Balancing Time - Vi kastar våra ögon på balanshjulet

I vår berättelse förra numret om balansfjädern - bokstavligen det mekaniska klockans slående hjärta - kan det tyckas som att denna komponent gör allt tungt lyft, så långt det går tillbaka till kontorsbranschen. Som alla urmakare kommer att berätta om dig - och ett stort antal verkställande direktörer för klockmärken - det finns liten mening med att prata om en ny balansfjäder om man inte också tar upp balanshjulet och faktiskt spaken som impulser systemet. I den här berättelsen kommer vi att titta mestadels på själva balanshjulet, med några fördjupningar till historien och funktionssättet för kanten, détente och schweiziska spakutsläpp. När det gäller spaken eller pallgaffeln måste den vänta på en annan fråga.

Vi börjar den här historien där den sista slutade - med tanke på att balanshjul och hårsprång behöver fungera tillsammans. Det bästa sättet att förstå detta är att tänka på förhållandet mellan det mekaniska armbandsuret och pendelklockan. Precis som pendeln är klockans reglerande organ, utför balans- och balansfjädern samma funktion i armbandsuret. Det betyder att balansen och balansfjädern måste ungefärliga effekterna av tyngdkraften. Vår återvändande huvudperson för denna introduktion är ingen annan än den holländska fysikern Christiaan Huygens. Du kommer att komma ihåg att Huygens pionjärer i balansfjädern (perfektionera den 1675) och pendeln (av den ovannämnda klockan).

Patek Philippe kaliber 240 Q SI

Patek Philippe Advanced Research Ref. 5550 har kaliber 240 Q SI

Märkligt nog verkar balanshjulet ha funnits innan Huygens tid - Huygens själv utformade sitt balanshjul och vårsystem i gränsen för att undkomma. I själva verket hade Huygens och andra pionjärer letat efter rätt komponent för att skapa harmonisk svängning, och den saknade biten var balansfjädern. Så resten av gränsvandringen - det schweiziska hävarmsystemet skulle först dyka upp senare - fanns före 1675.

Harmonisk svängning, som en fysisk egenskap, utforskades först av Galileo Galilei när han undersökte funktionen av pendlar i den mycket tidiga delen av 1600-talet. Det var Galileo som upptäckte isokronismen som något i sig för svängningen av pendlar. I grund och botten är svängningsperioden för en given pendel relativt konsekvent, oavsett svängningsstorlek. Med detta kan man få en stabil tidhållare eftersom så länge pendeln fortsätter att svänga, klockan fortsätter att kryssa i samma takt. Uppenbarligen skulle en klocka som kryssade i olika hastigheter beroende på svängningen av pendeln vara mindre än användbar.

Galileo Galilei

Pendeln får denna isokrona egenskap från tyngdkraften, vilket innebär att klockor utrustade med pendlar måste vara så stabila som möjligt; rörelse stör störten i en pendel och introducerar oönskad variation. Huygens avslutade pendelklockprojektet som Galileo ursprungligen tog i bruk. Innan pendelklockan började använde mekaniska klockor en annan komponent för att simulera isokronism: foliot. Förlita sig på tröghetskrafter var detta en horisontell stång (med vikter i vardera änden) svängd exakt i mitten. Den resulterande gungrörelsen, driven av den kinetiska energin från en uppspolningsfjäder, levererade tidtagningsfrekvensen.

Skärning direkt till dagens mekaniska balansaggregat roterar balanshjulet ungefär en och en halv gånger i en riktning, vilket utgör en svängning. Det är ungefär 270 ° till varje sida av balanshjulets mittjämviktsläge. En komplett cykel är två av dessa gungor, vilket betyder två slag. Stabiliteten hos balansfjädern och hjulets tröghetsmoment är viktiga element i ekvationen som avgör hur många sekunder det tar att slutföra en cykel.

När vi återgår till motivet för balanshjulet och foliot är det oklart när balanshjulet helt ersatte foliot. Det är säkert att införandet av pendeln och balansfjädern sätter bristerna i kantens utrymning i hård lättnad. Många olika utrymmen tävlade om att ersätta den, inklusive spärr och cylinderutrymmen. I slutändan var det både ankarutrymmet och spakutsläppet som slutligen tätade ödet för den en gång dominerande kantutflykten.

Var passar balanshjulet in i den här historien? Tja, en fullständig beskrivning tillhandahålls i avsnittet om spakutrymmen (hävstång) samt den korta tl; dr ovan, men ta ett ögonblick att läsa segmentet On the Verge eftersom det sätter scenen. Balanshjulet verkar vara den bästa formen att arbeta tillsammans med den traditionella spiral- eller balansfjädern.

I sin nuvarande form har balanshjul en mängd olika utseende, som kan delas upp i två huvudformer: slät och inte-slät. Ja, inte-smidig är inte särskilt vältalande men om man måste ha en mer teknisk-klingande term, kommer den att vara justerbar massa. Vi väljer att använda icke-smidig eftersom det kommer att inkludera skruvade balanshjul, i sig inte en särskilt charmig beskrivning. Den ojämna versionen av balanshjulet är traditionell, med små skruvar på hjulkanten. Detta är inte att förväxla med Gyromax av Patek Philippe, Microstella av Rolex, och en mängd olika alternativ från Swatch Group (främst från Omega) som verkar innehålla skruvar på fälgen eller på insidan av fälgen.

Ulysse Nardin balanshjul

I princip använder icke-släta system vikter för att justera trögheten i balanshjulet - hur långt skruvarna är fästa i balansen avgör detta i skruvbalansversionerna. I det traditionella systemet skulle balansen handjusteras av klocktillverkare i en process som kallas att balansera balansen eller balansera balansen; för de nyare balanskonstruktionerna av den justerbara massasorten, är dessa typiska redo för dator när spiralerna har fästs.

Det jämna balanshjulet är också redo på fabriken, med datorer nu också involverade i denna process. Det jämna balanshjulet brukar vara av typen Glucydur (se avsnittet Glucydur) medan nya balanser kan vara gjorda av kisel, med vikter i andra material. Exempel på vilt uppfinningsrika balanshjul inkluderar experiment från DeBethune, Ulysse Nardin och Patek Philippe.

PÅ GRÄNSEN

Den viktigaste tekniska utvecklingen inom ur och klocktillverkning, utvecklingen av kantutrymmet under 1200-talet möjliggjorde tillverkning av helt mekaniska klockor. Så här beskrev David Glasgow verkningarna av kanten-utrymmet i sin bok "Watch and Clock Making" från 1885 (beskrivningen här har parafraserats och redigerats ned, vid behov).

Salisbury-katedralklockan visar hur den första kantklockan såg ut, med tillstånd av Wikipedia

Kantutrymmet består av ett kronformat hjul med utskjutande sågtandformade tänder; dess axel är horisontellt orienterad. En vertikal stång, kanten, är placerad framför kronhjulet med två metallplattor (pallar) som griper in i tänderna på motsatta sidor av kronhjulet. Pallarna är orienterade med en vinkel mellan sig så att bara en fångar tänderna åt gången. Antingen är ett balanshjul eller en pendel monterad i slutet av kantstången.

Balanshjulet verkar ha funnits innan Huygens tid - Huygens själv utformade sitt balanshjul och vårsystem i gränssnapsstil

När kugghjulet levererar energin från en avlindad spiralfjäder till kronhjulet, trycker en av kronhjulets tänder på en pall, och roterar kanten i en riktning. Samtidigt roterar denna åtgärd den andra pallen in i tändernas väg på motsatt sida av hjulet, tills tanden skjuter förbi den första pallen. Sedan kommer en tand på hjulets motsatta sida i kontakt med den andra pallen, roterar kanten tillbaka den andra riktningen, och cykeln upprepas.

Så, det som började när den oreglerade rotationen av kronhjulet omvandlas till svängningen på randen. Detta sätter pendeln eller balansen / folien i rörelse. Varje svängning av balansen / foliot eller pendeln gör att en tand på utrymningshjulet passerar, vilket gör rörelsens rörelse regelbundet. Klockans hjulståg går framåt med ett fast belopp och flyttar händerna framåt med konstant hastighet.

Den andra kanten pendelklocka byggd av Christiaan Huygens, med tillstånd av Wikipedia

Kronhjulet måste ha ett udda antal tänder för att utrymmet ska fungera. Med ett jämnt nummer kommer två motstående tänder att komma i kontakt med pallarna samtidigt och fastnar utrymningen.

Med pendelens framkomst ger ankarutrymmet en mer naturlig åtgärd för klockor och så det började ersätta kantutsläppet.

INFLYTANDE

Utvecklad av Thomas Mudge är hävstångsutvecklingen bokstavligen utrymmet för det samtida mekaniska wrtistwatchet. Än en gång är vi skuldsatta till Glasgows bok för information, tillsammans med TimeZones klocktillverkningsskola. Den korta beskrivningen av hur allt fungerar nedan har härledts från dessa källor (mestadels de avsnitt av Walt Odets).

I standardspakutrymmet, även känt som schweiziskt spakutrymme, spelar utrymningshjulet och pallgaffeln centrala roller (ingen ordlista avsedd). Flyktningshjulet är anpassat till hjulståget, vilket ger en impuls till pallgaffeln. Pallgaffeln tar emot denna impuls, och levererar den till balanshjulets axel och vrider balanshjulet. Balansfjädern returnerar balanshjulet till sitt statiska mittläge och skickar en impuls via axeln till pallgaffeln, som sedan interagerar igen med utrymningshjulet.

Balanshjul och hårsprång från TAG Heuer Autavia Isograph

Pallgaffel och utrymning av Patek Philippe kaliber 240 Q SI

Vad som var oreglerad kraft från huvudsprinten levereras alltså till balanshjulet. Balanshjulet returnerar reglerad kraft till hjulståget, som därefter avanceras med ett fast belopp, och flyttar tidens händer med ett fast belopp.

Varje fram och tillbaka rörelse av balanshjulet från och tillbaka till sitt mittläge motsvarar flyktningshjulets rörelse med en tand (kallas en takt). En typisk utrymning för klockspak slår med 18 000 eller fler slag per timme, ibland även kallad vibrationer per timme. Varje takt ger balanshjulet en impuls, så det finns två impulser per cykel (samma som kantens utrymning). Trots att den är låst i vila mestadels roterar rotationshjulet vanligtvis i genomsnitt 10 rpm eller mer.

Ursprunget till "tick tock" -ljudet orsakas av denna utrymningsmekanism. När balanshjulet gungar fram och tillbaka hörs det tickande ljudet.

GLUCYDUR OCH ALTERNATIVA MATERIAL

Medan Glucydur-balansen verkar dominera, med sin legering av beryllium, koppar och järn, finns det andra slags balanshjul. Scanning av auktionskataloger, det mest typiska alternativet är balans-hjulet med guld-kopparlegering. Funktionellt utför båda typerna av balanser samma trick, men vissa ytterligare detaljer krävs för att förstå vad som händer här.

Den centrala frågan är temperaturvariation eftersom balansfjäderns massegenskaper kommer att förändras när den expanderar eller minskar.Uppenbarligen kommer detta att påverka tidtagningsfrekvensen eftersom det kommer att påverka svängningarna i balanshjulet. Faktum är att balanshjulet också är föremål för termisk variation. Både guld-koppar- och Glucydur-legeringar har utmärkta linjära expansionskoefficienter, mellan +14 och +17 x 10-6 / ° K, och därför fortsätter dessa material att hitta fördel idag hos klocktillverkare. Ingenting är dock perfekt, och när dessa legeringar utvidgas kommer utrymningen inte längre att vara isokron.

Det senaste försöket att ta itu med denna fråga var Zenith Defy Oscillator, som också är den mest radikala rymdinnovation sedan Huygens tid. Den kombinerar faktiskt pallgaffeln, balanshjulet och hårsprången i en kiselstruktur. Ett icke-metalliskt material, kisel behandlas på olika sätt för att hantera termisk variation, vanligtvis med användning av exempelvis en kiseloxid. När det gäller detta Zenith-system är det inte så rakt fram eftersom alla element i utrymmet är i ett stycke.

Vi kommer att titta mer ingående på detta system tillsammans med Genequand-oscillatorn (Parmigiani Fleurier), Ulysse Nardin Anchor Escapement och Girard-Perreguax Constant Force Escapement i våra frågor 2020.