Denge tekerleği - Balance wheel

1950'lerin çalar saatindeki denge çarkı, Lux Mfg. Co. tasarımı Apollo, denge yayını (1) ve regülatörü (2) gösteriyor

Bir saat hareketinde modern denge çarkı

Şömine saatinde denge çarkı . Spiral denge yayı üstte görülebilir.

Bir denge çarkı ya da denge , kullanılan zaman tutma aygıtı mekanik saatlerin ve küçük saatler benzer, sarkaç a sarkaçlı saat . Denge yayı veya saç yayı olarak bilinen spiral bir burulma yayı tarafından merkez konumuna döndürülerek ileri geri dönen ağırlıklı bir tekerlektir . Saat dişli takımının dönme hareketini denge çarkına iletilen darbelere dönüştüren eşapman tarafından tahrik edilir . Tekerleğin her dönüşü ("tik" veya "vuruş" olarak adlandırılır), dişli takımının elleri ileri doğru hareket ettirerek belirli bir miktarda ilerlemesini sağlar. Denge çarkı ve saç yayı birlikte , rezonansa bağlı olarak tercihen belirli bir oranda, rezonans frekansında veya 'vuruş'ta salınan ve diğer oranlarda salınmaya direnen harmonik bir osilatör oluşturur . Denge çarkının kütlesi ve yayın esnekliği kombinasyonu, her bir salınım veya "tik" arasındaki süreyi çok sabit tutar ve günümüze kadar mekanik saatlerde zaman tutucu olarak neredeyse evrensel kullanımını hesaba katar. 14. yüzyıldaki icadından 1960'larda akort çatalı ve kuvars mekanizmalar kullanıma sunulana kadar , hemen hemen her taşınabilir zaman tutma cihazı bir tür denge çarkı kullandı.

genel bakış

1980'lere kadar denge çarkları kronometrelerde , banka kasası zaman kilitlerinde , mühimmat için zaman fünyelerinde , çalar saatlerde , mutfak zamanlayıcılarında ve kronometrelerde kullanılan zaman tutma teknolojisiydi , ancak kuvars teknolojisi bu uygulamaları devraldı ve geriye kalan ana kullanım kaliteli mekanik saatlerde. .

Modern (2007) saat denge tekerlekleri genellikle yapılır Glucydur , düşük bir termal genleşme alaşım berilyum , bakır ve demir gibi esnekliği alaşımın düşük ısı katsayısının yaylar ile, Nivarox . İki alaşım eşleştirilir, böylece artık sıcaklık tepkileri ortadan kalkar, bu da daha düşük sıcaklık hatasıyla sonuçlanır. Tekerlekler, hava sürtünmesini azaltmak için pürüzsüzdür ve pivotlar, hassas mücevher yatakları üzerinde desteklenmiştir . Daha eski denge çarkları, dengeyi (dengeyi) ayarlamak için jantın etrafında ağırlık vidaları kullanıyordu, ancak modern çarklar, fabrikada, onları dengelemek için jantta hassas bir çukur yakmak için bir lazer kullanılarak bilgisayarla ayarlanıyor. Denge çarkları her dönüşte yaklaşık 1½ tur, yani merkez denge konumlarının her iki yanına yaklaşık 270° döner. Denge çarkının hızı , denge yayının geçtiği ucunda dar bir yarık bulunan bir kol olan regülatör ile ayarlanır . Bu, yayın yarığın arkasındaki kısmını sabit tutar. Kolun hareket ettirilmesi, yarığı denge yayında yukarı ve aşağı kaydırır, etkin uzunluğunu ve dolayısıyla terazinin rezonans titreşim hızını değiştirir. Regülatör, yayın hareketine müdahale ettiğinden , kronometreler ve bazı hassas saatler, Gyromax gibi regülatörsüz 'serbest yaylı' terazilere sahiptir . Oranları, denge çemberindeki ağırlık vidaları ile ayarlanır.

Bir terazinin titreşim hızı geleneksel olarak saat başına vuruş (tik) veya BPH olarak ölçülür, ancak saniyedeki vuruş sayısı ve Hz de kullanılır. Bir vuruşun uzunluğu, yönün tersine çevrilmesi arasında denge çarkının bir dönüşüdür, bu nedenle tam bir döngüde iki vuruş vardır. Hassas saatlerdeki teraziler, bilek hareketlerinden daha az etkilendikleri için daha hızlı vuruşlarla tasarlanmıştır. Çalar saatler ve mutfak zamanlayıcıları genellikle saniyede 4 vuruş hızına sahiptir (14.400 BPH). 1970'lerden önce yapılan saatler genellikle saniyede 5 vuruş hızına sahipti (18.000 BPH). Mevcut saatler 6 (21.600 BPH), 8 (28.800 BPH) ve birkaçı saniyede 10 vuruş (36.000 BPH) hızına sahiptir. Audemars Piguet şu anda 12 vuruş/s (43.200 BPH) gibi çok yüksek bir denge titreşim hızına sahip bir saat üretiyor. İkinci Dünya Savaşı sırasında Elgin, saniyede 40 vuruşla (144.000 BPH) çalışan çok hassas bir kronometre üretti ve ona 'Jitterbug' takma adını kazandırdı.

Bilekteki en iyi denge çarklı saatlerin hassasiyeti günde birkaç saniye civarındadır. Yapılan en doğru balans çarklı saatler , gemilerde göksel seyrüsefer için kullanılan ve boylam belirlemek için kesin bir zaman kaynağı olarak kullanılan deniz kronometreleriydi . İkinci Dünya Savaşı'na kadar günde 0,1 saniyelik doğruluk elde etmişlerdi.

salınım periyodu

Bir denge çarkının saniye cinsinden salınım periyodu T , bir tam çevrim (iki vuruş) için gereken süre, çarkın kilogram-metre ² cinsinden eylemsizlik momenti I ve denge yayının κ Newton cinsinden sertliği ( yay sabiti ) tarafından belirlenir. -radyan başına metre:

${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {I}{\kappa }}}}\,}$

1379, Paris'te inşa edilen De Vick saatinden Foliot (ağırlıkları olan yatay çubuk)

Tarih

Belki en erken mevcut içinde, bir denge çarkının çizim Giovanni de Dondi 'ın astronomik saat , 1364, Padua, İtalya inşa etti. Denge çarkı (taç şekli, üst) 2 saniyelik bir vuruşa sahipti. 1364 tarihli saat incelemesi Il Tractatus Astrarii'den bir illüstrasyonun izini sürüyor .

Denge çarkı, 14. yüzyıl Avrupa'sında ilk mekanik saatlerle birlikte ortaya çıktı, ancak ilk ne zaman ve nerede kullanıldığı tam olarak bilinmiyor gibi görünüyor. Foliot'un geliştirilmiş bir versiyonudur , merkezde döndürülen düz bir çubuktan ve uçlarında ileri geri salınan ağırlıklardan oluşan erken bir atalet zaman ölçerdir . Saatin hızını ayarlamak için folyo ağırlıkları çubuk üzerinde içeri veya dışarı kaydırılabilir. Kuzey Avrupa'daki ilk saatler kanatlı, Güney Avrupa'daki saatler ise denge çarkı kullanıyordu. Saatler önce köşeli saatler ve fenerli saatler olarak, daha sonra 1500'den sonra ilk büyük saatler olarak küçüldükçe, folyo yerine balans çarkları kullanılmaya başlandı. Ağırlığının çoğu eksenden uzaktaki jantta bulunduğundan , bir denge çarkı aynı boyuttaki bir folyodan daha büyük bir atalet momentine sahip olabilir ve daha iyi zaman alabilir. Tekerlek şekli ayrıca daha az hava direncine sahipti ve geometrisi , sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan termal genleşme hatasını kısmen telafi etti .

Denge yayı eklenmesi

18. yüzyıldan kalma bir Fransız saatinde yaylı erken denge çarkı

Bu ilk denge çarkları, diğer temel unsurdan yoksun oldukları için kaba zaman tutuculardı: denge yayı . Erken denge çarkları , kaçış çarkındaki bir dişle temas halinde olan kenar bayrağı dişin ucunu geçip ("kaçtı") ve eşapmanın hareketi tersine dönerek çarkı geri itene kadar eşapman tarafından bir yönde itildi. diğer yol. Böyle bir "ataletsiz" çarkta hızlanma, tahrik kuvveti ile orantılıdır. Denge yayı olmayan bir saatte veya saatte, tahrik kuvveti hem tekerleği hızlandıran kuvveti hem de onu yavaşlatan ve tersine çeviren kuvveti sağlar. tahrik kuvveti artar, hem hızlanma hem de yavaşlama artar, bu da tekerleğin daha hızlı ileri geri itilmesine neden olur.Bu, zaman işleyişini eşapman tarafından uygulanan kuvvete büyük ölçüde bağımlı hale getirdi.Bir saatte zemberek tarafından sağlanan tahrik kuvveti , saatin dişli takımı aracılığıyla eşapmana uygulanan, zemberek çözüldüğü için saatin çalışma süresi boyunca azaldı Tahrik kuvvetini eşitlemenin herhangi bir yolu olmadan, saat, sarımlar arasındaki çalışma süresi boyunca yay kuvvetini kaybettiği için yavaşladı ve kaybetmesine neden oldu Bu nedenle, tüm denge öncesi yaylı saatler, zembereğin eşapmana ulaşan gücünü eşitlemek için sigortalar (veya birkaç durumda istifsiz ) gerektirir. Eve minimum doğruluk bile. Bu cihazlarla bile, balans yayından önceki saatler çok hatalıydı.

Denge yayı fikri, tekerleğin dönüşünü sınırlamak için eklenen yaylı domuz kılı bordürlerinin doğruluğunu arttırdığı gözlemlerinden ilham aldı. Robert Hooke ilk olarak 1658'de metal bir yayı teraziye uyguladı ve Jean de Hautefeuille ve Christiaan Huygens 1674'te onu bugünkü spiral formuna getirdiler. Yayın eklenmesi denge çarkını her modern saatin temeli olan harmonik bir osilatör yaptı . Bu, tekerleğin doğal bir rezonans frekansında veya "vuruşta" titreştiği ve sürtünme veya değişen tahrik kuvvetinin neden olduğu titreşim hızındaki değişikliklere direndiği anlamına gelir . Bu önemli yenilik, saatlerin doğruluğunu günde birkaç saatten günde belki 10 dakikaya çıkararak büyük ölçüde artırdı ve onları pahalı yeniliklerden kullanışlı zaman tutuculara dönüştürdü.

Sıcaklık hatası

Denge yayı eklendikten sonra, kalan önemli bir yanlışlık kaynağı sıcaklık değişimlerinin etkisiydi. Erken saatlerde sade çelikten yapılmış balans yayları ve pirinç veya çelikten balanslar vardı ve sıcaklığın bunlar üzerindeki etkisi hızı önemli ölçüde etkiledi.

Sıcaklıktaki bir artış, termal genleşme nedeniyle denge yayının ve dengenin boyutlarını arttırır . Bir yayın gücü, bir bükülmeye tepki olarak ürettiği geri getirme kuvveti, genişliği ve kalınlığının küpü ile orantılı ve uzunluğu ile ters orantılıdır. Sıcaklıktaki bir artış, yalnızca fiziksel boyutlarını etkileseydi, bir yayı daha güçlü hale getirirdi. Bununla birlikte, düz çelikten yapılmış bir denge yayında çok daha büyük bir etki , sıcaklık arttıkça yay metalinin esnekliğinin önemli ölçüde azalmasıdır, net etki, düz bir çelik yayın artan sıcaklıkla zayıflamasıdır. Sıcaklık artışı da, bir çelik ya da pirinç denge çarkının çapı artar dönme ataleti, onun artan eylemsizlik momentini zor denge yayı hızlandırmak için yapım. Artan sıcaklığın yayın ve terazinin fiziksel boyutlarına iki etkisi, denge yayının güçlendirilmesi ve terazinin dönme ataletindeki artış, zıt etkilere sahiptir ve bir dereceye kadar birbirini iptal eder. Bir saatin hızını etkileyen sıcaklığın en büyük etkisi, artan sıcaklıkla balans yayının zayıflamasıdır.

Sıcaklığın etkileri telafi edilmeyen bir saatte, zayıf yayın denge çarkını merkeze geri döndürmesi daha uzun sürer, bu nedenle 'vuruş' yavaşlar ve saat zaman kaybeder. Ferdinand Berthoud 1773'te 33 °C'lik bir sıcaklık artışına maruz kalan sıradan bir pirinç terazi ve çelik denge yayının 393 saniye kaybettiğini buldu ( 6+1 ⁄ 2 dakika), bunun 312 saniyesi yay elastikiyetindeki azalmadan kaynaklanır.

Sıcaklık kompanzasyonlu denge çarkları

Deniz yolculukları sırasında göksel navigasyon için doğru bir saate duyulan ihtiyaç , 18. yüzyılda İngiltere ve Fransa'da denge teknolojisinde birçok ilerlemeye neden oldu. Deniz kronometresinde günde 1 saniyelik bir hata bile, 2 aylık bir yolculuktan sonra geminin konumunda 17 millik bir hataya neden olabilir. John Harrison , ilk başarılı deniz kronometreleri H4 ve H5'te, yayda bimetalik bir 'telafi bordür' kullanarak bir denge çarkına sıcaklık telafisi uygulayan ilk kişiydi. Bunlar, günde bir saniyenin çok azında bir doğruluk elde etti, ancak karmaşıklığı nedeniyle telafi bordür daha fazla kullanılmadı.

1900'lerin başlarından kalma bir cep saatinden bimetalik sıcaklık telafili denge çarkı. 17 mm çap (1) Karşılıklı ağırlık çiftlerini kolların uçlarına yaklaştırmak sıcaklık telafisini artırır. (2) Tellerin yakınındaki ağırlık çiftlerinin gevşetilmesi salınım hızını yavaşlatır. Tek bir ağırlığı ayarlamak, dengeyi veya dengeyi değiştirir.

1765 civarında Pierre Le Roy tarafından daha basit bir çözüm geliştirildi ve John Arnold ve Thomas Earnshaw tarafından geliştirildi : Earnshaw veya dengeleyici denge çarkı. Anahtar, denge çarkının sıcaklıkla birlikte boyut değiştirmesini sağlamaktı. Terazi ısındıkça çapı küçültülebilseydi, daha küçük atalet momenti , salınım periyodunu aynı tutarak balans yayının zayıflamasını telafi ederdi.

Bunu başarmak için, terazinin dış kenarı iki metalden oluşan bir "sandviç"ten yapılmıştır; içte bir çelik tabakası, dışta bir pirinç tabakasına kaynaşmış. Bu bimetalik yapının şeritleri, ısıtıldıklarında çelik tarafa doğru bükülür, çünkü pirincin termal genleşmesi çelikten daha fazladır. Jant, tekerleğin parmaklıklarının yanında iki noktadan kesilerek açıldı, bu nedenle iki dairesel bimetalik 'kol' ile bir S-şekline (şekle bakın) benziyordu. Bu tekerleklere bazen "Z-dengeleri" denir. Sıcaklık artışı, kolların tekerleğin merkezine doğru içe doğru bükülmesine neden olur ve kütlenin içe doğru kayması, dönen bir buz patencisinin kollarını çekerek eylemsizlik momentini azaltmasına benzer şekilde, dengenin eylemsizlik momentini azaltır . Atalet momentindeki bu azalma, daha zayıf denge yayı tarafından üretilen azaltılmış torku telafi etti. Tazminat miktarı kollardaki hareketli ağırlıklarla ayarlanır. Bu tür bir dengeye sahip deniz kronometreleri, geniş bir sıcaklık aralığında günde yalnızca 3-4 saniyelik hatalara sahipti. 1870'li yıllara gelindiğinde, saatlerde dengelenmiş teraziler kullanılmaya başlandı.

Orta sıcaklık hatası

Orta sıcaklık hatasını azaltmak için çeşitli 'yardımcı kompanzasyon' sistemlerine sahip 1800'lerin ortalarından deniz kronometre denge çarkları

Standart Earnshaw telafi dengesi, sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan hatayı önemli ölçüde azalttı, ancak bunu ortadan kaldırmadı. İlk olarak JG Ulrich tarafından açıklandığı gibi, belirli bir düşük ve yüksek sıcaklıkta doğru zamanı tutmak için ayarlanmış bir dengelenmiş denge, ara sıcaklıklarda günde birkaç saniye hızlı olacaktır. Bunun nedeni, terazinin atalet momentinin, dengeleme kollarının yarıçapının ve dolayısıyla sıcaklığın karesiyle değişmesidir. Ancak yayın esnekliği sıcaklıkla doğrusal olarak değişir.

Bu sorunu azaltmak için kronometre üreticileri, hatayı günde 1 saniyenin altına indiren çeşitli 'yardımcı telafi' planlarını benimsediler. Bu tür şemalar, örneğin, denge çarkının iç kısmına takılan küçük bimetalik kollardan oluşuyordu. Bu tür dengeleyiciler, denge çarkının merkezine doğru yalnızca bir yönde bükülebilir, ancak dışa doğru bükülme çarkın kendisi tarafından engellenir. Engellenen hareket, yaydaki esneklik değişikliklerini biraz daha iyi telafi edebilen doğrusal olmayan bir sıcaklık tepkisine neden olur. 1850 ve 1914 yılları arasında yıllık Greenwich Gözlemevi denemelerinde birinci olan kronometrelerin çoğu, yardımcı telafi tasarımlarıydı. Yardımcı kompanzasyon, karmaşıklığı nedeniyle hiçbir zaman saatlerde kullanılmamıştır.

Daha iyi malzemeler

1950'lerde yapılan bir Benrus Co. saatinden bir ETA 1280 hareketinde düşük sıcaklık katsayılı alaşım dengesi ve yay

Bimetalik denge çarkı, metalurjideki gelişmelerle 20. yüzyılın başlarında modası geçmiş hale getirildi. Charles Édouard Guillaume 1896 buluş için Nobel ödülü Invar , çok düşük bir termal genleşme ile bir nikel, çelik alaşımı ve Elinvar ( El asticité nikelli çelik iable ) olan elastik bakiye yaylar için, geniş bir sıcaklık aralığı üzerinde değişmez bir alaşımı içerir. Elinvar yaylı sağlam bir Invar terazisi sıcaklıktan büyük ölçüde etkilenmedi, bu nedenle ayarlanması zor bimetal balansın yerini aldı. Bu, balanslar ve yaylar için bir dizi geliştirilmiş düşük sıcaklık katsayılı alaşımlara yol açtı.

Elinvar'ı geliştirmeden önce Guillaume, bimetalik dengelerdeki orta sıcaklık hatasını, negatif bir ikinci dereceden sıcaklık katsayısı ile donatarak telafi etmek için bir alaşım da icat etti. Anibal adı verilen bu alaşım, invar'ın hafif bir varyasyonudur. Çelik denge yayının sıcaklık etkisini neredeyse tamamen ortadan kaldırdı, ancak yine de Guillaume denge çarkı olarak bilinen bimetal dengelenmiş bir denge çarkı gerektiriyordu. Bu tasarım daha sonra Elinvar yaylı tek metal Invar teraziler lehine kullanım dışı kaldı. İkinci dereceden katsayı, bir malzemenin genleşme denklemindeki yeri ile tanımlanır;

${\displaystyle \ell _{\theta }=\ell _{0}(1+\alpha \theta +\beta \theta ^{2})\,}$

nerede:

${\displaystyle \scriptstyle \el _{0}}$ bazı referans sıcaklığında numunenin uzunluğu

${\ Displaystyle \scriptstyle \ theta }$ referansın üzerindeki sıcaklık

${\displaystyle \scriptstyle \el _{\theta }}$ sıcaklıkta numunenin uzunluğu ${\ Displaystyle \scriptstyle \ theta }$

${\displaystyle \scriptstyle \alfa }$ doğrusal genişleme katsayısıdır

${\displaystyle \scriptstyle \beta }$ ikinci dereceden genişleme katsayısıdır

Referanslar

• "Deniz Kronometresi" . Ansiklopedi Britannica çevrimiçi . Ansiklopedi Britannica Inc. 2007 . 2007-06-15 alındı .
• Britten, Frederick J. (1898). Saatlerin Yaylanması ve Ayarlanması Üzerine . New York: Spon & Chamberlain . 2008-04-20 alındı .. Denge yayının gelişiminin ayrıntılı hesabına sahiptir.
• Brearley, Harry C. (1919). Çağlar Boyunca Zaman Anlatıyor . New York: Doubleday . 2008-04-16 alındı ..
• Glasgow, David (1885). Saat ve Saat Yapımı . Londra: Cassel & Co . 2008-04-16 alındı .. Denge sıcaklık hatası ve yardımcı kompanzasyon hakkında ayrıntılı bölüm.
• Gould, Rupert T. (1923). Deniz Kronometresi. Tarihi ve Gelişimi . Londra: JD Potter. s. 176–177. ISBN'si 0-907462-05-7.
• Headrick, Michael (2002). "Çapa Saat Kaçış Menşei ve Evrimi" . Kontrol Sistemleri dergisi, Enst. Elektrik ve Elektronik Mühendisleri . 22 (2). Arşivlenmiş orijinal 2009-10-25 tarihinde . 2007-06-06 alındı .. Hata kaynaklarına odaklanarak saat ve saat eşapmanlarının geliştirilmesine yönelik iyi bir mühendislik incelemesi.
• Milham, Willis I. (1945). Zaman ve Zaman Tutucular . New York: MacMillan. ISBN'si 0-7808-0008-7.. Kapsamlı 616 s. astronomi profesörünün kitabı, saat parçalarının kökeni hakkında iyi bir açıklama, ancak tarihi araştırma tarihli. Uzun bibliyografya.
• Odets, Walt (2005). "Denge Çarkı Komplesi" . Saat Parçaları Sözlüğü . TimeZone İzle Okulu. 14 Haziran 2007 tarihinde kaynağından arşivlendi . 2007-06-15 alındı .. Modern bir saatin parçalarının ayrıntılı çizimleri, saat onarım web sitesinde
• Odets, Walt (2007). "Bir Saatin Denge Çarkı" . Horologium . TimeZone.com. Arşivlenmiş orijinal 6 Temmuz 2007 tarihinde . 2007-06-15 alındı .. Bir saat tamir web sitesinde, profesyonel bir saatçi tarafından, dengeleme dengeleriyle başlayan saat dengesi çarklarının yapımına ilişkin teknik makale.

Dış bağlantılar

• Choi, Fred (2007-05-26). "William Simcock Massey Tip III cep saati" . YouTube . 2008-04-26 alındı . 19. yüzyılın ortalarındaki antika saatin denge çarkının dönüşünü gösteren videosu
• Costa, Alan (1998). "Saatlerin Tarihi" . Atmos Adam. Arşivlenmiş orijinal 2007-07-17 tarihinde . 2007-06-19 alındı . Saatlerin tarihi, ticari web sitesinde.
• Markl, Xavier (2016). "Tek Renkli Saatler Saatin düzenleyici organı olan teknik bir bakış açısı" . Monokrom-Saatler Saatin düzenleyici organı olan teknik bir bakış açısı
• Oliver Mundy, Saat Dolabı 1710'dan 1908'e kadar birçok farklı denge çarkı çeşidini gösteren özel bir antika saat koleksiyonunun resimleri.

Dipnotlar