Czy kiedykolwiek zajrzałeś do starego zegara lub małego mechanicznego budzika? Miałeś szansę zobaczyć te wszystkie zębate koła i sprężyny? Jeśli tak, to pewnie pomyślałeś sobie - “Jejku! Ale to skomplikowane!”. Chociaż zegary są zwykle dość skomplikowane, nie muszą takie być - nie muszą być zagmatwane ani tym bardziej tajemnicze. W rzeczywistości, kiedy dowiesz się, jak działa zegar, możesz zobaczyć, jak projektanci zegarów (zegarmistrz) stawili czoła wielu problemom, rozwiązali wiele interesujących zagadek, aby stworzyć dokładne urządzenia do pomiaru czasu. W tym artykule pomożemy Ci zrozumieć, co sprawia, że ​​budziki, tudzież zegary tykają, więc następnym razem, gdy zajrzysz do środka, będziesz przygotowany i wiedział, jaka maga tam zachodzi. 

Zacznijmy archaicznie - od wahadła. Zegary wahadłowe są używane do odmierzania czasu od 1656 roku i od tego czasu nie zmieniły się w sposób dramatyczny. Zegary wahadłowe były pierwszymi zegarami wykonanymi z jakąkolwiek dokładnością. Kiedy spojrzysz na zegar wahadłowy z zewnątrz, zauważysz kilka różnych części, które są ważne dla mechanizmu wszystkich zegarów wahadłowych. Jest tam tarcza zegara ze wskazówką godzinową i minutową (a czasem nawet tarczą „faz księżyca”). Jest jeden lub więcej odważników (lub, jeśli zegar jest nowocześniejszy, dziurka od klucza do nakręcania sprężyny wewnątrz zegara). No i oczywiście samo wahadło. W większości zegarów ściennych wykorzystujących wahadło, kołysze się ono raz na sekundę. W małych zegarach z kukułką wahadło może kołysać się dwa razy na sekundę. W dużych zegarach rodowych wahadło kołysze się raz na dwie sekundy. Jak więc te części współpracują ze sobą, aby zegar tykał i czas był dokładny? Najpierw spójrzmy na wagę.

Ideą ciężarka jest to, aby działało niejako jak urządzenie magazynujące energię. Dzięki temu zegar jest w stanie pracować przez stosunkowo długi czas - bez nadzoru. Kiedy „nakręcasz” zegar napędzany ciężarem, pociągasz za sznurek, który podnosi ciężar. To dodaje wadze "energii potencjalnej" w polu grawitacyjnym Ziemi. Zegar wykorzystuje tę energię potencjalną, gdy ciężar spada, aby napędzać mechanizm zegara. Powiedzmy więc, że chcieliśmy użyć spadającego ciężaru, aby stworzyć najprostszy możliwy zegar - zegar, który ma tylko wskazówkę sekundową. Chcemy, aby wskazówka sekundowa tego prostego zegara działała jak normalna wskazówka sekundnika na dowolnym zegarze, wykonując jeden pełny obrót co 60 sekund. Możemy spróbować to zrobić przez przymocowanie linki obciążnika do bębna, a następnie przymocowanie drugiej ręki również do bębna. To oczywiście nie zadziała. W tym prostym mechanizmie zwolnienie ciężaru spowodowałoby, że spadłby on tak szybko, jak to możliwe, obracając bęben z prędkością około 1000 obrotów na minutę, aż ciężar uderzyłby o podłogę.

Mimo to zmierza we właściwym kierunku. Powiedzmy, że położyliśmy na bębnie jakieś urządzenie cierne - jakiś rodzaj klocka hamulcowego lub coś, co spowolniłoby bęben. I to może zadziałać. Z pewnością bylibyśmy w stanie wymyślić jakiś schemat oparty na tarciu, aby druga ręka wykonywała około jednego obrotu na minutę. Ale to byłoby tylko przybliżone. Wraz ze zmianą temperatury i wilgotności powietrza zmienia się tarcie w urządzeniu. W ten sposób nasze drugie rozdanie nie zachowuje zbyt dobrego czasu wraz z jego upływem. Tak więc w XVII wieku ludzie, którzy chcieli stworzyć dokładne zegary, próbowali rozwiązać problem z sekundnikiem tak, aby wykonywał dokładnie jeden obrót na minutę. Przypisuje się holenderskiemu astronomowi Christiaanowi Huygensowi, że jako pierwszy zasugerował użycie wahadła. Wahadła są przydatne, ponieważ mają niezwykle interesującą właściwość: Okres (ilość czasu potrzebnego na jednokrotne poruszenie się wahadła w przód i w tył) ruchu wahadła jest związany tylko z długością wahadła i siłą grawitacji. Ponieważ grawitacja jest stała w dowolnym miejscu na naszej planecie, jedyną rzeczą, która wpływa na okres wahadła, jest długość wahadła. Ilość wagi nie ma znaczenia. Nie ma też długości łuku, przez który kołysze się wahadło. Liczy się tylko długość wahadła. Jeśli nie jesteś co do tego przekonany, to przeprowadź swój własny eksperyment.

Jak wspomnieliśmy jedyną rzeczą wpływającą na okres wahadła jest długość tego wahadła. Możesz sobie to udowodnić sam, wykonując poniższy eksperyment. Do tego eksperymentu będziesz potrzebować - wagi, sznurka, stołu, zegarka z sekundnikiem (lub cyfrową sekundą na zegarku cyfrowym). Do wagi możesz użyć wszystkiego. W mgnieniu oka kubek do kawy lub książka wystarczy - to nie ma znaczenia. Przywiąż sznurek do ciężarka. Następnie zawieś wahadło nad krawędzią stołu tak, aby długość wahadła wynosiła około 60 centymetrów. Teraz odciągnij ciężar na około 30 cm i pozwól wahadłu zacząć się kołysać. Ustaw czas na 30 lub 60 sekund i policz, ile razy się kołysze. Zapamiętaj ten numer. Teraz zatrzymaj wahadło i uruchom je ponownie, ale tym razem odciągnij je początkowo tylko 6 cali, aby kołysało się po znacznie mniejszym łuku. Policz ponownie liczbę huśtawek w tym samym 30- lub 60-sekundowym okresie. Przekonasz się, że otrzymana liczba jest taka sama, jak ta pierwsza. Innymi słowy, kąt łuku, o który kołysze się wahadło, nie wpływa na okres wahadła. Liczy się tylko długość struny wahadła. Jeśli pobawisz się długością wahadła, przekonasz się, że możesz je tak wyregulować, aby kołysało się dokładnie 60 razy w ciągu jednej minuty.

Kiedy ktoś wpadł na ten fakt dotyczący wahadeł. Wtedy zdano sobie sprawę, że to zjawisko można wykorzystać do stworzenia dokładnego zegara. W wychodku takiego zegarka powinno znajdować się koło zębate z zębami o specjalnym kształcie. Jest też wahadło, a do wahadła jest przymocowane jakieś urządzenie do sprzęgania zębów koła zębatego. Podstawowa idea polega na tym, że przy każdym ruchu wahadła do przodu i do tyłu jeden ząb koła zębatego przeskakuje. Na przykład, jeśli wahadło wychyla się w lewo i przechodzi przez położenie środkowe, to gdy wahadło będzie poruszać się w lewo, lewy ogranicznik przymocowany do wahadła zwolni jego ząb. Koło zębate przesunie się wtedy o połowę szerokości zęba do przodu i uderzy w prawy ogranicznik. Podczas ruszania do przodu, przekładnia wyda dźwięk - „tykanie”. Stąd pochodzi tykanie zegara lub naręcznego zegarka. Należy pamiętać, że wahadła nie będą się kołysać w nieskończoność. Dlatego jednym dodatkowym zadaniem mechanizmu wychwytującego jest przekazanie wahadłu energii wystarczającej do pokonania tarcia i umożliwienia mu kołysania się. Aby wykonać to zadanie, kotwica (nazwa nadana gadżetowi przymocowanemu do wahadła w celu zwolnienia mechanizmu wychwytującego po jednym zębie na raz) i zęby mechanizmu wychwytującego są specjalnie ukształtowane. Zęby koła zębatego uciekają prawidłowo, a wahadło jest poruszane we właściwym kierunku przez kotwicę za każdym razem, jak huśtawka. Szarpnięcie jest zastrzykiem energii, której wahadło potrzebuje do pokonania tarcia, więc ciągle się kołysze.

Widać, że chociaż wszystkie koła zębate w zegarze sprawiają wrażenie na bardzo skomplikowane, to, co robi zegar wahadłowy, jest naprawdę bardzo proste. Dlaczego? Ponieważ posiada pięć podstawowych i niezbędnych części do działania, a są to:

Ciężar lub sprężyna - zapewnia energię potrzebną do obracania wskazówek zegara.

Przekładnia obciążeniowa - przekładnia zębata o wysokim przełożeniu przekłada bęben obciążnikowy do góry, dzięki czemu nie trzeba bardzo często przewijać zegara.

Wychwyt - składający się z wahadła, kotwicy i mechanizmu wychwytu, wychwyt precyzyjnie reguluje prędkość, z jaką uwalniana jest energia ciężaru.

Przekładnia ręczna - redukuje prędkość, więc wskazówki minutowe i godzinowe obracają się z odpowiednią szybkością.

Mechanizm nastawczy - w jakiś sposób rozłącza, ślizga lub zapada przekładnia, dzięki czemu zegar można przewinąć i ustawić.

Kiedy już poznasz i zrozumiesz te elementy, wtedy każdy zegar żadna magia, jak prawdziwa bułka z masłem! Zegarki, które nie używają wahadeł, jak działają? Wahadło to jeden okresowy układ mechaniczny z precyzyjnym okresem. Istnieją inne systemy mechaniczne, które mają tę samą funkcję. Na przykład ciężar odbijający się na sprężynie ma określony okres. Innym przykładem jest koło ze sprężyną na osi. W tym przypadku sprężyna powoduje obrót koła do przodu i do tyłu wokół własnej osi. Większość zegarków mechanicznych wykorzystuje układ koła / sprężyny.

Jaka jest różnica między zegarem sterowanym ciężarem a zegarem sprężynowym? Nieznaczna. To znaczy, zarówno ciężar, jak i sprężyna magazynują energię. W zegarze sprężynowym nakręcasz sprężynę, a ona rozwija się w ten sam rodzaj przekładni, co w zegarze z obciążeniem. Co można zrobić, aby zegar był dokładniejszy? Istnieje doskonała książka zatytułowana „Długość geograficzna: prawdziwa historia samotnego geniusza, który rozwiązuje największy problem naukowy swoich czasów” autorstwa Davy Sobel, w której omówiono tworzenie niezwykle dokładnych zegarów mechanicznych do określania długości geograficznej statku. Stworzenie dokładnych zegarów mechanicznych, które mogą służyć na statku (w przeciwieństwie do zegara wahadłowego) było prawdziwym wyzwaniem. A jak działa tarcza faz księżyca na zegarze? Tarcza faz księżyca działa tak samo, jak wskazówki zegara. Wskazówka minutowa na zegarze przesuwa się z szybkością jednego obrotu na godzinę. Wskazówka godzinowa przesuwa się o jeden obrót co 12 godzin. Tarcza faz księżyca porusza się z częstotliwością jednego obrotu mniej więcej co 56 dni. Cykl księżyca trwa 28 dni, a na tarczy faz księżyca są namalowane dwa księżyce.

Wiele osób uwielbia łamigłówki i tajemnice - a liczba ta najwyraźniej obejmuje wielu zegarmistrzów. Jak inaczej wyjaśniłbyś popularność tajemniczych zegarów w ciągu ostatnich kilku stuleci? Niezależnie od tego, czy są to francuskie, czy niemieckie zabytki z XIX wieku, warte sześciu cyfr, niezwykle drogie dzieła XX wieku z klejnotami, czy używane modele popularnego amerykańskiego zegara elektrycznego z lat 50, tajemnicze zegary są nadal cenione zarówno przez kolekcjonerów, jak i miłośników nostalgii. Popularność tajemniczych zegarów nie jest żadną tajemnicą. To świetny temat do rozmów. Na pierwszy rzut oka są zadziwiające i zabawnie fascynujące, gdy zrozumiesz, co się dzieje. Są triumfem wyobraźni i kunsztu, często są też dziełami sztuki dekoracyjnej. Tajemnica tkwi w tym, jak działają te zegary. Czasami nazywa się je “niemożliwymi” zegarami, ponieważ wydaje się, że albo w ogóle nie działają, ponieważ wskazówki zegara wydają się nie być połączone z żadnymi mechanizmami. W przypadku bardziej konwencjonalnych zegarów łatwo jest zobaczyć, gdzie są przymocowane do elementów, które je poruszają, niezależnie od tego, czy są napędzane mechanicznym wahadłem, czy silnikiem elektrycznym.

 

Ale w tajemniczych zegarach wskazówki wydają się poruszać bez widocznego mechanizmu, który mógłby nimi sterować. Odwróć zegar, obejrzyj tył, a nadal nie będziesz w stanie stwierdzić, co sprawia, że ​​tyka i odmierza dokładnie nasz czas. Jaka jest więc odpowiedź na tę tajemniczą zagadkę? To iluzja. Tajemnicze zegary to sztuczki. Podczas pisania tego tekstu nauczyliśmy się tyle samo o ludzkiej naturze, co o zegarach. Uderzyło nas to, jak ludzie od zawsze kochają łamigłówki, tajemnice i sztuczki i ile są w stanie zapłacić za coś, co wydaje się być w działaniu niesamowite, niemożliwe lub futurystyczne.