Анкерный спусковой механизм

Анимация, показывающая работу анкерного спуска.

Якорь и спусковое колесо часов конца XIX века. Пластина, которая обычно удерживает передний конец шестерен, для ясности удалена. Маятник находится за задней пластиной.

В часовом деле якорный спусковой механизм — это тип спускового механизма, используемый в маятниковых часах . — Спусковой механизм это механизм в механических часах , который поддерживает колебание маятника , слегка толкая его при каждом качании, и позволяет колесам часов продвигаться вперед на фиксированную величину при каждом качании, перемещая стрелки часов вперед. Якорный спусковой механизм был назван так потому, что одна из его основных частей по форме напоминает корабельный якорь.

Якорный спуск был изобретен часовщиком Уильямом Клементом. который популяризировал якорь своим изобретением длинных часов или напольных часов около 1680 года. Изобретение Клемента было существенным улучшением спускового механизма Роберта Гука с постоянным усилием 1671 года. Самые старые известные якорные часы — это часы колледжа Уодхэм , башенные часы, построенные в Уодхэм колледже в Оксфорде в 1670 году, вероятно, часовщиком Джозефом Книббом . Якорь стал стандартным спусковым механизмом, используемым почти во всех маятниковых часах.

Более точный вариант без отдачи, называемый спусковым механизмом с мертвым ходом, был изобретен Ричардом Таунли около 1675 года и представлен британским часовщиком Джорджем Грэмом около 1715 года. Он постепенно вытеснил обычный якорный спусковой механизм и используется в большинстве современных маятниковых часов.

Как это работает

Якорный спусковой механизм состоит из двух частей: спускового колеса , которое представляет собой вертикальное колесо с заостренными зубьями на нем, напоминающими зубья пилы , и якоря , по форме напоминающего корабельный якорь, который качается вперед и назад на оси прямо над спусковым крючком. колесо. На двух плечах якоря расположены изогнутые поверхности, к которым прижимаются зубья спускового колеса, называемые поддонами . Центральный вал якоря прикреплен к вилке, толкаемой маятником , поэтому якорь раскачивается вперед и назад, при этом поддоны поочередно захватывают и отпускают зуб спускового колеса с каждой стороны.

Каждый раз, когда один поддон отходит от спускового колеса, освобождая зуб, колесо поворачивается, и зуб на другой стороне цепляется за другой поддон, который движется к колесу. Импульс маятника продолжает перемещать второй поддон в сторону колеса, отталкивая спусковое колесо назад на некоторое расстояние, пока маятник не изменит направление и поддон не начнет отходить от колеса, при этом зуб скользит по его поверхности, толкая его. . Затем зуб соскальзывает с конца поддона, и цикл начинается снова.

Ни анкерный спусковой механизм, ни неработающая форма, показанная ниже, не являются самозапускающимися. Чтобы заставить их двигаться, маятнику нужно качнуться.

Маятник и анкерный спуск.
а) маятниковый стержень
(б) качание маятника
(c) гайка регулировки скорости
(г) пружина подвески
(д) костыль
(е) вилка
(ж) спусковое колесо
(з) якорь

Отдача

Движение спускового колеса назад во время части цикла, называемое отдачей , является одним из недостатков якорного спуска. Это приводит к временному развороту всей колесной передачи обратно к действующему весу с каждым тактом часов, что приводит к дополнительному износу колесной передачи, чрезмерному износу зубьев шестерен и неточности. Это также может привести к тому, что кончики зубьев спускового колеса впиваются в поверхность поддона. Зубья наклонены назад, в противоположном направлении вращения, а поверхность поддонов слегка выпуклая, чтобы предотвратить это.

Другая причина, по которой зубья спускового колеса наклонены назад, — это мера безопасности. Если часы перемещаются без фиксации маятника, неконтролируемое раскачивание маятника может привести к резкому столкновению анкерных поддонов со спусковым колесом. Наклонные зубья гарантируют, что плоские поверхности анкерных поддонов сначала соприкасаются с боковыми сторонами зубьев, защищая деликатные точки от поломки.

Неповоротный спусковой механизм (внизу) не имеет отдачи. Один из способов определить, есть ли в старинных маятниковых часах якорный или неработающий спусковой механизм, — это наблюдать за секундной стрелкой. Если после каждого тикания часы слегка перемещаются назад, показывая отдачу, значит, в часах имеется анкерный спусковой механизм.

Костыль и вилка

Вал якоря, называемый костылем, заканчивается вилкой, охватывающей стержень маятника, придающей ему поперечные импульсы. Стержень маятника подвешивается на короткой прямой подвесной пружине, прикрепленной к прочной опоре непосредственно за якорем. Ось анкера совмещена с точкой изгиба пружины. Такое расположение обеспечивает более стабильную опору маятника, чем простое подвешивание маятника непосредственно на якоре.

Детали дизайна

Якорь очень терпим к изменениям своей геометрии, поэтому его форма широко варьировалась. В конце 19 века в Британии обычная конструкция Угол между поддонами составлял 90 °, что означало расположение опорной оси на расстоянии √ 2 ≈ 1,4 радиуса спускового колеса от оси спускового колеса. В старинных часах , у которых был маятник, который качался один раз в секунду, спусковое колесо часто имело 30 зубцов, что заставляло спусковое колесо вращаться один раз в минуту, чтобы секундную стрелку к его валу можно было прикрепить . В спусковом колесе с 30 зубьями поддоны охватывают около 7½ зубьев. Угол импульса поддонов, определявший качание маятника, составлял 3–4°.

История

Якорь был вторым широко используемым спусковым механизмом в Европе, заменив примитивный 400-летний верхний спусковой механизм в маятниковых часах . Маятники в часах с вертикальным спуском имели очень широкие колебания от 80° до 100°. В 1673 году, через семнадцать лет после изобретения маятниковых часов, Христиан Гюйгенс опубликовал свой математический анализ маятников « Horologium Oscillatorium» . В нем он показал, что широкие колебания маятника граничных часов приводят к их неточности, поскольку период колебаний маятника не был изохронным , а изменялся в небольшой степени из-за круговой ошибки с изменением амплитуды качания маятника, что произошло с неизбежными изменениями в движущей силе. Осознание того, что лишь небольшие колебания маятника были почти изохронными, побудило часовщиков создавать спусковые механизмы с небольшими колебаниями.

Главное преимущество якоря заключалось в том, что за счет расположения поддонов дальше от оси поворот маятника уменьшался примерно со 100 ° в вертикальных часах до всего лишь 4–6 °. Помимо повышения точности благодаря изохронности , это позволило часам использовать более длинные маятники, которые имели более медленное «биение». Меньшее сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости, поэтому более быстрый маятник испытывает значительно большее сопротивление) означало, что им требовалось меньше энергии для продолжения раскачивания, и вызывало меньший износ механизма часов. Якорь также позволял использовать более тяжелый маятник для заданной движущей силы, что делало маятник более независимым от спускового механизма (более высокое Q ) и, следовательно, более точным. Эти длинные маятники требовали длинных узких корпусов часов. Примерно в 1680 году британский часовщик Уильям Клемент начал продавать первые коммерческие часы с анкерным спусковым механизмом, высокие отдельно стоящие часы с секундными маятниками длиной 1 метр (39 дюймов) , помещенными в длинный узкий корпус часов, которые стали называть длинными корпусами или «дедушкинскими» часами. Якорь настолько увеличил точность часов, что примерно в 1680–1690 годах использование минутной стрелки , ранее являвшееся исключением в часах, стало правилом.

Якорный спуск заменил грани в маятниковых часах примерно за пятьдесят лет, хотя французские часовщики продолжали использовать грани примерно до 1800 года. Многие часы с гранями были перестроены с использованием якорей. В 18 веке более точная форма спускового механизма заменила якорь в прецизионных регуляторах, но якорь оставался рабочей лошадкой в ​​домашних маятниковых часах. В течение 19-го века форма «мертвого хода» постепенно стала преобладать в большинстве качественных часов, но форма якоря до сих пор используется в некоторых маятниковых часах.

Башенные часы — один из немногих типов маятниковых часов, в которых якорный спусковой механизм не доминировал. С переменной силой, прикладываемой к колесной передаче большими внешними руками, подвергающимися воздействию ветра, снега и льда, лучше справлялись гравитационные спусковые механизмы .

Недостатки

Анкерный спусковой механизм надежен и терпим к большим геометрическим ошибкам в своей конструкции, но его работа аналогична старому спусковому механизму и сохраняет два основных недостатка анкерного спуска:

• Это фрикционный спуск; маятник всегда толкается зубом спускового колеса на протяжении всего своего цикла и никогда не может свободно раскачиваться. Это делает тактовую частоту чувствительной к изменениям движущей силы. Любые небольшие изменения силы, приложенной к поддонам, например, из-за изменения смазки из-за старения масла или уменьшения силы ходовой пружины часов по мере ее истощения, изменят период качания маятника. Для часов с якорным спуском, приводимых в движение ходовой пружиной, требовался предохранитель, чтобы выровнять силу ходовой пружины.
• это возвратный Как упоминалось выше, спусковой механизм; импульс маятника толкает спусковое колесо назад во время части цикла. Это приводит к дополнительному износу механизма и приложению к маятнику различной силы, что приводит к неточности.

Невозвратный спусковой механизм

Неподвижный спусковой механизм: (а) спусковое колесо, (б) поддоны с красными линиями, обозначающими концентрические запирающие поверхности, (в) костыль.

Два вышеупомянутых недостатка были устранены с изобретением улучшенной версии анкерного спуска: спускового механизма Грэма или спускового механизма Грэма . Это часто ошибочно приписывают английскому часовщику Джорджу Грэму, который представил его около 1715 года в своих прецизионных часах с регулятором. Однако на самом деле он был изобретен примерно в 1675 году астрономом Ричардом Таунли и впервые использован наставником Грэма Томасом Томпионом в часах, построенных для сэра Джонаса Мура , а также в двух прецизионных регуляторах, которые он сделал для новой Гринвичской обсерватории в 1676 году. упоминается в переписке между королевским астрономом Джоном Флемстидом и Таунли.

Неповоротная форма анкерного спуска менее устойчива к неточностям при изготовлении или износу во время эксплуатации и первоначально использовалась только в прецизионных часах, но в 19 веке ее использование распространилось на большинство качественных маятниковых часов. Почти все современные часы с маятником используют его.

Как это работает

Спусковой механизм имеет две стороны по отношению к поддонам: «запирающую», или «мертвую», поверхность с изогнутой поверхностью, концентричной оси, на которой вращается якорь, и наклонную «импульсную» поверхность. Когда зуб спускового колеса упирается в одну из мертвых поверхностей, его сила направлена ​​через ось поворота якоря, поэтому он не дает импульс маятнику, позволяя ему свободно раскачиваться. Когда поддон на другой стороне отпускает спусковое колесо, зуб сначала приземляется на эту «мертвую» поверхность и остается прижатым к ней на протяжении большей части движения маятника наружу и обратно. В этот период спусковое колесо «заблокировано» и не может вращаться. В нижней части качания маятника зуб соскальзывает с мертвой поверхности на наклонную «импульсную» поверхность поддона, позволяя спусковому колесу повернуться и толкнуть маятник перед тем, как упасть с поддона. Это по-прежнему спусковой механизм с фрикционным упором, поскольку скольжение спускового зубца по мертвой поверхности добавляет трения к качанию маятника, но у него меньше трения, чем у возвратного спускового механизма, поскольку нет силы отдачи.

В отличие от наклона назад зубьев анкерного спускового колеса, зубья спускового колеса с жестким ходом являются радиальными или наклонены вперед, чтобы обеспечить контакт зуба с «мертвой» поверхностью поддона, предотвращая отдачу.

Воздушное состояние

В 1700-х годах часовщики обнаружили, что с точки зрения точности лучшее место для приложения импульса, поддерживающего раскачивание маятника, — это нижняя часть его качания, когда он проходит через свое положение равновесия. Если импульс прикладывается во время падения маятника, прежде чем он достигнет дна, импульсная сила имеет тенденцию уменьшать период качания, поэтому увеличение движущей силы заставляет часы идти вперед. Если импульс приложен во время подъема маятника, то после того, как он достигнет дна, импульсная сила имеет тенденцию увеличивать период качания, поэтому увеличение движущей силы приводит к тому, что часы сбивают время. Если импульс приложен снизу, то изменения силы импульса теоретически не должны влиять на период.

в 1826 году британский астроном Джордж Эйри Это доказал ; в частности, он доказал, что маятник, приводимый в движение импульсом привода, симметричным относительно его нижнего положения равновесия, является изохронным для различных движущих сил, игнорируя трение, и что спусковой механизм с мертвым ходом приблизительно удовлетворяет этому условию. Было бы вполне удовлетворительно, если бы зубья спускового колеса располагались точно на углу между двумя поверхностями поддона, но для того, чтобы спусковой механизм работал надежно, зубья должны располагаться выше угла, на «мертвой» поверхности.

Сравнение движения в якоре и на стоянке

Основной причиной погрешности часов являются изменения движущей силы, приложенной к спусковому механизму, вызванные небольшими изменениями трения шестерен или поддонов или уменьшением силы главной пружины по мере ее раскручивания. Спусковой механизм, в котором изменения движущей силы не влияют на ход, называется изохронным. Превосходные характеристики мертвого удара по сравнению с отдачей обусловлены улучшенной изохронностью. Это связано с тем, что изменения движущей силы по-разному влияют на качание маятника в двух спусковых механизмах:

• В якорном спуске маятника увеличение движущей силы заставляет маятник раскачиваться вперед и назад быстрее, но не сильно увеличивает амплитуду и длину его качания. Увеличение силы зуба спускового колеса на поддоне во время обратной части цикла имеет тенденцию уменьшать качание маятника, тогда как сила зуба во время прямой импульсной части цикла имеет тенденцию увеличивать качание маятника. Они имеют тенденцию нейтрализовать друг друга, оставляя колебание неизменным. Но оба эти эффекта уменьшают время качания. Другими словами, увеличенная сила быстрее раскачивает маятник взад и вперед по фиксированной дуге.
• В спусковом механизме с мертвым ходом отдача отсутствует, а повышенная движущая сила заставляет маятник раскачиваться по более широкой дуге, а также двигаться быстрее. Время, необходимое для преодоления дополнительного расстояния, в точности компенсирует возросшую скорость маятника, оставляя период качания неизменным. Однако более широкий размах вызывает небольшое увеличение периода из-за круговой ошибки . Для бытовых часов этот эффект незначителен, но это ограничение точности, которую можно достичь с помощью прецизионных часов-регуляторов с апериодическим спусковым механизмом.

Когда был изобретен маятник, часовщики первоначально полагали, что он имеет меньшую изохронность, чем якорь, из-за большего влияния изменений силы на амплитуду маятника. Недавние исследования показывают, что неизохронность анкерного спуска может компенсировать круговую ошибку маятника. То есть увеличение амплитуды качания якоря вызывает небольшое увеличение периода маятника из-за круговой ошибки , и это может компенсировать уменьшение периода из-за изохронности. Из-за этого эффекта тщательно отрегулированный анкерный спуск с полированными поддонами может быть более точным, чем неработающий спусковой механизм. Это было подтверждено как минимум одним современным экспериментом.

См. также

• Рычажный спуск

Внешние ссылки

• Хедрик, Майкл (2002). «Происхождение и эволюция спускового механизма якорных часов» . Журнал «Системы управления» . 22 (2). Инст. инженеров по электротехнике и электронике. Архивировано из оригинала 25 октября 2009 г. Проверено 6 июня 2007 г. - мертвая ссылка
• Глазго, Дэвид (1885). Изготовление часов и часов . Лондон: Cassel & Co. 293 . в Google Книгах. Детали строительства.