Тік так, тік так - цей звук ми згадуємо, коли думаємо про годинник. Хоча переважна більшість сучасних годин чи видають хоч якийсь звук. Не так давно майже кожну годину видавали характерний для годин звук, тому що вони були повністю механічними. а не електронними. Раніше для того щоб годинник працював було необхідно повертати ключ, заводити пружину, після прислухавшись можна було почути як працюють шестерні. Так давайте розберемося, як насправді працюють старомодні маятниковий годинник.
Маятник являє собою стрижень, який висить вертикально і розгойдується з боку в бік під дією сили тяжіння. Як виявив італійський учений Галілео Галілей (1564-1642), повне коливання маятника займає однаковий час. У теорії, єдине, що впливає на коливання маятника, це його довжина і сила тяжіння. Для відносно невеликих коливань, час (Т), яке потрібно для того, щоб маятник зробив одне повне коливання (відоме як період) обчислюється за наступним рівнянням:
Де, l - це довжина маятника, g - міра сили тяжіння (прискорення вільного падіння). З цього рівняння видно, що вам треба в 4 рази збільшити довжину маятника, щоб в 2 рази збільшити час коливання.
Як маятник працює?
Маятник працює шляхом перетворення кінетичної енергії в потенційну і назад. Коли маятник знаходиться в крайньому положенні він має максимальну накопичену енергію (потенційну енергію). У найнижчій точці, максимально близькою до землі потенційна енергія переходить в кінетичну і має її максимальне значення в цій точці. Таким чином, маятник постійно переводить потенційну і кінетичну енергії один в одного, що є прикладом простого гармонійного коливання. Якби тертя дотичних елементів і опір середовища (повітря) відсутнє, тобто були створені ідеальні умови, то маятник б робив коливання вічно. Але в реальних умовах маятник огляду на перераховані вище фактори сповільнюється. Але що є дуже важливим для хронометражу, навіть при зменшенні амплітуди коливання час коливання маятника не змінюється. Галілей відразу відзначив цю корисну функцію, але побудувати маятниковий годинник йому так і не вдалося, вдалося лише уявити модель маятникових годин в 1642 році. Галілей передав свою працю датському вченому Християнові Гюйгенсу. Він і зробив перший маятниковий годинник в 1650 році.
Як працюють маятниковий годинник?
Майже всі маятниковий годинник сконструйовані таким чином: в годинниковому механізмі, який Ви бачите, вантаж 1 за допомогою троса через валик 2 приводить в рух систему коліс. Цей вантаж забезпечує енергію для годин. Зусилля через кілька колісних пар передається на гальмівне коліщатко 3. Провертання годинникового механізму гальмується в результаті взаємодії гальмівного коліщатка 3 і анкера 4 і регулюється маятником 5. Гальмівний коліщатко просуватиметься далі лише в тому випадку, якщо маятник приведе анкер в такий стан, коли він відпустить гальмівну шестерню. Одночасно інший кінець анкера проходить в простір між шестернями і тим самим обмежує рух гальмівного коліщатка 3 на половину довжини зубчики. Тепер, коли маятник буде здійснювати зворотний рух, зубчик натисне на анкер і через стрижень передасть зусилля на маятник. Маятник при цьому отримує невелику додаткову енергію, що компенсує наявні у нього втрати на тертя. Ця гра повторюється при кожному русі маятника. Таким чином, гальмівне коліщатко рухається в такт коливанням маятника. Через кілька шестерень воно пов'язане з хвилинної шестерінкою 7. Швидкості проміжних шестерень розраховані таким чином, щоб хвилинна шестерня проверталася один раз на годину, тобто зі швидкістю великої стрілки, з'єднаної з хвилинної шестерінкою. І, нарешті, шестерінки 8, 9 і 10 служать для того, щоб маленька стрілка рухалася в 12 разів повільніше, ніж велика. Комбінацію з стрілок 8, 9 і 10 називають також стрілочним механізмом.
Недоліки маятникових годин.
Як ми розглянули вище, час коливання маятника залежить від довжини стержня і сили тяжіння. Але довжина металевого стержня може змінюватися при зміні температури, це зміна незначне, але буде впливати на точність вимірювання часу. Те ж стосується сили тяжіння. Годинники ближче до центру землі, на рівні моря і високо в горах будуть відраховувати час не однаково. Так само застосування маятників годин на кораблі практично неможливо, або дуже утруднене. Але всі ці проблеми були тільки на зорі появи маятникових годин. В процесі розвитку науки всі проблеми були вирішені.