Óraművek és mechanikus időzítők

Mi ez?

Az idő mérésének és felhasználásának egy módja, amely teljes egészében tárolt mechanikai energiából és mozgó alkatrészekből épül fel — nincs elem, nincs áramkör. Három rész működik együtt: egy energiatároló (egy felhúzott rugó vagy egy függő súly), egy fogaskerék-áttétel (összekapcsolódó kerekek láncolata, amely az energiát a mechanizmus többi részéhez továbbítja), és egy gátlómű (egy alkatrész, amely a tárolt energiát kis, egyenletesen időzített lépésekben engedi ki, ahelyett, hogy egyszerre engedné el az egészet).

Mire jó?

Bárhol, ahol egy eszköznek időt kell mérnie vagy adagolnia, és az elektronika nem elérhető, megbízhatatlan vagy nem kívánatos: mechanikus órák és karórák, konyhai és sötétkamrai időzítők, felhúzható ébresztőórák, mechanikus reteszelések és késleltető mechanizmusok, és — történelmileg — a tengeri kronométerek, amelyek lehetővé tették a hajók számára a hosszúsági fok meghatározását a tengeren. Mivel egy jól elkészített mechanikus időzítőnek nincs szüksége áramforrásra, áramszünetek idején, valamint poros, nedves vagy mágnesesen zajos környezetben is működik, ahol az elektronika nehezen boldogul.

A mögötte rejlő fizika

A főrugó (egy feltekert rugóacél szalag) vagy egy eső súly mechanikai energiát tárol. Ahogy letekeredik vagy leereszkedik, megforgatja a fogaskerék-áttétel első kerekét, amely egy sor egymásba illeszkedő fogaskerékből áll, és minden fokozatban megváltoztatja a sebességet és a nyomatékot (egy kis számú, gyorsan forgó fogaskerék meghajthat, vagy meghajtható egy nagy számú, lassan forgó fogaskerék által — a fogszámok aránya határozza meg a forgási sebességek arányát). Magára hagyva ez a tárolt energia csak egyre gyorsabban forgatná a kerekeket, amíg el nem fogy. A gátlómű megakadályozza ezt: egy horgonynak nevezett billenő kar felváltva reteszeli és engedi el a gátlókerék fogait, lehetővé téve, hogy minden lengéskor pontosan egy foggal előrehaladjon. A horgony minden lengését egy rezonátor ütemezi — egy inga (amelynek lengésideje főként a hosszától és a gravitációs gyorsulástól függ) vagy egy billegőkerék hajszálrugóval (amelynek oszcillációs ideje a forgási tehetetlenségétől és a rugó merevségétől függ). Mivel a rezonátor periódusa nagyon stabil, a gátlómű egyenlő méretű "ketyegésekben" adagolja ki a tárolt energiát, és a fogaskerék-áttétel az összegyűlt ketyegésszámot egy óramutató mozgásává vagy egy mechanizmus meghatározott időközönkénti kioldásává alakítja át.

Történelem

A korai időmérés nem mechanikus módszereket használt — napórákat, vízórákat (klepszidrákat) az ókori Egyiptomban, Görögországban és Kínában, valamint beosztásos gyertyákat vagy olajlámpákat. Az első igazi mechanikus gátlómű, az orsós-ingás gátlómű, a 13. század végén jelent meg az európai kolostori és toronyórákban; nem volt túl pontos (a napi több perces hibák normálisak voltak), de ez volt az első eszköz, amely a tárolt energiát diszkrét, számlálható ketyegésekké alakította. 1656-ban Christiaan Huygens, Galileo korábbi inga izokronizmusra vonatkozó megfigyeléseire építve, megépítette az első ingaórát, és Robert Hooke és William Clement horgonygátlóműve (az 1670-es évek körül) drámaian pontosabbá tette az ingaórákat azáltal, hogy csökkentette az inga lengésére gyakorolt zavaró hatást. A 18. században John Harrison tengeri kronométerei megoldották a pontos időmérés problémáját egy ringatózó hajón (ami elengedhetetlen volt a hosszúsági fok kiszámításához), hőmérséklet-kompenzált billegőket használva ingák helyett, amelyek nem működnek a tengeren. A 19. század hozta el a tömeggyártott, cserélhető alkatrészekből álló óraműveket (az amerikai óraipar, pl. Waltham és mások), így a mechanikus időmérés az átlagos háztartások számára is elérhetővé vált.

Egyszerű változat

Súlyhajtású óramű orsós-ingás gátlóművel: egy eső súly egy egyszerű fogaskerék-áttételt forgat, és egy állítható végtömeggel ellátott keresztléc (a foliot) leng előre-hátra az ütem szabályozására. Kézi szerszámokkal könnyen megépíthető, de rosszul tartja az időt (nagy, szélérzékeny hibák), mert a foliot nem izokron.

Haladó változat

Rugó- vagy súlyhajtású óramű horgonygátlóművel és ingával: az inga periódusa sokkal stabilabb, mint egy folioté, és a horgony geometriája csak enyhén zavarja az inga lengését, így egy jól beállított példány napi másodperceken belül képes tartani az időt.

Ipari változat

Precíziós szabályozóórák és tengeri kronométerek: ékköves csapágyak a súrlódás csökkentésére, hőmérséklet-kompenzált ingák (pl. rács- vagy higanyingák) vagy billegőkerék (bimetál, hőmérséklet-kompenzált), valamint tömeggyártott, cserélhető óraművek, amelyeket az iparban mindenre használtak, a gyári időmérő óráktól a mechanikus folyamatidőzítőkig és késleltetett működésű kapcsolókig olyan berendezésekben, amelyeknek elektromos ellátás nélkül kellett működniük.

Saját építése

Kezdje egy egyszerű, vásárolt vagy mentett fogaskerék-áttétellel és gátlóművel, ahelyett, hogy a fogaskerekeket a nulláról vágná — a fogprofil pontossága szinte mindennél fontosabb egy mechanikus időzítőben. Szerelje fel a kerekeket két tömör lemez (vagy egyetlen stabil keret) közé úgy, hogy a csapok egy vonalban legyenek és szabadon forogjanak, ingadozás nélkül. Illessze be a horgonyt úgy, hogy két palettája kis, egyenletes "ejtéssel" (az a kicsi szabad mozgás, mielőtt minden paletta megfog egy fogat) kapcsolódjon a gátlókerékhez mindkét oldalon. Az ingát vagy a billegőkeréket tegye be utoljára, és állítsa be a tényleges hosszát (vagy a kiegyensúlyozó súlyait), hogy a sebesség közel legyen a helyeshez, mielőtt finomhangolná.

Gyakori hibák

• Fogaskerék-áttételek, amelyek nem egész fogszámra jönnek ki, ami a mechanizmus elakadását vagy kihagyását okozza
• Egy gátlómű egyenetlen "ejtéssel" a két oldalán, ami a ketyegés és a tock egyenetlen hosszúságát eredményezi
• Egy ingahossz vagy billegőkerék-tehetetlenség, amelyet valójában nem számoltak ki vagy mértek meg, így az ütemet próbálgatással kell beállítani
• Túlzott súrlódás az eltolódott csapok, szennyeződések vagy hiányzó kenés miatt, ami elvonja azt a kis energiát, amire a gátlóműnek szüksége van a lengés fenntartásához
• Kézzel vágott fogaskerékfogak inkonzisztens profillal, amelyek durván illeszkednek és gyorsan kopnak

Hogyan mérjük?

Hasonlítsa össze az időzítőt egy ismert, pontos referenciaórával 24 órán keresztül, és rögzítse a napi másodpercekben mért eltérést; az inga tényleges hosszának beállítása (a súly emelése vagy süllyesztése) vagy a billegőkerék szabályozójának módosítása előre jelezhető irányban változtatja az ütemet. Egy gátlómű esetében hallgassa meg vagy filmezze le a ketyegést: egyenletes, egyenletesen elosztott "ketyegés...tock...ketyegés...tock" kiegyensúlyozott ejtést jelez mindkét palettán, míg egy egyenetlen vagy galoppozó ritmus ("ketyeg-tock...ketyeg-tock") gátlómű beállítási problémára utal.

Videók

(TODO)

Letölthető PDF

(TODO)