Pendel
Pendel
Allgemeines
Unter Pendel wird ein Schwingsystem verstanden, bei dem eine Masse an einem Stab um eine horizontale Achse schwingt. Unter der Voraussetzung, daß die Schwingungen klein sind und die Gesamtmasse des Pendels sich in einem Punkt konzentriert (mathematisches Pendel), gilt als Formel (Christiaan Huygens) für die Schwingungsdauer:
T = 2 * π * √ (l/g)
- T: Schwingungsdauer
- π = 3,1415...
- l: Länge des Pendels
- g: Fallbeschleunigung (bei uns ca. 9,81 m/s^2
Einflußfaktoren auf die Pendelschwingungen sind:
- Schwingungsweite (Winkel der Auslenkung)
- Temperatur
- Dichte der Luft (wg. Luftwiderstand)
Pendel in der Uhrmacherei
Der Aufbau eines Pendels bei Uhren
Praktische Pendel bestehen aus einem Stab, an dem ein Massekörper, die sogenannte Pendellinse, befestigt ist. Das Pendel wird mit beweglich im Gestell aufgehängt. Die Bewegung des Pendels wird mit einer Gabel, die an der Hemmungswelle befestigt ist, zum Räderwerk übertragen.
Der Pendelstab ist im Verhältnis zur Pendellinse leicht, damit sich die Masse in der Pendellinse konzentriert. Für ihn werden Metall oder Holz verwendet.
Für die Aufhängung des Pendels wurden im Laufe der Zeit unterschiedliche Lösungen gefunden:
- die Drahtösenaufhängung,(Christiaan Huygens)
- die Fadenaufhängung
- das Schneidenlager
- die Federlagerung, die heute weit verbreitet ist.
Am Ende des Pendelstabes wird ein Massekörper befestigt. Dieser ist entweder linsenförmig ("Pendellinse") oder zylindrisch.
Temperaturkompensation
Temperaturausgleich durch Pendelaufhängung an einer Bimetallfeder
Bei alten Stutzuhren wurde die Pendelfeder an Bogen aus Bimetall aufgehängt. Die dabei notwendige lange Pendelfeder geht spielfrei durch feststehende Backen. Der Bimetallbogen besteht aussen aus Messing und innen aus Stahl. Dadurch biegt sich der Bimtallstreifen bei Temperaturerhöhung nach oben und zieht die Feder durch die Backen hoch. Dadurch wird die Verlängerung der Pendelstange in etwa ausgeglichen. Aufgrund der Instabilität ist diese Konstruktion für feinere Uhren nicht verwendbar.
Rostpendel
Das Rostpendel ist ein Kompensationspendel und wurde 1726 von Harrison erfunden. Es besteht aus einer Zusammenstellung von Stäben unterschiedlicher Materialien, die an einem unteren und einem oberen Steg wechselweise befestigt sind. Die Ausdehnung der Stäbe eines Materials nach unten wird ausgeglichen durch die Ausdehnung der Stäbe des anderen Materials nach oben, so dass die Gesamtlänge bei Temperaturschwankungen weitgehend konstant und die Pendellinse stets in gleicher Höhe bleibt. Meistens werden Stahlstäbe mit Stäben aus Messing kombiniert. Eine zweite häufig anzutreffende Kombination besteht aus Stahl- und Zinkstäben..
Quecksilberflaschenpendel
Eine weitere Konstruktion zur Temperaturkompensation besteht darin, unten auf die Pendelstange eine oder mehrere Flaschen zu setzen, die mit Quecksilber gefüllt sind. Diese Flaschen bestehen aus Stahl oder aus Glas, wobei Glasflaschen auf Grund der geringen Wärmeleitfähigkeit langsamer auf Temperaturunterschiede reagieren. Durch Tempraturänderung ändert sich der Füllstand in den Flaschen, was zu einer Änderung der Schwerpunktlage und damit zu einem Temperaturausgleich führt
Das Invarpendel
Durch Fortschritte in der Werkstofftechnik kam es zur Entwicklung einer Nickel-Stahl-Legierung, die nur eine geringe Wärmeausdehnung hat. Es war nur eine Frage der Zeit, daß jemand einen Pendel aus Invar entwickelte.
Riefler konstruierte ein Kompensationspendel, bei dem der Restfehler durch ein kurzes Messingrohr über das Invarpendel gesetzt wird. Das kurze Messingstück kompensiert den Temperaturfehler, in dem es sich entgegen der Längenänderung des Invarstabes ausdehnt.
Das Invar-Schichtungspendel
Von Riefler stammt noch eine zweite Konstruktion eines Invarpendels mit Kompensation. Hierbei wird das Pendel in der Mitte geteilt und das Kompensationsstück aus Messing dort eingesetzt. Nachteilig ist hier aber die Instabilität des Pendelstabes.
Das Quarzpendel
Ein Werkstoff mit besonders geringer Wärmeausdehnung ist Quarzglas. Die Herstellung ist seit etwa 1910 möglich. 1912 konstruierte Sartori das erste Pendel aus Quarzglas. Auch beim Quarzpendel existiert ein geringer Restfehler. Dieser wird entweder durch ein Stück Stahlrohr kompensiert, oder in dem der pendelkörper aus Stahl gefertigt wird und auf dem Ende des Stabes abgestützt wird.
Problematisch beim Quarzpendel ist die Befestigung des Stabes, da in Quarzglas kein Gewinde geschnitten werden kann. Außerdem ist Quarzglas zerbrechlich.
Torsionspendel
Der Name kommt von der langen Pendelfeder, die im Betrieb in der Längsachse verdreht wird. Torsionspendel werden oft als Gangregler für Jahresuhren verwendet.
Kegelpendel
Die Erfindung des Kegelpendels (auch Pirouette genannt) geht nach Eugen Gelcich auf Christiaan Huygens zurück.
Uhren mit Kegelpendel haben keine Hemmung. Das Laufwerk läuft kontinuierlich ab, da es keine Hemmung im eigentlichen Sinne gibt, ist kein Ticken zu hören. Uhren dieser Art können also auch dort eingesetzt werden, wo lautloser Betrieb gewünscht ist (z. B. in Schlafzimmern).
Die Geschwindigkeit wird durch das Gewicht bzw. den Abstand des Masseschwerpunktes vom Drehpunkt bestimmt.
Das Kegelpendel ist kardanisch aufgehängt (Doppelte Aufhängung um 90 Grad gedreht).
Die Schneiden des Pendels liegen auf den Steinflächen des Mittelteils.
Auf dem Mittelteil befinden sich 2 Schneiden, die um 90 Grad zu den Steinflächen versetzt sind.
Diese Schneiden ruhen auf den Steinflächen des Grundgestells.
Mit Hilfe dieser kardanischen Aufhängung ist das Pendel in der Lage kreisförmige Bewegungen auszuführen.
Die Temperaturkompensation erfolgt wie beim Rostpendel durch Stäbe unterschiedlicher Materialien,
die an einem unteren und einem oberen Ring wechselweise befestigt sind.
T-Stabpendel (Uhligs-Waagpendel)
Dieses, von Alfred Uhlig aus Flöha in Sachsen erfundene, Pendel wurde 1954 unter der Nummer DE 1704375 angemeldet.
In der Zeit nach dem 2. Weltkrieg waren in der damaligen Sowjetischen Besatzungszone und später in der jungen DDR die Materialien für neue Uhren knapp. So nahm man die Werke aus Regulatoren und baute diese in Tischuhrgehäuse ein, welche als moderner galten. Da ein Regulator aber ein lang hängendes Pendel besaß, wurde die Länge in die Waage gelegt.
Ein Video dazu findet sich hier.
Kompensation von Änderungen der Dichte der Luft
Bei Pendeluhren, die hochgenauen Anforderungen genügen müssen, reicht eine Temperaturkompensation nicht aus. Die Schwingungen werden durch das umgebende Medium abgebremst. Dieser Abbremseffekt ist von der Dichte des umgebenden Fluids abhängig, die sich mit dem Wetter ändert.
Deshalb werden Pendeluhren, die extremen Genauigkeiten genügen müssen, entweder in Vakuumbehältern gelagert oder zumindest in Räumen, bei denen der Luftdruck geregelt wird.
Eine andere Möglichkeit der Luftdruckkompensaton ist die Aneroidkompensation nach Riefler, bei der ein Aneroid im oberen Bereich des Pendels angebracht ist, das sich bei Luftdruckerhöhung zusammen zieht und die Pendelstange anhebt.
Eine weitere Konstruktion der Luftdruckkompensation ist die Kompensation nach Sartori, bei der Aneroiddosen seitlich vom Pendel angeordnet werden und über Hebel Gewichte verschieben.
Warum schlingert ein Uhrpendel?
Weil die zwei Einzelfederbleche der Pendelfeder unterschiedlich lang sind!
Dies liegt an der schlechten Qualität einer Pendelfeder. Eine gute Pendelfeder beseitigt das Problem sofort. Diese sollte oben leicht beweglich auf dem Stift laufen, ohne aber seitliches Spiel zu haben.
Alle anderen Theorien wie: zu lange, zu kurze, zu steife, zu schwache, zu fest eingespannte, zu lose eingespannte und viele andere sind Versuche, das Problem an der falschen Stelle beheben zu wollen. Auch eine Erklärung über das Foucaultsches Pendel geht in die falsche Richtung. Wenn einer dieser Vorschläge das Schlingern vielleicht reduzieren kann, ist es aber immer nur ein Versuch an den Symptomen herumzudoktern.
Zur Theorie des Schlingerns:
Eine übliche Pendelfeder besteht aus zwei gleichen Federblechen, die symmetrisch in zwei Haltebleche eingespannt sind. Diese ist oben – mehr oder weniger fest – eingespannt, unten hängt das Pendel dran.
Stellt man sich nun vor, der untere Teil des Haltebleches sei in zwei Teile zersägt, so dass zwei einzelne Federn entstehen, an denen dann jeweils zwei – auch zersägte Pendelhälften hängen, dann hat man zwei unterschiedliche Schwingungssysteme, die im Idealfall auch genau gleich schwingen, dann ist es auch unerheblich, ob das untere Halteblech geteilt ist oder nicht. Sind die einzelnen Federn aber unterschiedlich lang, dann schwingen diese Einzelpendel auch mit einer unterschiedlichen Frequenz.
Durch das untere Halteblech, was im Normalfall nicht geteilt ist, werden diese unterschiedlichen Schwingungen aber zwangssynchronisiert, was dann zum Schlingern führt, d. h. das Halteblech will sich an der einen Seite schneller bewegen, an der anderen Seite langsamer und muss dann zwangsläufig schlingern und damit auch das Pendel. Die Energie, die das Schlingern benötigt, muss nun auch durch die Energie des Uhrwerkantriebs erbracht werden, und geht dem eigentlichen Antrieb damit verloren, d. h. ein schlingerndes Pendel schwingt weniger gut als ein Pendel, dass nicht schlingert.
Ein Beispiel aus dem Leben: Ein Kind schaukelt auf einer Schaukel. Sind beide Ketten gleich lang, schaukelt es ohne zu schlingern, sind sie unterschiedlich lang, schlingert es wie das Pendelbeispiel.
Literatur
- Das große Uhrenlexikon; Autor: Fritz von Osterhausen; ISBN 3898804305
- Die ersten 25 Jahre Glashütter Uhrenindustrie 1845 -- 1870; Autor: Jürgen Peter; Selbstverlag des Autors; 2020