-907462-05-7.
• Headrick, Michael (2002). „Původ a vývoj úniku kotevních hodin“. Časopis Control Systems, Inst. elektrických a elektronických inženýrů. 22 (2). Archivovány od originál dne 25. 10. 2009. Citováno 2007-06-06.. Dobrý technický přehled vývoje úniků hodin a hodinek se zaměřením na zdroje chyb.
• Milham, Willis I. (1945). Časoměřiči. New York: MacMillan. ISBN  0-7808-0008-7.. Komplexní 616 str. kniha profesora astronomie, dobrý popis původu částí hodin, ale historický výzkum datován. Dlouhá bibliografie.
• Odets, Walt (2005). "Sestava vyvažovacího kola". Glosář částí hodinek. Škola hodin TimeZone. Archivováno z původního dne 14. června 2007. Citováno 2007-06-15.. Podrobné ilustrace částí moderních hodinek na webových stránkách pro opravy hodinek
• Odets, Walt (2007). „Vyvažovací kolečko hodinek“. Horologium. TimeZone.com. Archivovány od originál dne 6. července 2007. Citováno 2007-06-15.. Technický článek o konstrukci vyvažovacích koleček hodinek, počínaje kompenzačními vahami, od profesionálního hodináře, na webových stránkách pro opravy hodinek.

externí odkazy

• Choi, Fred (26.05.2007). „Kapesní hodinky William Simcock Massey Type III“. Youtube. Citováno 2008-04-26. Video ze starožitných hodinek z poloviny 19. století ukazujících točení vyvažovacího kola
• Costa, Alan (1998). „Historie hodinek“. Atmos Man. Archivovány od originál dne 2007-07-17. Citováno 2007-06-19. Historie hodinek, na komerčních webových stránkách.
• Markl, Xavier (2016). „Monochromatické hodinky Technická perspektiva regulačního orgánu hodinek“. Monochromatické hodinky Technická perspektiva regulačního orgánu hodinek
• Oliver Mundy, Hodinková skříňka Fotografie soukromé sbírky starožitných hodinek z let 1710 až 1908, které ukazují mnoho různých odrůd vyvažovacího kola.

Poznámky pod čarou