Sprężyna równowagi
Sprężyna równoważąca lub sprężyna włosowa to sprężyna przymocowana do koła równoważącego w zegarkach mechanicznych . Powoduje, że koło balansowe oscyluje z częstotliwością rezonansową podczas pracy zegarka, która kontroluje prędkość, z jaką obracają się koła zegarka, a tym samym szybkość ruchu wskazówek. Często montowana jest dźwignia regulatora , której można użyć do zmiany swobodnej długości sprężyny, a tym samym do regulacji szybkości zegarka.
Sprężyna balansu to cienka spiralna lub spiralna sprężyna skrętna stosowana w zegarkach mechanicznych , budzikach , zegarach kuchennych , chronometrach morskich i innych mechanizmach pomiaru czasu do kontrolowania szybkości oscylacji koła balansowego. Sprężyna równoważąca jest niezbędnym dodatkiem do koła równoważącego, powodując jego oscylacje w przód iw tył. Sprężyna balansu i koło balansu razem tworzą oscylator harmoniczny , który oscyluje z precyzyjnym okresem lub „uderzeniem” odpornym na zewnętrzne zakłócenia i odpowiada za dokładność pomiaru czasu.
Dodanie sprężyny balansowej do koła balansowego około 1657 roku przez Roberta Hooke'a i Christiaana Huygensa znacznie zwiększyło dokładność przenośnych zegarków, przekształcając wczesne zegarki kieszonkowe z drogich nowości w przydatne zegarki. Ulepszenia sprężyny równoważącej są odpowiedzialne za dalszy duży wzrost dokładności od tego czasu. Nowoczesne sprężyny wyważające są wykonane ze specjalnych stopów o niskim współczynniku temperaturowym , takich jak nivarox , aby zmniejszyć wpływ zmian temperatury na prędkość, i są starannie ukształtowane, aby zminimalizować wpływ zmian siły napędowej podczas opadania sprężyny głównej . Przed latami 80. koła równoważące i sprężyny równoważące były używane w praktycznie każdym przenośnym urządzeniu do pomiaru czasu, ale w ostatnich dziesięcioleciach technologia elektronicznego pomiaru czasu kwarcowego zastąpiła mechanizm mechaniczny, a sprężyny równoważące są nadal głównie stosowane w zegarkach mechanicznych.
Historia
Istnieje pewien spór co do tego, czy został wynaleziony około 1660 roku przez brytyjskiego fizyka Roberta Hooke'a , czy holenderskiego naukowca Christiaana Huygensa , z prawdopodobieństwem, że Hooke jako pierwszy wpadł na ten pomysł, ale Huygens zbudował pierwszy działający zegarek, który wykorzystywał sprężynę balansową. Wcześniej w zegarach i zegarkach stosowano koła balansowe lub folioty bez sprężyn, ale były one bardzo wrażliwe na wahania siły napędowej, powodując spowolnienie zegarka w miarę rozwijania się sprężyny głównej . Wprowadzenie sprężyny balansowej spowodowało ogromny wzrost dokładności zegarków kieszonkowych , z być może kilku godzin dziennie do 10 minut dziennie, czyniąc je po raz pierwszy użytecznymi chronometrażystami. Pierwsze sprężyny balansowe miały tylko kilka zwojów.
Kilka wczesnych zegarków miało regulator Barrowa, który wykorzystywał napęd ślimakowy , ale pierwszy szeroko stosowany regulator został wynaleziony przez Thomasa Tompiona około 1680 roku. W regulatorze Tompion sworznie krawężnika były zamontowane na półokrągłej listwie zębatej, którą regulowano poprzez zamontowanie klucz do koła zębatego i przekręcając go. Nowoczesny regulator, dźwignia obracana koncentrycznie z kołem balansowym, został opatentowany przez Josepha Bosleya w 1755 roku, ale zastąpił regulator Tompion dopiero na początku XIX wieku.
Regulator
Aby wyregulować tempo, sprężyna balansowa ma zwykle regulator . Regulator to ruchoma dźwignia zamontowana na kurku lub mostku balansowym, obracana współosiowo z wagą. Wąska szczelina jest utworzona na jednym końcu regulatora przez dwa wystające do dołu kołki, zwane kołkami krawężnika, lub kołek krawężnika i kołek o cięższej części zwany osłoną. Koniec zewnętrznego zwoju sprężyny równoważącej jest zamocowany w kołku, który jest przymocowany do kurka równoważącego. Zewnętrzny zwój sprężyny przechodzi następnie przez szczelinę regulatora. Część sprężyny między kołkiem a szczeliną jest utrzymywana nieruchomo, więc położenie szczeliny kontroluje swobodną długość sprężyny. Przesuwanie regulatora przesuwa szczelinę wzdłuż zewnętrznego zwoju sprężyny, zmieniając jej efektywną długość. Odsunięcie szczeliny od kołka skraca sprężynę, czyniąc ją sztywniejszą, zwiększając częstotliwość oscylacji wagi i wydłużając czas narastania zegarka.
Regulator nieznacznie ingeruje w ruch sprężyny, powodując niedokładność, więc precyzyjne zegarki, takie jak chronometry morskie i niektóre wysokiej klasy zegarki, mają sprężynę swobodną , co oznacza, że nie mają regulatora. Zamiast tego ich szybkość jest regulowana za pomocą śrub rozrządu na kole balansowym.
Istnieją dwa główne typy regulatorów sprężyny balansowej.
- Regulator Tompion, w którym sworznie krawężnika osadzone są na zębatce sektorowej, poruszanej za pomocą zębnika. Koło zębate jest zwykle wyposażone w wyskalowaną srebrną lub stalową tarczę.
- Regulator Bosleya, jak opisano powyżej, w którym kołki są zamontowane na dźwigni obracanej współosiowo z wagą, przy czym koniec dźwigni może być przesuwany po stopniowanej skali. Istnieje kilka wariantów, które poprawiają dokładność przesuwania dźwigni, w tym ślimakowy , w którym dźwignia jest sprężynowana na krzywce o spiralnym profilu, którą można obracać, mikrometr, w którym dźwignia jest poruszana przez przekładnię ślimakową , oraz łabędzia szyja lub regulator trzcinowy , w którym położenie dźwigni jest regulowane za pomocą cienkiej śruby, przy czym dźwignia jest utrzymywana w kontakcie ze śrubą za pomocą sprężyny w kształcie zakrzywionej łabędziej szyi. Zostało to wynalezione i opatentowane przez Amerykanina George'a P. Reeda, patent USA nr 61 867 z dnia 5 lutego 1867 r.
Istnieje również regulator ze świńskiej sierści lub świńskiej szczeciny , w którym sztywne włókna są umieszczone na końcach łuku wagi i delikatnie ją zatrzymują przed odrzuceniem. Zegarek jest przyspieszany przez skracanie łuku. To nie jest regulator sprężyny balansu, używany w najwcześniejszych zegarkach przed wynalezieniem sprężyny balansu.
Istnieje również regulator Barrowa, ale tak naprawdę jest to wcześniejsza z dwóch głównych metod nadawania sprężynie głównej „naprężenia wstępnego”; wymagało to utrzymania napięcia łańcucha fusée, ale niewystarczającego do faktycznego napędzania zegarka. Zegarki Verge można regulować, regulując napięcie nastawcze, ale jeśli obecny jest którykolwiek z wcześniej opisanych regulatorów, zwykle się tego nie robi.
Materiał
Na sprężyny równoważące zastosowano wiele materiałów. Na początku używano stali, ale bez żadnego procesu hartowania lub odpuszczania; w rezultacie sprężyny te stopniowo słabną, a zegarek traci czas. [ potrzebne źródło ] Niektórzy zegarmistrzowie, na przykład John Arnold , używali złota, które pozwala uniknąć problemu korozji, ale zachowuje problem stopniowego osłabiania. Stal hartowana i odpuszczana została po raz pierwszy użyta przez Johna Harrisona , a następnie pozostała materiałem z wyboru aż do XX wieku.
W 1833 roku EJ Dent (twórca Wielkiego Zegara Parlamentu ) eksperymentował ze szklaną sprężyną balansową. Było to znacznie mniej podatne na ciepło niż stal, zmniejszając wymaganą kompensację, a także nie rdzewiało. Inne próby ze szklanymi sprężynami ujawniły, że były one trudne i drogie w wykonaniu, a ponadto cierpiały z powodu powszechnego postrzegania kruchości, które utrzymywało się aż do czasów włókna szklanego i materiałów światłowodowych. Sprężyny włosowe wykonane z trawionego krzemu zostały wprowadzone pod koniec XX wieku i nie są podatne na namagnesowanie.
Wpływ temperatury
Moduł sprężystości materiałów zależy od temperatury. W przypadku większości materiałów ten współczynnik temperaturowy jest na tyle duży, że wahania temperatury znacząco wpływają na pomiar czasu koła balansowego i sprężyny balansowej. Pierwsi producenci zegarków ze sprężynami balansowymi, tacy jak Hooke i Huygens, zaobserwowali ten efekt bez znalezienia rozwiązania.
Harrison, w trakcie opracowywania chronometru morskiego, rozwiązał ten problem za pomocą „krawężnika kompensacyjnego” - zasadniczo termometru bimetalicznego , który dostosowywał efektywną długość sprężyny równoważącej w funkcji temperatury. Chociaż ten schemat działał wystarczająco dobrze, aby umożliwić Harrisonowi spełnienie standardów określonych w ustawie o długości geograficznej , nie został powszechnie przyjęty.
Około 1765 roku Pierre Le Roy (syn Juliena Le Roya ) wynalazł wagę kompensacyjną, która stała się standardowym podejściem do kompensacji temperatury w zegarkach i chronometrach. W tym podejściu zmienia się kształt wagi lub przesuwa się ciężarki regulacyjne na szprychach lub obręczy wagi za pomocą mechanizmu wrażliwego na temperaturę. Zmienia to moment bezwładności koła równoważącego, a zmiana jest regulowana w taki sposób, że kompensuje zmianę modułu sprężystości sprężyny równoważącej. Kompensacyjna konstrukcja wyważenia Thomasa Earnshawa , która składa się po prostu z koła wyważającego z bimetalicznym obrzeżem, stała się standardowym rozwiązaniem kompensacji temperatury.
Elinvar
Chociaż równowaga kompensacyjna była skutecznym sposobem kompensacji wpływu temperatury na sprężynę równoważącą, nie mogła zapewnić kompletnego rozwiązania. Podstawowa konstrukcja cierpi na „błąd średniej temperatury”: jeśli kompensacja jest dostosowana tak, aby była dokładna w ekstremalnych temperaturach, to będzie nieco zaniżona w temperaturach pomiędzy tymi skrajnymi temperaturami. Aby tego uniknąć, zaprojektowano różne mechanizmy „kompensacji pomocniczej”, ale wszystkie one są złożone i trudne do dostosowania.
Charles Édouard Guillaume , wynalazca elinvaru , stworzył zasadniczo odmienne rozwiązanie . Jest to stop niklu ze stalą, którego moduł sprężystości zasadniczo nie zależy od temperatury. Zegarek wyposażony w sprężynę balansu elinvar nie wymaga żadnej kompensacji temperatury lub wymaga jej bardzo niewiele. Upraszcza to mechanizm i oznacza również, że błąd średniej temperatury jest wyeliminowany lub przynajmniej drastycznie zmniejszony.
Izochronizm
Sprężyna równoważąca przestrzega prawa Hooke'a : przywracający moment obrotowy jest proporcjonalny do przesunięcia kątowego. Kiedy ta właściwość jest dokładnie spełniona, mówimy, że sprężyna równoważąca jest izochroniczna , a okres oscylacji jest niezależny od amplitudy oscylacji. Jest to niezbędna właściwość do dokładnego pomiaru czasu, ponieważ żaden mechaniczny układ napędowy nie może zapewnić absolutnie stałej siły napędowej. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku zegarków i zegarów przenośnych, które są napędzane przez sprężynę główną, która zapewnia malejącą siłę napędową podczas odwijania. Inną przyczyną zmiennej siły napędowej jest tarcie, które zmienia się wraz ze starzeniem się oleju smarowego.
Pierwsi zegarmistrzowie empirycznie znaleźli sposoby, aby ich sprężyny balansowe były izochroniczne. Na przykład Arnold w 1776 roku opatentował spiralną (cylindryczną) formę sprężyny balansowej, w której końce sprężyny były zwinięte do wewnątrz. W 1861 roku M. Phillips opublikował teoretyczne podejście do problemu. Wykazał, że sprężyna równoważąca, której środek ciężkości pokrywa się z osią koła równoważącego, jest izochroniczna.
W ogólnej praktyce najpowszechniejszą metodą osiągania izochronizmu jest użycie nawinięcia Bregueta, które umieszcza część najbardziej zewnętrznego zwoju sprężyny włosowej w innej płaszczyźnie niż reszta sprężyny. Dzięki temu sprężyna włosowa „oddycha” bardziej równomiernie i symetrycznie. Występują dwa rodzaje cewek – stopniowa cewka i Z-Bend. Stopniowe zwinięcie uzyskuje się przez nałożenie dwóch stopniowych skrętów na sprężynę włosową, tworząc wzniesienie do drugiej płaszczyzny na połowie obwodu. Zagięcie w kształcie litery Z robi to, nakładając dwa załamania o uzupełniających się kątach 45 stopni, osiągając wzniesienie do drugiej płaszczyzny na około trzech wysokościach sekcji sprężyny. Druga metoda wykonywana jest ze względów estetycznych i jest znacznie trudniejsza do wykonania. Ze względu na trudności z uformowaniem zwoju, nowoczesne zegarki często używają nieco mniej skutecznego „doglegu”, który wykorzystuje serię ostrych zakrętów (w płaszczyźnie), aby umieścić część najbardziej zewnętrznej cewki z dala od reszty sprężyny.
Okres oscylacji
Sprężyna równoważąca i koło równoważące (które zwykle nazywa się po prostu balansem ) tworzą oscylator harmoniczny . Sprężyna równoważąca zapewnia moment przywracający , który ogranicza i odwraca ruch wagi, tak aby oscylowała w przód iw tył. Jego rezonansowy czyni go odpornym na zmiany sił zakłócających, co czyni go dobrym urządzeniem do pomiaru czasu. Sztywność sprężyny, jej współczynnik sprężystości ·m/radian, wraz z momentem bezwładności w kg· 2 , określa okres oscylacji koła . Równania ruchu dla równowagi pochodzą z postaci kątowej prawa Hooke'a i postaci kątowej drugiego prawa Newtona.
Z uproszczenia powyższego równania wynika następujące równanie różniczkowe ruchu koła:
Rozwiązaniem tego równania ruchu dla równowagi jest prosty ruch harmoniczny ; tj. ruch sinusoidalny o stałym okresie.
Zatem z powyższych wyników można wyprowadzić następujące równanie okresowości oscylacji:
