Маятник Гриджо́на: Температурная компенсация в часах

Введение

Маятник, компенсирующий влияние температуры

Маятник «грид-айрон» – это маятник с температурной компенсацией, изобретенный британским часовщиком Джоном Харрисоном около 1726 года и впоследствии модифицированный Джоном Элликотом. Он использовался в прецизионных часах. В обычных маятниковых часах стержень маятника расширяется и сжимается при изменении температуры. Период колебания маятника зависит от его длины, поэтому ход маятниковых часов менялся в зависимости от температуры окружающей среды, что приводило к неточному измерению времени. Маятник «грид-айрон» состоит из чередующихся параллельных стержней из двух металлов с различными коэффициентами теплового расширения, таких как сталь и латунь. Стержни соединены рамой таким образом, что их различное тепловое расширение (или сжатие) компенсирует друг друга, благодаря чему общая длина маятника, а следовательно, и его период, остаются постоянными при изменении температуры. Маятник «грид-айрон» широко использовался в период промышленной революции в маятниковых и прецизионных часах, которые служили эталонами времени на фабриках, в лабораториях, офисных зданиях и почтовых отделениях для организации работы и настройки других часов. Маятник «грид-айрон» стал настолько ассоциироваться с точным ходом времени, что и сегодня многие часы имеют маятники с декоративными имитациями «грид-айрон», которые не обладают свойствами температурной компенсации.

Как это работает

Его самая простая и поздняя форма состоит из пяти стержней. Центральный железный стержень поднимается от боба к точке непосредственно под точкой подвеса. В этой точке от центрального стержня отходит поперечина (средний мост), которая соединяется с двумя цинковыми стержнями, по одному с каждой стороны центрального стержня, которые опускаются вниз и закрепляются на нижнем мосту непосредственно над бобом. Нижний мост обеспечивает зазор для центрального стержня и соединяется с двумя дополнительными железными стержнями, которые поднимаются к верхнему мосту, прикрепленному к точке подвеса. При нагревании и расширении железных стержней нижний мост опускается относительно точки подвеса, а боб опускается относительно среднего моста. Однако средний мост поднимается относительно нижнего, поскольку большее расширение цинковых стержней поднимает средний мост, а следовательно, и боб, чтобы компенсировать общее опускание, вызванное расширением железа. Проще говоря, расширение цинка в направлении вверх противодействует общему расширению железа в направлении вниз (которое имеет большую общую длину). Длины стержней рассчитываются таким образом, чтобы эффективная длина цинковых стержней, умноженная на коэффициент теплового расширения цинка, равнялась эффективной длине железных стержней, умноженной на коэффициент теплового расширения железа, тем самым поддерживая постоянную длину маятника. Оригинальная конструкция Харрисона, использовавшая латунь (чистый цинк тогда был недоступен), более сложна, поскольку латунь расширяется не так сильно, как цинк. Требуется дополнительный набор стержней и мостов, в общей сложности девять стержней: пять железных и четыре латунных. Точную степень компенсации можно регулировать, используя секцию центрального стержня, состоящую частично из латуни и частично из железа. Эти секции перекрываются (как сэндвич) и соединены штифтом, проходящим через оба металла. В обеих частях сделано несколько отверстий для штифта, и перемещение штифта вверх или вниз по стержню изменяет соотношение латуни и железа в комбинированном стержне. В конце XIX века компания Dent представила дальнейшее развитие цинковой решетки, в котором четыре внешних стержня были заменены двумя концентрическими трубами, соединенными трубчатой гайкой, которую можно было вращать вверх и вниз для регулировки степени компенсации.

Its simplest and later form consists of five rods. A central iron rod runs up from the bob to a point immediately below the suspension. At that point a cross piece (middle bridge) extends from the central rod and connects to two zinc rods, one on each side of the central rod, which reach down to, and are fixed to, the bottom bridge just above the bob. The bottom bridge clears the central rod and connects to two further iron rods which run back up to the top bridge attached to the suspension. As the iron rods expand in heat, the bottom bridge drops relative to the suspension, and the bob drops relative to the middle bridge. However, the middle bridge rises relative to the bottom one because the greater expansion of the zinc rods pushes the middle bridge, and therefore the bob, upward to match the combined drop caused by the expanding iron. In simple terms, the upward expansion of the zinc counteracts the combined downward expansion of the iron (which has a greater total length). The rod lengths are calculated so that the effective length of the zinc rods multiplied by zinc's thermal expansion coefficient equals the effective length of the iron rods multiplied by iron's expansion coefficient, thereby keeping the pendulum the same length. Harrison's original construction using brass (pure zinc not being available then) is more complex because brass does not expand as much as zinc does. A further set of rods and bridges is needed giving nine rods in all, five iron and four brass. The exact degree of compensation can be adjusted by having a section of the central rod which is partly brass and partly iron. These overlap (like a sandwich) and are joined by a pin which passes through both metals. A number of holes for the pin are made in both parts and moving the pin up or down the rod changes how much of the combined rod is brass and how much is iron. In the late 19th century the Dent company marketed a further development of the zinc gridiron in which the four outer rods were replaced by two concentric tubes which were linked by a tubular nut which could be screwed up and down to alter the degree of compensation.

Недостатки

Ученые в 1800-х годах обнаружили, что маятник с решетчатой конструкцией имел недостатки, делавшие его непригодным для самых точных часов. Трение, возникающее при скольжении стержней в отверстиях рамы, приводило к тому, что стержни адаптировались к изменениям температуры не плавным движением, а серией небольших рывков. Это вызывало резкое изменение частоты колебаний маятника, а следовательно, и хода часов, при каждом рывке. Впоследствии было установлено, что цинк недостаточно стабилен в своих размерах и подвержен ползучести. Поэтому для самых точных часов стали использовать другой тип температурно-компенсируемого маятника – ртутный. К 1900 году в самых точных астрономических регуляторах применялись маятниковые стержни из материалов с низким коэффициентом теплового расширения, таких как инвар и кварцевое стекло.