Маятник

Маятник

Маятниковые часы получили такое название потому, что регулятором в них является маятник. Их изготовляют напольные, настенные и специальные (астрономические и электропервичные).

В зависимости от вида двигателя маятниковые часы бывают гиревые и пружинные. Гиревой двигатель применяется в напольных и настенных, а пружинный двигатель — в настенных и настольных часах.

Маятниковые часы выпускаются разных размеров и конструкций, простые и сложные, например, с такими дополнительными устройствами, как бой, календарь. Самой простой конструкцией маятниковых часов являются ходики.

История

Маятник был применён в часах более 300 лет назад. В 1595 г. итальянским учёным Галилео Галилеем был открыт закон колебания маятника. В 1636 г. Галилею пришла мысль применить маятник в часах и тем самым значительно повысить точность механических часов. Одно из самых больших открытий XVII в. — это применение маятника в часах.

В 1641 г. Галилей, будучи в преклонном возрасте, слабый здоровьем, слепой обращает все свое внимание на изобретение особого хода для маятника. Сын Галилея, Висенцио, специалист-механик, глаза и руки отца, сумел по его указанию изготовить чертежи и приступить к изготовлению самих часов, но Галилей не успел закончить работу; он умер в 1642 г. в возрасте 78 лет. Висенцио закончил модель лишь в 1649 г. В этом же году Висенцио внезапно заболел и умер. Во время болезни он уничтожил модель хода и все приспособления; благодаря счастливой случайности все чертежи сохранились. По этим чертежам впоследствии были изготовлены модели часов Галилея, которые находятся в музеях Лондона и Нью-Йорка.

В часах Галилея был применён особый ход с передачей одного импульса за период колебания.

В 1657—1658 гг. голландский учёный Христиан Гюйгенс независимо от работ Галилея изготовил маятниковые башенные часы, которые хранятся в музее точных и естественных наук в г. Лейдене (Голландия). В этих часах Гюйгенс впервые применил усовершенствованный им шпиндельный ход с палетами и циклоидальный маятник.

В своём знаменитом сочинении «Horologium oscillatorium» (1673 г.) Гюйгенс обосновал математическую теорию колебания маятника. После Галилея и Гюйгенса над усовершенствованием маятников работали выдающиеся умы прошлых столетий.

Следует особо отметить работы с маятниками гениальных русских учёных М. В. Ломоносова и Д. И. Менделеева. М. В. Ломоносов при помощи маятника определял постоянство земного притяжения. С помощью маятника и барометра определял влияние Луны на положение центра тяжести Земли. На рис. изображен маятник Ломоносова. В 1759 г. М. В. Ломоносов предложил определение долготы местонахождения корабля с помощью точных часов, им сконструированных.

Д. И. Менделеев использовал законы колебания маятника. По его проекту был сооружён маятник длиной 38 м с периодом колебания 12,2 с. Желая приблизить физический маятник к математическому, Д. И. Менделеев грузу маятника придал форму шара с массой 50 кг, который был изготовлен из золота. Кроме того, Д. И. Менделеев провел крупные работы по изучению подвеса маятников на призме и влияния трения на период колебания. Эти работы сохранили своё значение и в настоящее время, в особенности для точных аналитических весов.

Типы маятников

Из маятников различных типов можно выделить маятник Рифлера (см. рис.), который сохранил свое значение и в настоящее время. Маятники остальных типов: решетчатый Гаррисона, ртутный Грахама, горизонтальный Катера, на призме Борда, маятник Леруа, Берту, маятник с деревянной штангой Сименса и Гальске, с кварцевым стержнем Сатори и другие, представляют интерес в конструктивном решении.

Маятники находят применение в электромеханических и электронно-механических часах как эталоны времени. Сравнительные данные маятниковых и кварцевых часов современных конструкций приведены ниже.

Крутильный маятник

Крутильный маятник занимает обособленное положение среди маятников других типов. Его применяют в настольных часах с продолжительностью хода от одной заводки пружины от 100 до 400 суток. Часы с таким маятником принято называть часами с годовым ходом.

Крутильным маятником называется колебательная система (осциллятор), состоящая из тяжёлого тела вращения, штанги и подвеса в виде упругой металлической ленты, верхний конец которой закреплён в корпусе часов.

Чтобы момент инерции маятника был больше, а потери на трение о воздух меньше, тяжелому телу придают форму маховика. Маховик, подвешенный на ленте, вращается в горизонтальной плоскости с амплитудой 330—350°. Упругая металлическая лента, как правило, прямоугольного сечения, закручивается и раскручивается около вертикальной геометрической оси, создавая момент, противодействующий моменту инерции маховика, возвращая последний в положение равновесия.

Крутильный маятник нашел применение в настольных часах «Атмос», выпускаемых фирмой «Jaeger-le Coultre» (Швейцария) (рис. 16). Часы отличаются оригинальностью идеи и конструктивным ее воплощением.

Источником энергии, поддерживающим колебания маятника, служит перепад температуры окружающей среды воздуха в квартире или служебном помещении. Перепад температур в 1° обеспечивает функционирование часов в течение 2 суток.

Часы функционируют с высокой степенью точности порядка 1 с в сутки. При отсутствии колебаний температуры окружающего воздуха в течение 2 сут. (что мало вероятно) часы автономно функционируют в течение 100 сут. за счёт запаса энергии заводной пружины, заключённой в барабане.

Колебания температуры служат энергией подзавода пружины, которая работает в коротком интервале пологой кривой момента, обеспечивая тем самым высокую стабильность амплитуды колебаний и высокую степень точности хода.

Для использования колебания температуры воздуха на подзавод пружины потребовалось применить особое химическое вещество С2Н6С1 — хлористый этил.

Пары хлористого этила создают давление, равное примерно атмосферному при температуре +12° С, при температуре +27° С давление паров максимальное, т. е. часы работают в широком диапазоне температур.

Хлористый этил 3 (рис. 16) помещён в герметический металлический корпус 4, имеющий форму короткого цилиндра. Хлористый этил заполняет внутренние кольцевые выступы 5 в корпусе. При повышении температуры пары этила расширяются и давят на кольцевые выступы. Последние расширяются подобно мехам. Движение кольцевых выступов передается цепочке 7, которая одним концом прикреплена к пружине 10, а другим — к храповому устройству, осуществляющему непосредственно подзавод пружины в барабане. При понижении температуры происходит сжатие кольцевых выступов. За счёт разности температур и перемещения в ту или другую сторону кольцевых выступов, а вместе с ними пружины 6, 9 и 10 и цепочки 7, происходит подзавод пружины в барабане 8. Механизм сконструирован таким образом, что потери на трение минимальны.

Маховик И вместе со штангой подвешен на тонкой металлической ленте 1 из сплава элинвар и приводится в движение свободным анкерным ходом.

На штанге укреплён ролик с импульсным камнем, который поворачивает анкерную вилку из одного положения в другое, т. е. передает интервалы времени на стрелочный механизм.

Для регулирования периода колебания маятника имеется головка 2, полный оборот которой соответствует изменению периода колебаний на 10 с в сутки. Часы регулируются с точностью 1 с в сутки.

Часы работают только в стационарном положении, чувствительны к вибрациям. Они снабжены водяным уровнем 13 и тремя установочными стойками 12, из которых одна неподвижна, а две другие регулируются по высоте. Для переноски часов маятник блокируется специальным устройством.

Имеются конструкции годичных часов, у которых энергией подзавода пружины служит колебание давления воздушной среды.

Физический маятник

Физический маятник представляет собой твёрдое тело, имеющее неподвижную горизонтальную ось (ось подвеса) и могущее под действием собственного веса совершать вокруг этой оси движения колебательного характера.

При малой амплитуде колебания период колебания физического маятника определяют по формуледеm

T = 2 * π * √ (l/g)

T: Schwingungsdauer

π = 3,1415...

l: Länge des Pendels

g: Fallbeschleunigung (bei uns ca. 9,81 m/s^2

Прив — приведённая длина физического маятника, м; д — ускорение силы тяжести, м/с2.

Приведённой длиной физического маятника называется длина математического маятника с таким же периодом колебания, как и данный физический маятник. Эта формула справедлива лишь при небольших амплитудах. При увеличении амплитуды колебания период определяется по формуле, приведённой для математического маятника.

Маятник как регулятор часового механизма может быть применён только в часах, которые установлены неподвижно, т. е. в напольных, настенных и настольных часах.

Математический маятник

Под математическим маятником понимают невесомый и нерастяжимый стержень (нить), к одному концу которого подвешен груз.

Остановленный маятник находится в положении равновесия. При получении энергии извне маятник будет совершать колебательное движение, отклоняясь от положения равновесия на определённый угол. Угол, на который отклоняется маятник от равновесного положения, называется амплитудой колебания. Время, в течение которого маятник совершает одно полное колебание, т. е. из одного крайнего положения перемещается в другое и обратно, пройдя два раза через положение равновесия, называется периодом колебания. Период колебания маятника выражается в секундах, а амплитуда — в градусах.

Периоды колебания одного и того же маятника равны между собой.

Период колебания маятника Т определяется по формуле T = 2 * π * √ (l/g)

где Т — период колебания (сек); L — длина маятника (метр); g — ускорение силы тяжести, м/с2.

Из формулы видно, что период колебания маятника прямо пропорционален длине маятника и обратно пропорционален ускорению силы тяжести. Так как в формуле переменной величиной является длина маятника, то и период колебания будет зависеть только от длины маятника и не будет зависеть от амплитуды колебаний. Независимость периода колебаний от амплитуды называется и з о х р о н н о с т ь ю. Приведённая формула справедлива лишь при небольших амплитудах колебаний маятника (до 30°). При увеличении амплитуды колебаний период определяется по формуле ? где ф — амплитуда колебания маятника.

В эту формулу входит амплитуда колебания, т. е. период зависит не только от длины, но и от амплитуды колебания маятника. Следовательно, при больших амплитудах изохронизм нарушается.

Под действием сил трения (трение в точке подвеса и сопротивление воздуха) колебания маятника будут постепенно затухать и через некоторое время, если не будет нового импульса, маятник остановится в положении равновесия.