Ankarrymning
Inom horologi är ankarescapement en typ av escapement som används i pendelur . Escapement är en mekanism i en mekanisk klocka som upprätthåller pendelns svängning genom att ge den ett litet tryck varje sväng, och gör att klockans hjul kan avancera en fast mängd med varje sväng, vilket flyttar klockans visare framåt. Ankarutrymningen fick det namnet eftersom en av dess huvuddelar är vagt formad som ett fartygsankare.
Ankarescapementet uppfanns troligen av den brittiske vetenskapsmannen Robert Hooke runt 1657, även om vissa referenser krediterar klockmakaren William Clement, som populariserade ankaret i sin uppfinning av longcase eller farfarsklockan runt 1680. När Clements klocka dök upp gjorde Hooke anspråk på uppfinningen av escapement, sade att han hade visat en klocka med samma flykt till Royal Society strax efter den stora branden 1666. Den äldsta kända ankaruret är Wadham College Clock , en tornklocka byggd vid Wadham College , Oxford , 1670, troligen av klockare Joseph Knibb . Ankaret blev standardutrymningen som användes i nästan alla pendelur.
En mer exakt variant utan rekyl kallad deadbeat escapement uppfanns av Richard Towneley omkring 1675 och introducerades av den brittiske klockmakaren George Graham omkring 1715. Detta ersatte gradvis den vanliga ankarrymningen och används i de flesta moderna pendelur.
Hur det fungerar
Ankarutrymningen består av två delar: utrymningshjulet , som är ett vertikalt hjul med spetsiga tänder på ungefär som sågtänder , och ankaret , vagt format som ett skeppsankare, som svänger fram och tillbaka på en svängtapp precis ovanför utrymningen. hjul. På ankarets två armar finns böjda ytor som utrymningshjulets tänder trycker mot, så kallade pallar . Den centrala axeln på ankaret är fäst vid en gaffel som trycks av pendeln, så att ankaret svänger fram och tillbaka, med pallarna omväxlande fånga och släppa en flykthjulstand på varje sida.
Varje gång en pall rör sig bort från utrymningshjulet och släpper en tand, vrids hjulet och en tand på andra sidan hakar fast på den andra pallen, som rör sig mot hjulet. Pendelns rörelsemängd fortsätter att flytta den andra pallen mot hjulet och trycker flykthjulet bakåt en bit, tills pendeln ändrar riktning och pallen börjar röra sig bort från hjulet, med tanden glidande längs dess yta och trycker den . Sedan glider tanden av pallens ände och börjar cykeln igen.
Varken ankarescapementet eller deadbeat-formen nedan är självstartande. Pendeln måste få en sväng för att få igång dem.
Rekyl
Utrymningshjulets bakåtrörelse under en del av cykeln, kallad rekyl , är en av nackdelarna med ankarutrymningen. Det resulterar i en tillfällig omkastning av hela hjultåget tillbaka till körvikten med varje tick på klockan, vilket orsakar extra slitage på hjuldrevet, överdrivet slitage på kugghjulens tänder och felaktigheter. Det kan också göra att spetsarna på utrymningshjulets tänder gräver sig in i pallytan. Tänderna lutar bakåt, motsatt rotationsriktningen, och pallarnas yta är något konvex för att förhindra detta.
En annan anledning till att utrymningshjulens tänder lutar bakåt är som en säkerhetsåtgärd. Om klockan flyttas utan att pendeln immobiliseras kan pendelns okontrollerade svängning göra att ankarpallarna kolliderar våldsamt med utrymningshjulet. De lutande tänderna säkerställer att ankarpallarnas plana ytor träffar sidorna av tänderna först, vilket skyddar de ömtåliga punkterna från att gå sönder.
Deadbeat escapement (nedan) har ingen rekyl. Ett sätt att avgöra om en antik pendelklocka har ett ankare eller deadbeat escapement är att observera sekundvisaren. Om den rör sig bakåt något efter varje bock och visar rekyl, har klockan en ankarescapement.
Krycka och gaffel
Ankarets axel, kallad krycka , slutar i en gaffel som omsluter pendelns axel och ger den tvärgående impulser. Pendelstången hängs i en kort rak fjäderfjäder fäst på ett stadigt stöd direkt bakom ankaret. Ankarets svängtapp är i linje med fjäderns böjpunkt. Detta arrangemang resulterar i ett mer stabilt pendelstöd än att bara hänga upp pendeln direkt från ankaret.
Designdetaljer
Ankaret är mycket tolerant mot variationer i sin geometri, så dess form varierade kraftigt. I slutet av 1800-talet, i Storbritannien, var den vanliga designen en 90° vinkel mellan pallarna, vilket innebar att ankartappen placerades på ett avstånd av √ 2 ≈ 1,4 gånger utrymningshjulets radie från utrymningshjulets pivot. I en farfarsklocka , som hade en pendel som svängde en gång per sekund, hade utrymningshjulet ofta 30 tänder, vilket fick utrymningshjulet att rotera en gång per minut så att sekundvisaren kunde fästas på dess axel. I ett 30-tands utrymningshjul spänner pallarna över cirka 7½ tänder. Pallarnas impulsvinkel, som bestämde pendelns svängning, var 3°-4°.
Historia
Ankaret var den andra allmänt använda flykten i Europa, och ersatte den primitiva 400-åriga kantrymningen i pendelklockor . Pendlarna i kantflyktsklockor hade mycket breda svängningar på 80° till 100°. År 1673, sjutton år efter att han uppfann pendelklockan, publicerade Christiaan Huygens sin matematiska analys av pendlar, Horologium Oscillatorium . I den visade han att kantklockornas breda pendelsvängningar gjorde att de blev felaktiga, eftersom pendelns svängningsperiod inte var isokron utan varierade i liten utsträckning på grund av cirkulära fel med förändringar i amplituden av pendelns svängning, vilket skedde med oundvikliga förändringar i drivkraften. Insikten om att endast små pendelgungor var nästan isokrona motiverade klockmakare att designa escapements med små gungor.
Den främsta fördelen med ankaret var att genom att placera pallarna längre bort från pivoten minskade pendelns svängning från cirka 100° i kantklockor till endast 4°-6°. Förutom den förbättrade noggrannheten på grund av isokronism , tillät detta klockor att använda längre pendlar, som hade ett långsammare "slag". Lägre luftmotstånd (aerodynamiskt motstånd ökar med kvadraten på hastighet, så en snabbare pendel upplever kraftigt ökat motstånd) innebar att de behövde mindre kraft för att fortsätta svänga och orsakade mindre slitage på klockans rörelse. Ankaret tillät också användningen av en tyngre pendelbob för en given drivkraft, vilket gjorde pendeln mer oberoende av flykten (högre Q ), och därmed mer exakt. Dessa långa pendlar krävde långa smala klockhus. Omkring 1680 började den brittiske klockmakaren William Clement sälja de första kommersiella klockorna för att använda ankarescapement, höga fristående klockor med 1 meter (39 tum) sekunders pendlar inneslutna inuti ett långt smalt klockhus som kom att kallas longcase eller "farfars"-klockor. Ankaret ökade noggrannheten hos klockor så mycket att omkring 1680–1690 blev användningen av minutvisaren, tidigare undantaget i klockor, regel.
Ankarutrymningen ersatte kanten i pendelur inom cirka femtio år, även om franska klockmakare fortsatte att använda kanter fram till omkring 1800. Många kantklockor byggdes om med ankare. På 1700-talet ersatte den mer exakta deadbeat-formen av flykten ankaret i precisionsregulatorer, men ankaret förblev arbetshästen i hempendelur. Under 1800-talet tog dödslagsformen gradvis över i de flesta kvalitetsur, men ankarformen används fortfarande i ett fåtal pendelur idag.
Tornklockor är en av de få typer av pendelur som ankarescapementet inte dominerade. Den varierande kraft som applicerades på hjultåget av de stora yttre händerna, utsatta för vind-, snö- och islaster, hanterades bättre av gravitationsflykter .
Nackdelar
Ankarrymningen är tillförlitlig och tolerant mot stora geometriska fel i sin konstruktion, men dess funktion liknar den gamla kantrymningen och har två av kantens största nackdelar:
- Det är en friktionsflykt ; pendeln trycks alltid av en flykthjulstand under hela cykeln och får aldrig svänga fritt. Detta gör klockans frekvens känslig för förändringar i drivkraften. Alla små förändringar i kraften som appliceras på pallarna, till exempel genom en förändring i smörjningen på grund av oljeåldring, eller den minskande kraften hos en klockas drivfjäder när den rinner ner, kommer att ändra perioden för pendelns svängning. Ankarescapement-klockor som drivs av en huvudfjäder krävde en säkring för att jämna ut kraften från huvudfjädern.
- Det är en rekylescapement som nämnts ovan; pendelns rörelsemängd trycker utrymningshjulet bakåt under en del av cykeln. Detta orsakar extra slitage på rörelsen och applicerar varierande kraft på pendeln, vilket orsakar felaktigheter.
Deadbeat escapement
Ovanstående två nackdelar togs bort med uppfinningen av en förbättrad version av ankarescapement: deadbeat eller Graham escapement. Detta krediteras ofta felaktigt till den engelske klockaren George Graham som introducerade den runt 1715 i sina precisionsregulatorklockor. Men det uppfanns faktiskt runt 1675 av astronomen Richard Towneley , och användes först av Grahams mentor Thomas Tompion i en klocka byggd för Sir Jonas Moore , och i de två precisionsregulatorer han gjorde för det nya Greenwich Observatory 1676, som nämns i korrespondens mellan Astronomer. Royal John Flamsteed och Towneley.
Den deadbeat-form av ankarescapement är mindre tolerant mot felaktigheter i tillverkningen eller slitage under drift och användes från början endast i precisionsklockor, men dess användning spred sig under 1800-talet till de flesta kvalitets pendelur. Nästan alla pendelklockor som tillverkas idag använder det.
Hur det fungerar
Deadbeat escapement har två ytor mot pallarna, en "låsande" eller "död" yta, med en krökt yta koncentrisk med axeln på vilken ankaret roterar, och en sluttande "impuls"-yta. När en utrymningshjulstand vilar mot en av de döda ytorna, riktas dess kraft genom ankarets svängaxel, så den ger ingen impuls till pendeln, vilket gör att den kan svänga fritt. När pallen på andra sidan släpper utrymningshjulet landar en tand på detta "döda" ansikte först, och förblir vilande mot det under större delen av pendelns utåtsvängning och retur. Under denna period är utrymningshjulet "låst" och kan inte svänga. Nära botten av pendelns svängning glider tanden av den döda ytan på den lutande "impulsytan" på pallen, vilket låter utrymningshjulet rotera och ge pendeln ett tryck innan den tappas av pallen. Det är fortfarande en friktionsvila-escapement eftersom glidningen av escape-tanden på den döda sidan ger friktion till pendelns svängning, men den har mindre friktion än rekylescapement eftersom det inte finns någon rekylkraft.
I motsats till lutningen bakåt på ankarutrymningshjulets tänder, är de deadbeat-utrymningshjulständerna radiella eller lutande framåt för att säkerställa att tanden kommer i kontakt med pallens "döda" yta, vilket förhindrar rekyl.
Luftigt skick
Klockmakare upptäckte på 1700-talet att för noggrannhet var det bästa stället att applicera impulsen för att hålla pendeln svängande i botten av dess sving, när den passerar genom sitt jämviktsläge. Om impulsen appliceras under pendelns nedsving, innan den når botten, tenderar impulskraften att minska svängningsperioden, så en ökning av drivkraften gör att klockan vinner tid. Om impulsen appliceras under pendelns uppgång, efter att den når botten, tenderar impulskraften att öka svängningsperioden, så en ökning av drivkraften gör att klockan tappar tid. Om impulsen appliceras i botten, bör förändringar i impulskraften teoretiskt sett inte ha någon effekt på perioden.
År 1826 bevisade den brittiske astronomen George Airy detta; specifikt bevisade han att en pendel som drivs av en drivimpuls som är symmetrisk kring dess bottenjämviktsposition är isokron för olika drivkrafter, utan att friktionen ignoreras, och att deadbeat-escapementet ungefär uppfyller detta villkor. Det skulle vara exakt tillfredsställt om utrymningshjulets tänder fick falla exakt i hörnet mellan de två pallytorna, men för att utrymningen ska fungera tillförlitligt måste tänderna fås att falla ovanför hörnet, på den "döda" sidan.
Jämförelse av rörelse i ankare och deadbeat
En viktig orsak till fel i klockor är förändringar i drivkraften som appliceras på escapementet, orsakade av små förändringar i friktionen hos kugghjulen eller pallarna, eller den minskande kraften hos huvudfjädern när den lindas av . En escapement där förändringar i drivkraften inte påverkar hastigheten kallas isokron. Den överlägsna prestandan för deadbeat över rekylen beror på förbättrad isokronism. Detta beror på de olika sätt som förändringar i drivkraften påverkar pendelns svängning i de två escapements:
- I ankarescapementet får en ökning av drivkraften att pendeln svänger fram och tillbaka snabbare, men ökar inte pendelns amplitud , längden på dess svängning, mycket. Den ökade kraften från utrymningshjulstanden på pallen under rekyldelen av cykeln tenderar att minska pendelns svängning, medan kraften från tanden under den framåtgående impulsdelen av cykeln tenderar att öka pendelns svängning. Dessa tenderar att ta bort varandra och lämnar svingen oförändrad. Men båda dessa effekter minskar svängningstiden. Med andra ord, ökad kraft slår pendeln fram och tillbaka i en fast båge snabbare.
- I deadbeat escapement finns det ingen rekyl och ökad drivkraft gör att pendeln svänger i en bredare båge samt rör sig snabbare. Den tid som krävs för att täcka det extra avståndet kompenserar exakt för pendelns ökade hastighet, vilket lämnar svängningsperioden oförändrad. Den bredare svängningen orsakar dock en liten ökning av perioden på grund av cirkulärt fel . För inhemska klockor är denna effekt försumbar, men det är en begränsning av noggrannheten som kan uppnås med precisionsregulatorklockor med deadbeat escapements.
När deadbeat uppfanns trodde klockmakare till en början att den hade sämre isokronism jämfört med ankaret, på grund av den större effekten av förändringar i kraft på pendelns amplitud. Nyligen genomförda analyser pekar på att ankarets icke-isokronism kan upphäva pendelns cirkulära fel. Det vill säga, en ökning av svängningsamplituden orsakar en liten ökning av perioden för en pendel på grund av cirkulärt fel , och att detta kan kompensera för den minskade perioden på grund av isokronism. På grund av denna effekt kan en noggrant justerad ankarescapement med polerade pallar vara mer exakt än en deadbeat. Detta har bekräftats av åtminstone ett modernt experiment.
Se även
externa länkar
- Headrick, Michael (2002). "Ursprung och utveckling av ankarklockan Escapement" . Magasinet Styrsystem . Inst. av elektriska och elektroniska ingenjörer. 22 (2). Arkiverad från originalet 2009-10-25 . Hämtad 2007-06-06 . - död länk
- Glasgow, David (1885). Watch and Clock Making . London: Cassel & Co. sid. 293 . på Google Böcker. Detaljer om konstruktion.