Mechanizmy wahadłowe i balansowe

Wahadło zegarowe – wahadło fizyczne stosowane w zegarach jako element odmierzający jednakowe odcinki czasu. Wahadło zegarowe jest zwykle zbudowane z pręta 2 (patrz rys.) obciążonego obciążnikiem 6 nazywanym soczewką i jest zawieszone na sprężystej taśmie 1 ponad swoim środkiem ciężkości. Wahadło wykonuje drgania w płaszczyźnie pionowej pod wpływem siły grawitacji.

 

Ruch wahadła odbywa się z częstotliwością bardzo bliską swojej częstotliwości rezonansowej. Z punktu widzenia fizyki wahadło stanowi realizację oscylatora harmonicznego wymuszonego tłumionego. Utrzymanie stałej amplitudy ruchu wahadła obywa się poprzez uzupełnianie strat energii za pomocą mechanicznego (wychwyt} lub elektromechanicznego urządzenia napędowego.

 

 

Regulacja okresu wahadła (strojenie zegara) odbywa się poprzez zmianę momentu bezwładności wahadła. Realizuje się to obracając specjalną nakrętkę regulacyjną 7 powodującą przesunięcie ciężarka 6.

 

Podstawowe parametry wahadła to:

 

  • okres wahań
  • długość zredukowana – długość wahadła matematycznego o takim samym okresie
  • amplituda – kąt pomiędzy maksymalnym wychyleniem a położeniem równowagi
  • dobroć – stosunek energii mechanicznej wahadła do energii rozpraszanej w ciągu jednego okresu (dobroć wahadeł pracujących w powietrzu sięga 10 000)

 

Okres wahań wahadła zegarowego zmienia się pod wpływem zmian:

 

  • przyspieszenia ziemskiego – jego wzrost powoduje zmniejszenie okresu wahań
  • temperatury otoczenia – wzrost temperatury powoduje powiększenie okresu na skutek wydłużenia wahadła w wyniku rozszerzalności cieplnej
  • amplitudy – wzrost wychyleń wahadła powoduje wzrost okresu (jest to tzw. błąd kołowy)
  • ciśnienia atmosferycznego – wzrost ciśnienia powoduje wydłużenie okresu na skutek siły wyporu powietrza działającej na wahadło oraz zwiększenia oporu powietrza

 

Balans — regulator chodu w zegarach i zegarkach mechanicznych, odpowiednik wahadła w zegarze wahadłowym. Jest to koło, obracające się na przemian w obu kierunkach i zawracające pod wpływem sprężyny. Balans współpracuje z wychwytem, odmierzającym określone obroty kół zębatych mechanizmu zegarowego, jednocześnie pobierając z tego mechanizmu energię podtrzymującą ruch. Balans jest wahadłem torsyjnym, a zatem takim wahadłem, w którym ruchomy element obraca się wahadłowo pod wpływem sprężyny. W odróżnieniu od stosowanego w innych zegarach wahadła fizycznego, ruch balansu nie jest związany z obecnością pola grawitacyjnego Ziemi. Może on zatem pracować niezależnie od ustawienia względem pionu, a jego okres ruchu jest niezależny od miejsca na Ziemi. Możliwość poprawnej pracy bez względu na położenie, pozwoliła zarówno na budowę dokładnych chronometrów, jak i przenośnych zegarków kieszonkowych i naręcznych. Ich konstrukcja ulegała wielokrotnym modyfikacjom, mającym na celu miniaturyzację i zwiększenie dokładności. Począwszy od upowszechnienia wynalazku, aż do lat 70. XX wieku, kiedy upowszechniły się zegarki kwarcowe, balans był najczęściej używanym regulatorem w zegarkach powszechnego użytku.

 

Budowa i zasada działania

 

Najważniejsze części balansu to koło balansu (element zamachowy o odpowiednio dobranym momencie bezwładności), oś balansu i włos. Włos jest sprężyną spiralną, najczęściej płaską. Po raz pierwszy zastosował go w 1675 r. Christiaan Huygens w dokładnym zegarze służącym do obliczeń astronomicznych. Zastosowanie tego typu sprężyny było przełomem w konstrukcji balansu – wcześniejsze próby, ze sprężynami o innej konstrukcji, kończyły się niepowodzeniem z uwagi na dużą zależność okresu od amplitudy drgań. W zegarku z wychwytem cylindrowym włos ma 8–9 zwojów, a w zegarku z wychwytem kotwicowym 10–15 zwojów. Zewnętrzny koniec włosa umocowany jest do korpusu mechanizmu zegarka, wewnętrzny – do pierścienia osadzonego na osi balansu. Włos znajduje się nad kołem balansu, elementy wychwytu pod kołem.

 

Z punktu widzenia fizyki, balans stanowi realizację oscylatora harmonicznego wymuszonego z niewielkim tłumieniem i siłą wymuszającą przenoszoną w postaci krótkich impulsów przez koło wychwytowe za pośrednictwem wychwytu. Oscylator ten pracuje z częstotliwością bardzo bliską swojej częstotliwości rezonansowej.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *