Маятникті сағаттардағы тетіктер және ілмек механизмі

Кіріспе

Маятник сағаттарында қолданылатын механизмнің түрі

Сағат жасау өнерінде, зәкірлік эскапейт – маятник сағаттарында қолданылатын эскапейт түрі. Эскапейт – механикалық сағаттың маятниктің әрбір қозғалысында шағын итеру арқылы қозғалысын сақтайтын және сағат тісті дөңгелектерінің әрбір қозғалыста белгілі бір мөлшерде жылжуына мүмкіндік беретін, соның арқасында сағат тілдері алға жылжитын механизмі. Бұл эскапейт өзінің негізгі бөлігінің пішіні кемедегі зәкірге есімдей ұқсағандықтан зәкірлік эскапейт деп аталды. Зәкірлік эскапейтті сағатшы Уильям Клемент ойлап тапты және 1680 жыл шамасында ұзын корпус немесе ата сағатты (grandfather clock) ойлап тапқанда зәкірді танымал етті. Клементтің өнертабысы Роберт Гуктің 1671 жылғы тұрақты күш эскапейтінен айтарлықтай жақсарды. Ең көне белгілі зәкірлік сағат – 1670 жылы Оксфордтағы Уадхам колледжінде салынған мұнаралық сағат, оны, мүмкін, сағатшы Джозеф Книбб жасаған. Зәкірлік эскапейт дерлік барлық маятник сағаттарында қолданылатын стандартты эскапейтке айналды. Қайыру эффектісіз, дәлдігі жоғарырақ нұсқасы, «өлтіруші эскапейт» деп аталатын түрін Ричард Таунли 1675 жыл шамасында ойлап тапты және 1715 жыл шамасында британдық сағатшы Джордж Грэм енгізді. Бұл әдіс біртіндеп зәкірлік эскапейттің орнын басып, қазіргі заманғы маятник сағаттарында қолданылады.

Қалай жұмыс істейді

Анкерлік құтылу механизмі екі бөліктен тұрады: құтылу доңғалағы, тік доңғалақ, оның үстінде ара тісі сияқты ұштар бар тістері орналасқан, және кемедегі анкерге ұқсас пішіндегі анкер, ол құтылу доңғалағының үстіндегі осьтің бойымен алға-артқа қозғалады. Анкердің екі жағында құтылу доңғалағының тістеріне тірелетін иісті беттер бар, олар паллеттер деп аталады. Анкердің орталық білігі маятникпен итерілетін шанышқыға бекітілген, сондықтан анкер алға-артқа қозғалады, ал паллеттер кезекпен құтылу доңғалағының тісін ұстап, босатады. Бір паллет тістен босағанда және доңғалақ бұрылғанда, екінші жақтағы тіс қозғалып келе жатқан екінші паллетке ілігеді. Маятниктің инерциясы екінші паллетті доңғалаққа қарай жылжытады, құтылу доңғалағын кері қарай итеріп, маятник бағытын өзгертіп, паллет доңғалақтан алыстағанда тіс оның бетімен сығады, оны итеріп. Содан кейін тіс паллеттің шетінен сығалып, цикл қайта басталады. Анкерлік құтылу механизмі де, төмендегі «өлген нүкте» түрі де өздігінен іске қосылмайды. Оларды іске қосу үшін маятникке серпіліс беру қажет.

Қайта тарту

Қашып шығу дөңгелегінің циклдің бір бөлігінде кері қозғалуы, кері соққы деп аталады, және бұл зәкірлік механизмнің бір кемшілігі болып табылады. Ол сағаттың әр тиігімен бүкіл дөңгелек тізбегінің уақытша кері жүруіне, қозғалтқыш салмағына дейін, соқтығыс тізбегінің тозуына, тісшелердің артық тозуына және дәлдіктің төмендеуіне әкеледі. Сондай-ақ, қашып шығу дөңгелегінің тістері паллет бетіне кірігіп кетуі мүмкін. Бұл мәселені болдырмау үшін тістер айналу бағытына қарама-қарсы, артқа қарай еңкейтіледі, ал паллеттердің беті сәл дөңгелек болып жасалады. Қашып шығу дөңгелегінің тістерін артқа қарай еңкейтудің тағы бір себебі – қауіпсіздік шарасы. Егер сағат маятникті бекітпестен жылжытылса, маятниктің бақылаусыз қозғалысы зәкір паллеттерінің қашып шығу дөңгелегімен күшті соқтығысуына әкелуі мүмкін. Еңкейген тістер паллеттердің жалпақ беттері тістердің қабырғаларына бірінші соғылып, нәзік ұштардың бұзылуын қамтамасыз етеді. Изохронизмге байланысты дәлдіктің артуынан басқа, бұл ұзақ маятниктерді пайдалануға мүмкіндік берді, олардың «соққысы» баяу болды. Төменгі ауа кедергісі (аэродинамикалық кедергі жылдамдықтың квадратына пропорционалды, сондықтан жылдам маятникке әлдеқайда көп кедергі келтіреді) олардың тербелуін сақтау үшін аз күш қажет екенін білдірді және сағат механизмінің тозуын азайтты. Зәкір сонымен қатар берілген жетек күші үшін ауыр маятник қолдануға мүмкіндік берді, бұл маятниктің қашып шығу механизмінен тәуелсіздігін (жоғары Q) арттырып, оның дәлдігін жоғарылатты. Мұндай ұзын маятниктерге ұзын, тар сағат корпустары қажет болды. 1680 жылдары британдық сағатшы Уильям Клемент зәкірлік механизмді пайдаланатын алғашқы коммерциялық сағаттарды сата бастады – 1 метрлік (39 дюймдық) секундтық маятниктері бар, биік, тұрған сағаттар, олар ұзын, тар сағат корпусына орналастырылды, кейіннен «ұзын корпус» немесе «әжесінің сағаты» деп аталды. Зәкір сағаттардың дәлдігін осы деңгейге дейін арттырды, сондықтан 1680-1690 жылдары минут тілі, бұрын сағаттарда сирек кездесетін, қағидаға айналды. Зәкірлік механизм шамамен елу жыл ішінде маятник сағаттарындағы эскапетті толығымен алмастырды, бірақ француз сағатшылары шамамен 1800 жылға дейін эскапетті пайдалануды жалғастырды. Көптеген эскапет сағаттары зәкірлік механизмдермен қайта жабдықталды. 18 ғасырда дәлдікті реттегіште зәкірдің орнына жақсартылған, «өлген соққы» түрі пайда болды, бірақ зәкір үй маятник сағаттарында негізгі механизм болып қала берді. 19 ғасырда «өлген соққы» түрі көптеген сапалы сағаттарда кеңінен қолданыла бастады, бірақ зәкір түрі бүгін де кейбір маятник сағаттарында қолданылады. Алайда, оның алғашқы ойлап табушысы шамамен 1675 жылы астроном Ричард Таунли болды, ал алғаш рет Грэмнің ұстазы Томас Томпсон оны сэр Джонас Мурға арналған сағатта және 1676 жылы жаңа Гринвич обсерваториясы үшін жасаған екі дәлдікті реттегіште қолданды, бұл туралы астрономдық корольдік Джон Фламстед пен Таунлидің хат алмасуында айтылған. Зәкірлік эскапеттің «өлген соққы» түрі өндірістегі немесе пайдалану кезіндегі қателіктерге төзімді емес және бастапқыда тек дәлдікті сағаттарда ғана қолданылды, бірақ 19 ғасырда сапалы маятник сағаттарына кеңінен таралды. Бүгінгі күні жасалатын маятник сағаттарының басым көпшілігі осы түрін қолданады.

The backward motion of the escape wheel during part of the cycle, called recoil, is one of the disadvantages of the anchor escapement. It results in a temporary reversal of the entire wheel train back to the driving weight with each tick of the clock, causing extra wear in the wheel train, excessive wear to the gear teeth, and inaccuracy. It can also cause the points of the escape wheel teeth to dig into the pallet surface. The teeth are slanted backward, opposite the direction of rotation, and the surface of the pallets is slightly convex, to prevent this. Another reason the escape wheel teeth are slanted backward is as a safety measure. If the clock is moved without immobilising the pendulum, the uncontrolled swinging of the pendulum can cause the anchor pallets to collide violently with the escape wheel. The slanted teeth ensure that the flat faces of the anchor pallets hit the sides of the teeth first, protecting the delicate points from being broken. In addition to the improved accuracy due to isochronism, this allowed clocks to use longer pendulums, which had a slower 'beat'. Lower air drag (aerodynamic drag rises with the square of speed, so a faster pendulum experiences greatly increased drag) meant they needed less power to keep swinging, and caused less wear on the clock's movement. The anchor also allowed the use of a heavier pendulum bob for a given drive force, making the pendulum more independent of the escapement (higher Q), and thus more accurate. These long pendulums required long narrow clock cases. Around 1680 British clockmaker William Clement began selling the first commercial clocks to use the anchor escapement, tall freestanding clocks with 1 meter (39 inch) seconds pendulums contained inside a long narrow clock case that came to be called longcase or 'grandfather' clocks. The anchor increased the accuracy of clocks so much that around 1680–1690 the use of the minute hand, formerly the exception in clocks, became the rule. The anchor escapement replaced the verge in pendulum clocks within about fifty years, although French clockmakers continued to use verges until about 1800. Many verge clocks were rebuilt with anchors. In the 18th century the more accurate deadbeat form of the escapement replaced the anchor in precision regulators, but the anchor remained the workhorse in home pendulum clocks. During the 19th century the deadbeat form gradually took over in most quality clocks, but the anchor form is still used in a few pendulum clocks today. However it was actually invented around 1675 by astronomer Richard Towneley, and first used by Graham's mentor Thomas Tompion in a clock built for Sir Jonas Moore, and in the two precision regulators he made for the new Greenwich Observatory in 1676, mentioned in correspondence between Astronomer Royal John Flamsteed and Towneley. The deadbeat form of the anchor escapement is less tolerant to inaccuracy in its manufacture or wear during operation and was initially used only in precision clocks, but its use spread during the 19th century to most quality pendulum clocks. Almost all pendulum clocks made today use it.

Қалай жұмыс істейді

Өлі шанақтың паллеттерінде екі бет бар: "құлыптаушы" немесе "өлі" бет, оның қисық беті зәкірдің айналу осімен концентрлі, және көлбеу "импульстік" бет. Егер құтылу дөңгелегінің тістері екі паллеттің беті арасындағы бұрышта дәл түсетін болса, бұл толыққанды қанағаттандырар еді, бірақ құтылудың сенімді жұмыс істеуі үшін тістер бұрыштан жоғарырақ, "өлі" бетке түсуі керек.

Анкердегі және deadbeat-тағы қозғалысты салыстыру

Сағаттардағы қателердің басты себебі – дөңгелектердің немесе паллеттердің үйкелісінің шамалы өзгеруінен немесе серіппе күшінің айналу барысында әлсіреуінен туындаған, тепетеңдемеге (эскапментке) әсер ететін күштің өзгеруі. Күштің өзгеруі жылдамдыққа әсер етпейтін тепетеңдеме изохронды деп аталады. Өлі соққының (deadbeat) үздіксіз эскапментке (recoil) қарағанда артықшылығы жақсартылған изохронизміне байланысты. Бұл, екі эскапментте күштің өзгеруі маятниктің қозғалысына әсер ететін әртүрлі механизмдерге байланысты: зәкірлік эскапментте күштің артуы маятниктің тездетіп алға-артқа қозғалуына себеп болады, бірақ маятниктің амплитудасын, яғни қозғалысының ұзындығын көп өзгертпейді. Циклдің кері соққы (recoil) бөлігінде паллетке тиетін эскапмент тісінің күші маятниктің қозғалысын баяулатуға, ал циклдің алға итеру (impulse) бөлігіндегі күш маятниктің қозғалысын жылдамдатуға бейім. Бұл екі күш бір-бірін теңестіріп, қозғалысты өзгертусіз қалдырады. Бірақ, бұл екі әсер де қозғалыс уақытын қысқартады. Яғни, күштің артуы маятникті белгілі бір доғада жылдамдатып, әрі-бері тербетеді. Ал өлі соққы эскапментінде кері соққы болмайды, күштің артуы маятниктің кеңірек доғада қозғалуына және жылдамдауына себеп болады. Қосымша қашықтықты жүріп өтуге кеткен уақыт маятниктің жылдамдығының артуын толық өтестіреді, осылайша қозғалыс периоды өзгермейді. Дегенмен, кеңірек қозғалыс шеңберлік қатеге байланысты периодтың шамалы ұлғаюына әкеледі. Шаруашылық сағаттары үшін бұл әсер ескерілмейді, бірақ дәлдік реттегіштерінде (precision regulator clocks) өлі соққы эскапментін қолдану арқылы қол жеткізілетін дәлдікке шектеу болып табылады. Өлі соққы ойлап табылған кезде, сағат жасаушылар бастапқыда оның изохронизмінің зәкірлік эскапментке қарағанда нашар деп сенді, себебі күштің өзгеруі маятниктің амплитудасына күштірек әсер етеді. Бұл кем дегенде бір заманауи тәжірибеде расталған.