Sledujte únik

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 15. července 2019; kontroly vyžadují 16 úprav .

Watch escapement (v řeči hodinářů - „ sestup “, „ pohyb “; francouzsky  échappement , anglicky  escapement , německy  Hemmung ) - zařízení určené k udržení konstantní průměrné rychlosti otáčení únikového kola, umožňující otáčení pouze do požadovaného úhlu v určité poloze a zároveň podporuje kmitání regulátoru ( kyvadla nebo rovnováhy), kompenzuje ztráty třením a odporem vzduchu.

Escapement je mezilehlý uzel hodinového mechanismu mezi systémem hlavního kola a regulátorem.

Každým výkyvem kyvadla se na krátkou dobu uvolní únik z „uzamčeno“ do „pojezdu“, který skončí, jakmile další zub ozubeného kola narazí na uzamykací plochu úniku. Právě toto pravidelné uvolňování energie a rychlé zastavení nutí hodiny tikat. Tento zvuk vydává ozubené soukolí, když se ozubené kolo náhle zastaví v okamžiku dalšího zablokování spoušťového mechanismu.

Historie

Význam escapementu v dějinách techniky spočívá v tom, že jde o klíčový vynález, který umožnil vytvořit všechny typy mechanických hodinek [1] . Díky tomuto vynálezu došlo v Evropě ve 13. století k obratu ve vývoji hodinového stroje od používání kontinuálních procesů (jako je například proudění vody ve vodních hodinách) k periodicky se opakujícím procesům, jako je např. oscilace kyvadla, což by mohlo poskytnout větší přesnost.

Tekutá spoušť

První tekuté úniky provedl v Číně buddhistický mnich Yi Xing, který je spolu se státníkem Liangem Lingzanem aplikoval v roce 723 (resp. 725) v armilární sféře a hodinkách [2] . Během éry Song ( 960-1279) inženýři Zhang Xixun († konec 10. století) a Su Song (1020-1101) zdokonalili únikové cesty ve svých věžích s astronomickými hodinami, než technologie v Číně stagnovala a upadala. Podle Ahmada al Hassana lze únik rtuti ve Španělsku , uskutečněný pro krále Alfonse X. Kastilského v roce 1277, připsat nejdříve popsanému v arabských zdrojích [3] . Informace o těchto rtuťových spouštěcích mechanismech se mohly rozšířit po celé Evropě po překladech arabských a španělských textů.

Žádný z těchto spouštěčů však nebyl dostatečně přesný, protože jejich funkce měření času závisela na rovnoměrnosti průtoku tekutiny otvorem. Například v Su Songových hodinách tekla voda do nádoby upevněné na čepu. Úkolem únikového mechanismu bylo naklonit misku nádoby pokaždé, když byla plná, v takovém případě by se hodinové kolečko otočilo do určitého úhlu, voda se vylila z misky a proces se opakoval znovu. .

Mechanická spoušť

První mechanické únikové mechanismy - kolík, se několik století používaly v zařízeních pro ovládání zvonění, než byly použity v hodinkách [4] . Ve 14. století byly takové mechanismy instalovány do prvních mechanických hodin v Evropě, jednalo se o velké věžní hodiny. Nyní je obtížné určit, kdy byly poprvé použity, protože je obtížné rozlišit, které věžní hodiny tohoto období byly mechanické a které vodní. Nicméně nepřímé důkazy, jako je dramatický nárůst nákladů na stavbu hodin, ukazují na konec 13. století jako nejpravděpodobnější datum pro zavedení moderních únikových cest. Astronom Robert Anglicus v roce 1271 napsal, že hodináři se pokoušeli vynalézt únikový mechanismus, ale zatím neuspěli. Většina zdrojů se však shoduje, že mechanické únikové hodiny existovaly již v roce 1300.

Spolehlivost

Spolehlivost spoušťového mechanismu závisí na dovednosti výrobce a úrovni služeb. Špatně vyrobená nebo špatně udržovaná zařízení budou mít problémy. Únik musí přesně převádět oscilace kyvadla nebo rovnováhy na ozubená kola hodinového stroje a musí přenášet dostatek energie do kyvadla nebo rovnováhy, aby se udrželo v houpání.

U mnoha úniků vytváří odemykání klouzavý pohyb. Například ve výše uvedené animaci lopatky únikového kola kloužou po zubu únikového kola, když kyvadlo osciluje. Čepele jsou často vyrobeny z velmi tvrdých materiálů, jako je umělý rubín, ale i tak vyžadují mazání. Protože se mazací olej v průběhu času vypařuje v důsledku odpařování, oxidace atd., je nutné pravidelně domazávat. Pokud tak neučiníte, hodinky mohou pracovat nestabilně nebo se úplně zastavit a únikové části se rychle opotřebují. Za zvýšenou spolehlivostí moderních hodinek stojí především kvalitnější mazání. Vysoce kvalitní hodinky vydrží pět a více let mazání. A u některých moderních hodinek dokonce až 10 let [5] .

Některé úniky se zcela vyhýbají kluznému tření, jako například únik kobylky Johna Harrisona z 18. století nebo koaxiální únik George Danielse z 20. století. Nepotřebují mazat spoušťový mechanismus (to ale neodpadá požadavek na mazání ostatních částí převodového mechanismu).

Přesnost

Přesnost mechanických hodinek závisí na přesnosti regulátoru. Pokud se jedná o kyvadlo , pak přesnost určuje periodu kmitání kyvadla. Pokud je hřídel kyvadla vyrobena z kovu, bude se při kontaktu s teplem roztahovat, přičemž se bude měnit perioda oscilace. U drahých hodinek se k výrobě kyvadla používají speciální slitiny, aby se tyto odchylky minimalizovaly. Perioda kmitání kyvadla se také mění v závislosti na výkyvu kmitu. U vysoce přesných hodinek je oblouk oscilace co nejmenší. Kyvadlové hodiny mohou dosahovat velmi vysoké přesnosti. Aby se kompenzovaly odchylky od izochronismu, rozhodl se Huygens zmenšit délku kyvadla s rostoucím úhlem odchylky. U prvních hodinek Huygens byly k tomuto účelu použity omezovače ve tvaru lícnic, na které se částečně navinul závěsný závit. [6]  Ve 20. století se při laboratorních měřeních používaly kyvadlové hodiny. Spoušť má velký vliv na přesnost. Čím přesněji kyvadlo přijímá energetický impuls, tím přesněji je perioda jeho kmitů. V ideálním případě by hybnost měla být rovnoměrně rozložena na obě strany spodní části houpačky kyvadla. To je vysvětleno skutečností, že zatlačení kyvadla při jeho pohybu do spodního bodu kmitání zvyšuje jeho energii a tlačení při pohybu od tohoto bodu vede ke ztrátě energie. Pokud je impuls rovnoměrně rozložen, pak dává energii kyvadlu, aniž by to ovlivnilo dobu jeho kmitání.

Náramkové hodinky a jiné malé hodiny nepoužívají jako regulátor kyvadlo. Místo toho používají rovnováhu - kolo spojené se spirálovou pružinou. Váha se otáčí tam a zpět, v dobrých švýcarských hodinkách  - s frekvencí 4 Hz (nebo 8 tiků za sekundu). Některé hodinky používají vyšší rychlost. Délka vlasu by neměla záviset na teplotě, k jeho výrobě se používají speciální komplexní slitiny. Stejně jako u kyvadla musí únik v každém cyklu mírně zatlačit, aby se rovnováha udržela v houpání. Stejný problém s mazáním je relevantní. Pokud není únik včas namazán, hodinky začnou ztrácet přesnost (zpravidla dochází ke zrychlení).

Kapesní hodinky jsou předchůdci moderních náramkových hodinek. Nosily se v kapse, takže byly většinou ve vertikální orientaci. Gravitace způsobuje určitou ztrátu přesnosti, protože mechanismus se v průběhu času odchyluje od symetrie. Aby tento vliv minimalizoval, vynalezl francouzský hodinář Breguet v roce 1795 speciální typ únikového mechanismu, tourbillon . V něm je váha umístěna ve speciálním otočném rámu (perioda rotace je zpravidla jedna otáčka za minutu), což umožňuje vyhladit gravitační zkreslení.

Nejpřesnější mechanické hodiny vyrobil anglický archeolog Edward Hall. Přesnost hodinek byla podle něj asi 0,02 sekundy za 100 dní. Tyto hodiny jsou elektromechanické, jako časovač využívají kyvadlo a energie se do něj přenáší pomocí speciálních relé a elektromagnetů.

Mechanické spouště

Od roku 1658, kdy se objevila kyvadlová a pružinová váha, bylo vyvinuto více než 300 různých typů mechanických úniků, ale jen asi 10 z nich se rozšířilo. Téměř všechny jsou popsány níže. Ve 20. století elektronické metody měření času postupně nahradily mechanické hodinky, takže studium designu únikových cest se stalo malou kuriozitou.

Únik vřetena

Vůbec prvním únikem, který se v Evropě objevil kolem roku 1275, bylo vřeteno, kterému se také říkalo korunkový mechanismus. Je starší než kyvadlo a byl původně řízen foliotem, vodorovnou tyčí se závažím na každém konci. Svislá tyč (čepel) je připevněna ke střední části foliotu a má dvě malé destičky (čepele) trčící jako vlajka na tyči. Jedna lopatka je připevněna k horní části a druhá ke spodní části čepu a jsou vůči sobě pootočeny o něco málo přes devadesát stupňů. Spoušťové kolo je vyrobeno ve formě korunky a otáčí se kolem svislé osy. Když se ozubené kolo začne otáčet, jeho zub tlačí na horní čepel a foliot se začne pohybovat. Když zub vytlačí horní lopatku, spodní se otočí a zapadne. Hybnost foliotu zatlačí převod zpět a nakonec se systém zastaví. V tomto okamžiku spodní lopatka tlačí na folio a proces se opakuje. Tento systém nemá vlastní kmitací frekvenci, jen určitá síla neustále tlačí na ozubené kolo a to se setrvačností otáčí kolem své osy.

V další fázi vývoje byla stejná myšlenka ztělesněna v kombinaci s kyvadlem. Osa čepu se stala vodorovnou, polovina foliotu zmizela a ozubené kolo se otáčí kolem svislé osy. Stejný únik, ale mnohem menší, byl použit u hodin s váhou a pružinou místo kyvadla. První námořní chronometr Johna Garrisona používal silně upravený vřetenový mechanismus, který se ukázal být dobrým regulátorem.

Sestup s hákovou kotvou (kotvou)

Vynalezený kolem roku 1660 Robertem Hookem , kotevní únikový prvek rychle nahradil čep a stal se standardem pro použití kyvadlových hodin až do konce 19. století. Jeho výhodou je, že zmenšil amplitudu kmitů kyvadla na 3° - 6°, v důsledku čehož se kyvadlo stalo izochronním. To umožnilo použití delších, pomaleji se pohybujících kyvadel, která vyžadují méně energie. Díky němu se objevily dlouhé úzké podlahové a nástěnné kyvadlové hodiny (v některých zemích se jim říká „dědečkovské hodiny“), které lze nalézt i v naší době.

Kotevní mechanismus se skládá z únikového ozubeného kola s reverzním sklonem zubů a kotvy, která se nad ním otáčí ze strany na stranu a je spojena s kyvadlem. Kotva má na koncích zakřivené lopatky, které střídavě vstupují do zubů pojezdového kola a přijímají impulsy. Mechanicky je jeho činnost podobná čepovému mechanismu a převzal od čepového mechanismu dva nedostatky: (1) kyvadlo je v každém cyklu neustále tlačeno ozubením ozubeného kola, nemůže volně kmitat, čímž se porušuje jeho izochronismus; (2) tento únik je zpětný ráz, kotva ve svém cyklu tlačí ozubené kolo v opačném směru. To způsobuje vůli, která zvyšuje opotřebení hodinového stroje a zvyšuje spotřebu energie motoru na přenos hybnosti na kyvadlo. Tyto nedostatky byly odstraněny v sestupu Graham. Obměnou sestupu s hákovou kotvou je sestup s držákem

Grahamův sestup

Grahamova spoušť je vylepšením kotvy. Poprvé jej vyrobil Thomas Tompion podle návrhu Richarda Townlaye v roce 1675 [ [9], i když se často odkazuje na Tompionova nástupce George Grahama, který jej zpopularizoval v roce 1715.8 ] Tato "vůle" narušuje pohyb kyvadla, což má za následek sníženou přesnost a reverzace pohybu ozubeného kola způsobují " vůli " a vytvářejí vysoké zatížení systému, což vede ke zvýšenému tření a opotřebení. Hlavní výhodou sjezdu Grahama je, že v něm tyto zpětné rázy odpadají.

V Grahamově běhu mají lopatky druhý křivočarý „blokovací“ povrch, soustředný s ohledem na osu rotace kotvy. Při extrémech kmitání kyvadla se zub únikového kola na tomto povrchu znehybní, aniž by přenášel hybnost na kyvadlo, což způsobí zpětný chod. V blízkosti spodní polohy kyvadla se zub odpojí od blokovacího povrchu a zapadne do ostře nakloněného "impulzního" povrchu, čímž kyvadlo zatlačí, než čepel uvolní zub. Byl to první mechanismus s oddělenými blokovacími a impulsními plochami. Grahamův útěk byl poprvé použit u jemně nastavitelných hodinek. Kvůli vyšší přesnosti vyměnil kotevní mechanismus.

Amantova spoušť

Francouzský hodinář Amant, jehož činnost v Paříži v letech 1730 až 1749 je doložena, vyrobil v roce 1741 nový typ kotevního uvolňovače - čepového uvolňovače, u kterého mělo únikové kolo místo obyčejných zubů čepy, upevněné na straně korunky.

Čepové únikové mechanismy byly vhodné zejména pro velké věžní hodiny, protože umožňovaly použití velkých hnacích sil, jejichž přísun pro věžní hodiny je nezbytný, aby hodiny mohly pracovat v různých, někdy i dosti obtížných, atmosférických podmínkách [10] .

Zajímavostí tohoto typu úniku je, že únikové kolo se uvolní dvakrát během periody oscilace kyvadla. (Kolo se otočí o jeden čep, když se kyvadlo kýve doleva, a o jeden čep, když se kyvadlo kýve doprava.)

Mezi nevýhody čepového úniku patří skutečnost, že kyvadlo téměř po celou dobu kmitání není bez kontaktu s únikovým kolem. Čep únikového kola neustále klouže po levé nebo pravé kotevní paletě a vytváří další tření ve spouště. Světelné kyvadlo v takových podmínkách prostě nemůže kmitat. Díky tomu je možné použít čepový únik pouze u velkých hodinek s těžkými dlouhými kyvadly.

Moderní kotvový (aka "pákový") spoušťový mechanismus

Kotevní únikový mechanismus se používal u naprosté většiny hodinek po roce 1800. Je přesný a poměrně snadno vyrobitelný. Jsou také samospouštěcí, takže pokud hodinky zatřesou tak, že se váha zastaví, automaticky začnou znovu fungovat. Existuje několik typů pákových spouště. Původním typem byl stativ, u kterého byly rameno a balanční kolo vždy spojeny ozubeným kolem. Později se ukázalo, že všechny zuby z ozubeného kola lze odstranit, s výjimkou jednoho. Takže tam byl odpojený pákový spoušťový mechanismus. Nejen, že je jednodušší a jednodušší na výrobu, ale je také výrazně přesnější. Páka může být umístěna tak, aby byla v pravém úhlu k únikovému zařízení, což je možnost oblíbená britskými hodináři. Alternativně může být páka umístěna uvnitř váhy a uvnitř únikového zařízení, což je volba oblíbená švýcarskými a americkými hodináři. Konečně, „jednodolarové“ hodinky používají velmi primitivní typ únikového mechanismu zvaný „spade-pin“.

Duplexní (oboustranný) spoušťový mechanismus

Duplex escapement vynalezl Robert Hooke kolem roku 1700, poté jej zdokonalili Jean Baptiste Dutertre a Pierre Le Roy a nakonec jej zdokonalil Thomas Trier, který si jej nechal patentovat v roce 1782. [11] Používal se v kvalitních anglických kapesních hodinkách od roku 1790 do roku 1860 a ve Waterbury, v levných amerických „spotřebních“ hodinkách, v letech 1880-1898. V duplexním pohybu, jako v chronometru, s nímž se podobá, dostává váha hybnost pouze v jednom ze dvou kmitů cyklu. Únikové zařízení má dvě sady zubů (odtud název 'duplex'). Dlouhý dorazový zub je vyroben na straně váhy a krátký impulsní (tlačný) zub vyčnívá axiálně shora. Cyklus začíná, když je uzamykací zub proti rubínovému disku. Váha se začne pohybovat proti směru hodinových ručiček přes středovou polohu, drážka rubínového disku uvolní zub. Když se rovnováha začne obracet, lopatka v krajní pravé poloze dostane tlak od impulsního zubu. V tomto okamžiku blokovací zub narazí na válec rubínového disku a zůstane tam, dokud váha nedokončí cyklus oscilace ve směru hodinových ručiček, poté se proces opakuje. Při pohybu ve směru hodinových ručiček uzamykací zub rychle klesá do drážky rubínového kotouče a zůstává tam.

Duplexní mechanismus patří k mechanismům se statickým třením, váha není nikdy zcela bez úniku. Stejně jako u chronometru dochází během impulsu k malému kluznému tření, protože impulsní zub a čepel se pohybují téměř paralelně, takže je potřeba malé mazání. Duplexní mechanismus poskytuje přesnost minimálně tak dobrou jako pákový mechanismus a možná se blíží chronometru. Citlivost duplexního mechanismu na otřesy však způsobila, že nebyl vhodný pro aktivní lidi. Stejně jako chronometr není samospouštěcí, v případě náhlého zastavení při pohybu váhy ve směru hodinových ručiček nelze znovu spustit.

Grasshopper escapement

Vzácný, ale zajímavý únik je John Garrison Grasshopper . V něm je kyvadlo uváděno do pohybu dvěma kloubovými pákami (lopatkami). Když se kyvadlo rozkmitá, jedna páka zařadí rychlostní stupeň a posune jej trochu dozadu. Tím se uvolní další páka, která se přesune zpět a uvolní rychlostní stupeň. Když se kyvadlo pohybuje v opačném směru, druhá páka zařadí rychlostní stupeň, zatlačí na něj a uvolní první páku a tak dále. Kobylkový mechanismus je mnohem obtížnější na výrobu než jiné úniky, takže je velmi vzácný. Kobylkový mechanismus vyrobený Harrisonem v 18. století stále funguje. Většina mechanismů se opotřebovává mnohem rychleji a spotřebovává mnohem více energie.

Gravitační únik

Gravitační únik používá malé závaží nebo malou pružinu k přenosu hybnosti přímo na kyvadlo. První návrh sestával ze dvou ramen páky, která se otáčela velmi blízko k závěsnému bodu kyvadla, ramena byla umístěna na opačných stranách kyvadla. Na každém rameni je upevněna šikmá lopatka. Když kyvadlo zvedne jednu paži dostatečně vysoko, jeho pádlo uvolní únikové zařízení. Téměř okamžitě začne druhý zub únikového soukolí klouzat po povrchu druhého ramene, čímž jej nadzvedává. Zvedne špachtli a zastaví se. Mezitím je první zub stále v kontaktu s kyvadlem a klesá pod bod, ve kterém kontakt začal. Tento pokles dává kyvadlu hybnost. Návrh se vyvíjel postupně od poloviny 18. do poloviny 19. století. Nakonec byl tento mechanismus vybrán pro věžní hodiny. Nedávno byla vylepšena a přeměněna ve speciální inerciálně-gravitační spoušť, kterou vynalezl James Arnfeld.

Elektromechanické únikové cesty

Na konci 19. století byly vyvinuty elektromechanické únikové mechanismy pro kyvadlové hodiny. V nich relé nebo fotorelé spíná elektromagnet v čase s kmity kyvadla. Elektromechanické spouště patří k nejlepším. U některých hodin elektrické impulsy, které pohánějí kyvadlo, také řídí pohyb plunžru, který otáčí ozubeným kolem.

Hippovy hodiny

V polovině 19. století vynalezl Matthias Hipp elektromagnetický pulzní spínač pro hodiny. Kyvadlo pohání ráčnu přes západku a toto ozubené kolo pohání zbytek rozvodového mechanismu. Kyvadlo nedostává hybnost při každém švihu a dokonce ani při každém druhém švihu. Impuls dostává pouze tehdy, když amplituda kmitání klesne pod určitou úroveň. Stejně jako západka mechanismu ukazatele je i kyvadlo vybaveno malou korouhvičkou; když se otočí nahoru, kyvadlo kmitá zcela volně. Když je amplituda kmitů kyvadla dostatečně velká, korouhvička spadne do drážky a kyvadlo se jí nedotkne. Pokud se amplituda kmitání sníží, korouhvička opustí drážku, kyvadlo ji zahákne a stlačí dolů. Uzavře se obvod elektromagnetu, který vyšle impuls do kyvadla. Amplituda kmitů kyvadla se zvětšuje a proces se opakuje.

Hodiny s volným kyvadlem

Ve 20. století vynalezl William Hamilton Short volné kyvadlové hodiny, které si nechal patentovat v září 1921. Vyrábí je Synchronome, jejich přesnost dosahuje setiny vteřiny za den. V tomto systému „hlavní“ kyvadlo, jehož tyč je vyrobena ze speciální slitiny oceli s 36 % niklu (Invar) a jehož délka je téměř nezávislá na teplotě, kmitá bez vnějších vlivů, pokud možno v uzavřené vakuové komoře. a neprovádí žádnou práci. Má mechanický kontakt se spouští každých 30 sekund a pouze na zlomek sekundy. Sekundární „slave“ kyvadlo otáčí ráčnou, která každých třicet sekund spíná elektromagnet. Tento elektromagnet uvolňuje gravitační spoušť hlavního kyvadla. O zlomky sekundy později pohyb hlavního kyvadla vyřadí spoušť. Gravitační únik dává hlavnímu kyvadlu malou hybnost, která udržuje kyvadlo v houpání.

Poznámky

  1. ↑ Cipolla, Carlo M. Hodiny a kultura, 1300 až 1700  . — W. W. Norton & Co. , 2004. - S. 31. - ISBN 0393324435 . Archivováno 19. ledna 2012 na Wayback Machine
  2. ↑ Needham, Joseph (1986). Věda a civilizace v Číně: svazek 4, Fyzika a fyzikální technologie, část 2, Strojírenství . Taipei: Caves Books Ltd. Strana 165.
  3. ↑ Ahmad Y Hassan, Transfer of islámské technologie na Západ, část II: Transmission Of Islamic Engineering Archivováno 25. dubna 2019 na Wayback Machine , Historie vědy a technologie v islámu .
  4. ↑ Headrick, Michael. Vznik a evoluce útěku Anchor Clock  //  Control Systems magazine, : journal. — Inst. of Electrical and Electronic Engineers, 2002. - Vol. 22 , č. 2 . Archivováno z originálu 14. září 2004.
  5. ↑ Spolehlivost náramkových hodinek . Získáno 10. října 2018. Archivováno z originálu 10. října 2018.
  6. ↑ S. G. Gindikin , kandidát fyzikálních a matematických věd Moskevské státní univerzity. M. V. Lomonosov. Matematické a mechanické problémy v Huygensových pracích na kyvadlových hodinách . Nature #12, 1979 (1979). Datum přístupu: 31. prosince 2014. Archivováno z originálu 31. prosince 2014.
  7. ↑ Britten, Frederick J. Watch and Clockmaker's Handbook, 9.  vydání . - EF& N. Spon, 1896. - S. 108. Archivováno 28. prosince 2016 na Wayback Machine
  8. ↑ Smith, Alan (2000) The Towneley Clocks at Greenwich Observatory Archived 5. července 2008 na Wayback Machine Retrieved 2009-03-27
  9. ↑ Milham 1945, s.185
  10. ↑ Stanislav Michal. Hodiny (From the gnómon to the atomic clock / přeloženo z češtiny R.E. Meltzer. - M . : "Knowledge", 1983. - 256 s. - 80 000 výtisků.
  11. ↑ Nelthropp, Harry Leonard. Pojednání o hodinářské práci, minulosti a  současnosti . — E. & FN Spon, 1873. Archivováno 28. prosince 2016 ve Wayback Machine , s.159-164. Britský patent č. 1811

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích
 Hodinky
Podle principu jednání
Po domluvě
Typ
Detaily a mechanismy hodinek
slavné hodiny