Scappamento ad ancora - Anchor escapement
In orologeria , lo scappamento ad ancora è un tipo di scappamento utilizzato negli orologi a pendolo . Lo scappamento è un meccanismo in un orologio meccanico che mantiene l'oscillazione del pendolo dandogli una piccola spinta ad ogni oscillazione e consente alle ruote dell'orologio di avanzare di una quantità fissa ad ogni oscillazione, spostando le lancette dell'orologio in avanti. Lo scappamento ad ancora è stato chiamato così perché una delle sue parti principali ha una forma vagamente simile all'ancora di una nave.
Lo scappamento ad ancora fu probabilmente inventato dallo scienziato britannico Robert Hooke intorno al 1657, anche se alcuni riferimenti accreditano l'orologiaio William Clement, che rese popolare l'ancora nella sua invenzione dell'orologio a cassa lunga o a pendolo intorno al 1680. Quando l'orologio di Clement apparve Hooke sostenne l'invenzione dello scappamento, dicendo che aveva mostrato un orologio con lo stesso scappamento alla Royal Society subito dopo il grande incendio del 1666. Il più antico orologio ad ancora conosciuto è il Wadham College Clock , un orologio da torre costruito al Wadham College , Oxford , nel 1670, probabilmente dall'orologiaio Joseph Knibb . L'ancora divenne lo scappamento standard utilizzato in quasi tutti gli orologi a pendolo.
Una variazione più accurata senza rinculo chiamata scappamento deadbeat fu inventata da Richard Towneley intorno al 1675 e introdotta dall'orologiaio britannico George Graham intorno al 1715. Questo gradualmente sostituì il normale scappamento ad ancora e viene utilizzato nella maggior parte dei moderni orologi a pendolo.
Come funziona
Lo scappamento ad ancora è costituito da due parti: la ruota di scappamento , che è una ruota verticale con denti appuntiti su di essa simili a denti di sega , e l' ancora , a forma vagamente come l'ancora di una nave, che oscilla avanti e indietro su un perno appena sopra la fuga ruota. Sui due bracci dell'ancora vi sono facce curve contro le quali spingono i denti della ruota di scappamento, dette bancali . L'albero centrale dell'ancora è attaccato a una forcella spinta dal pendolo , quindi l'ancora oscilla avanti e indietro, con i pallet che alternativamente catturano e rilasciano un dente della ruota di scappamento su ciascun lato.
Ogni volta che un pallet si allontana dalla ruota di scappamento, rilasciando un dente, la ruota gira e un dente dall'altra parte si aggancia all'altro pallet, che si sta avvicinando alla ruota. Lo slancio del pendolo continua a muovere la seconda paletta verso la ruota, spingendo indietro per un tratto la ruota di scappamento, fino a quando il pendolo inverte la direzione e la paletta inizia ad allontanarsi dalla ruota, con il dente che scorre lungo la sua superficie, spingendola . Quindi il dente scivola dall'estremità del pallet, ricominciando il ciclo.
Né lo scappamento ad ancora né la forma deadbeat, sotto, sono ad avviamento automatico. Il pendolo deve essere dato un'oscillazione per farli andare.
Rinculo
Il movimento all'indietro della ruota di scappamento durante una parte del ciclo, chiamato rinculo , è uno degli svantaggi dello scappamento ad ancora. Ne risulta un'inversione temporanea dell'intero treno di ruote di nuovo al peso di guida ad ogni battito dell'orologio, causando un'usura aggiuntiva nel treno delle ruote, un'eccessiva usura dei denti degli ingranaggi e imprecisione. Può anche causare lo scavo delle punte dei denti della ruota di scappamento nella superficie del pallet. I denti sono inclinati all'indietro, in senso opposto al senso di rotazione, e la superficie dei pallet è leggermente convessa, per impedirlo.
Un altro motivo per cui i denti della ruota di scappamento sono inclinati all'indietro è come misura di sicurezza. Se l'orologio viene spostato senza immobilizzare il pendolo, l'oscillazione incontrollata del pendolo può far urtare violentemente i pallet di ancoraggio con la ruota di scappamento. I denti inclinati assicurano che le facce piatte dei pallet di ancoraggio colpiscano per prime i lati dei denti, proteggendo i punti delicati dalla rottura.
Lo scappamento deadbeat (sotto) non ha rinculo. Un modo per determinare se un antico orologio a pendolo ha uno scappamento ad ancora o a tempo morto è osservare la lancetta dei secondi. Se si sposta leggermente indietro dopo ogni tick, mostrando il rinculo, l'orologio ha uno scappamento ad ancora.
Stampella e forchetta
L'asta dell'ancora, detta stampella, termina con una forcella che abbraccia l'asta del pendolo, dandogli impulsi trasversali. L'asta del pendolo è appesa a una corta molla di sospensione diritta fissata a un robusto supporto direttamente dietro l'ancora. Il perno dell'ancora è allineato con il punto di piegatura della molla. Questa disposizione si traduce in un supporto del pendolo più stabile rispetto alla semplice sospensione del pendolo direttamente dall'ancora.
Dettagli di progettazione
L'ancora è molto tollerante alle variazioni della sua geometria, quindi la sua forma varia ampiamente. Alla fine del 19 ° secolo, in Gran Bretagna, la solita disegno era un angolo di 90 ° tra i pallet, che significava localizzare il perno di ancoraggio una distanza di √ 2 ≈ 1,4 volte il raggio della ruota fuga dal perno ruota di scappamento. In un orologio a pendolo, che aveva un pendolo che oscillava una volta al secondo, la ruota di scappamento aveva spesso 30 denti, che facevano ruotare la ruota di scappamento una volta al minuto in modo che la lancetta dei secondi potesse essere fissata al suo albero. In una ruota di scappamento da 30 denti i pallet misurano circa 7 denti e mezzo. L'angolo di impulso delle palette, che determinava l'oscillazione del pendolo, era di 3°-4°.
Storia
L'ancora è stato il secondo scappamento ampiamente utilizzato in Europa, in sostituzione del primitivo 400-year-old scappamento a verga in orologi a pendolo . I pendoli negli orologi con scappamento a verga avevano oscillazioni molto ampie da 80° a 100°. Nel 1673, diciassette anni dopo aver inventato l'orologio a pendolo, Christiaan Huygens pubblicò la sua analisi matematica dei pendoli, Horologium Oscillatorium . In esso mostrò che le ampie oscillazioni del pendolo degli orologi di bordo li rendevano imprecisi, perché il periodo di oscillazione del pendolo non era isocrono ma variava in piccola misura a causa di un errore circolare con cambiamenti nell'ampiezza dell'oscillazione del pendolo, che si è verificato con inevitabili cambiamenti nella forza motrice. La consapevolezza che solo le piccole oscillazioni del pendolo erano quasi isocrone ha motivato gli orologiai a progettare scappamenti con piccole oscillazioni.
Il vantaggio principale dell'ancora era che, posizionando i pallet più lontano dal perno, l'oscillazione del pendolo veniva ridotta da circa 100° negli orologi di bordo a soli 4°-6°. Oltre alla migliore precisione dovuta all'isocronismo , questo consentiva agli orologi di utilizzare pendoli più lunghi, che avevano un "battito" più lento. La minore resistenza aerodinamica (la resistenza aerodinamica aumenta con il quadrato della velocità, quindi un pendolo più veloce subisce una resistenza notevolmente maggiore) significava che avevano bisogno di meno potenza per continuare a oscillare e causavano una minore usura del movimento dell'orologio. L'ancora consentito anche l'uso di un pendolo pesante bob per una data forza di azionamento, rendendo il pendolo più indipendente dello scappamento (alto Q ), e quindi più accurata. Questi lunghi pendoli richiedevano casse dell'orologio lunghe e strette. Intorno al 1680 l'orologiaio britannico William Clement iniziò a vendere i primi orologi commerciali a utilizzare lo scappamento ad ancora, orologi alti e indipendenti con pendoli dei secondi di 1 metro (39 pollici) contenuti all'interno di una cassa lunga e stretta che venne chiamata orologi longcase o "nonno". L'ancora aumentò così tanto la precisione degli orologi che intorno al 1680-1690 l'uso della lancetta dei minuti , precedentemente l'eccezione negli orologi, divenne la regola.
Lo scappamento ad ancora sostituì la verga negli orologi a pendolo entro una cinquantina d'anni, anche se gli orologiai francesi continuarono a usare le verghe fino al 1800 circa. Molti orologi a verga furono ricostruiti con ancore. Nel XVIII secolo la forma più accurata dello scappamento sostituì l'ancora nei regolatori di precisione, ma l'ancora rimase il cavallo di battaglia negli orologi a pendolo domestici. Durante il 19° secolo la forma deadbeat ha gradualmente preso il sopravvento nella maggior parte degli orologi di qualità, ma la forma dell'ancora è ancora utilizzata in alcuni orologi a pendolo oggi.
Svantaggi
Lo scappamento ad ancora è affidabile e tollerante di grandi errori geometrici nella sua costruzione, ma il suo funzionamento è simile al vecchio scappamento a verga , e conserva due dei maggiori svantaggi della verga:
- È uno scappamento ad attrito ; il pendolo è sempre spinto da un dente della ruota di scappamento durante il suo ciclo e non è mai lasciato oscillare liberamente. Ciò rende la frequenza del clock sensibile alle variazioni della forza motrice. Qualsiasi piccola variazione nella forza applicata ai pallet, ad esempio un cambiamento nella lubrificazione dovuto all'invecchiamento dell'olio, o la forza in diminuzione della molla di un orologio mentre si scarica, cambierà il periodo di oscillazione del pendolo. Gli orologi con scappamento ad ancora azionati da una molla principale richiedevano un fusibile per uniformare la forza della molla principale.
- È uno scappamento a rinculo come detto sopra; il momento del pendolo spinge indietro la ruota di scappamento durante una parte del ciclo. Ciò provoca un'ulteriore usura del movimento e applica una forza variabile al pendolo, causando imprecisioni.
Scappamento Deadbeat
I suddetti due svantaggi sono stati rimossi con l'invenzione di una versione migliorata dello scappamento ad ancora: il deadbeat o scappamento Graham . Questo è spesso erroneamente attribuito all'orologiaio inglese George Graham che lo introdusse intorno al 1715 nei suoi orologi regolatori di precisione. Tuttavia in realtà fu inventato intorno al 1675 dall'astronomo Richard Towneley , e usato per la prima volta dal mentore di Graham Thomas Tompion in un orologio costruito per Sir Jonas Moore , e nei due regolatori di precisione da lui realizzati per il nuovo Osservatorio di Greenwich nel 1676, menzionati nella corrispondenza tra l'Astronomo Royal John Flamsteed e Towneley
La forma deadbeat dello scappamento ad ancora è meno tollerante all'imprecisione nella sua fabbricazione o all'usura durante il funzionamento ed è stata inizialmente utilizzata solo negli orologi di precisione, ma il suo uso si è diffuso nel corso del XIX secolo alla maggior parte degli orologi a pendolo di qualità. Quasi tutti gli orologi a pendolo prodotti oggi lo usano.
Gli orologi da torre sono uno dei pochi tipi di orologi a pendolo che lo scappamento ad ancora non ha dominato. La forza variabile applicata al treno delle ruote dalle grandi lancette esterne, esposte a vento, neve e carichi di ghiaccio, era gestita meglio dagli scappamenti a gravità .
Come funziona
Lo scappamento deadbeat ha due facce alle palette, una faccia "bloccata" o "morta", con una superficie curva concentrica con l'asse su cui ruota l'ancora, e una faccia inclinata "a impulso". Quando un dente della ruota di scappamento è appoggiato contro una delle facce morte, la sua forza è diretta attraverso l'asse di rotazione dell'ancora, quindi non dà impulso al pendolo, permettendogli di oscillare liberamente. Quando il pallet sull'altro lato rilascia la ruota di scappamento, un dente atterra per primo su questa faccia "morta" e rimane appoggiato su di essa per la maggior parte dell'oscillazione verso l'esterno e del ritorno del pendolo. Per questo periodo la ruota di scappamento è "bloccata" e non può girare. Vicino alla parte inferiore dell'oscillazione del pendolo, il dente scivola dalla faccia morta sulla faccia inclinata "a impulso" del pallet, permettendo alla ruota di scappamento di girare e dare una spinta al pendolo, prima di cadere dal pallet. È ancora uno scappamento di riposo ad attrito perché lo scorrimento del dente di fuga sulla faccia morta aggiunge attrito all'oscillazione del pendolo, ma ha meno attrito dello scappamento a rinculo perché non c'è forza di rinculo.
In contrasto con l'inclinazione all'indietro dei denti della ruota di scappamento dell'ancora, i denti della ruota di scappamento del deadbeat sono radiali o inclinati in avanti per garantire che il dente entri in contatto con la faccia "morta" del pallet, prevenendo il rinculo.
La condizione ariosa
Gli orologiai scoprirono nel 1700 che per la precisione, il posto migliore per applicare l'impulso per mantenere l'oscillazione del pendolo era nella parte inferiore della sua oscillazione, mentre passa attraverso la sua posizione di equilibrio. Se l'impulso viene applicato durante la discesa del pendolo, prima che raggiunga il fondo, la forza dell'impulso tende a diminuire il periodo dell'oscillazione, quindi un aumento della forza motrice fa guadagnare tempo all'orologio. Se l'impulso viene applicato durante la salita del pendolo, dopo che ha raggiunto il fondo, la forza dell'impulso tende ad aumentare il periodo dell'oscillazione, quindi un aumento della forza motrice fa perdere tempo all'orologio.
Nel 1826 l'astronomo britannico George Airy lo dimostrò; in particolare ha dimostrato che un pendolo che è guidato da un impulso motore che è simmetrico rispetto alla sua posizione di equilibrio inferiore è isocrono per diverse forze motrici, ignorando l'attrito, e che lo scappamento deadbeat soddisfa approssimativamente questa condizione. Sarebbe esattamente soddisfatto se i denti della ruota di scappamento fossero fatti cadere esattamente sull'angolo tra le due facce del pallet, ma affinché lo scappamento funzioni in modo affidabile i denti devono essere fatti cadere sopra l'angolo, sulla faccia "morta".
Confronto di movimento in anchor e deadbeat
Una delle principali cause di errore negli orologi sono i cambiamenti nella forza motrice applicata allo scappamento, causati da piccoli cambiamenti nell'attrito degli ingranaggi o dei pallet, o dalla diminuzione della forza della molla mentre si svolge. Uno scappamento in cui le variazioni della forza motrice non influiscono sulla velocità è detto isocrono. Le prestazioni superiori del deadbeat sul rinculo sono dovute al miglioramento dell'isocronismo. Ciò è dovuto ai diversi modi in cui i cambiamenti nella forza motrice influenzano l'oscillazione del pendolo nei due scappamenti:
- Nello scappamento ad ancora , un aumento della forza motrice fa oscillare il pendolo avanti e indietro più rapidamente, ma non aumenta di molto l' ampiezza del pendolo , la lunghezza della sua oscillazione. L'aumento della forza del dente della ruota di scappamento sul pallet durante la parte di rinculo del ciclo tende a diminuire l'oscillazione del pendolo, mentre la forza del dente durante la parte di impulso in avanti del ciclo tende ad aumentare l'oscillazione del pendolo. Questi tendono ad annullarsi a vicenda, lasciando invariato lo swing. Ma entrambi questi effetti riducono il tempo di oscillazione. In altre parole, una maggiore forza fa muovere il pendolo avanti e indietro in un arco fisso più velocemente.
- Nello scappamento deadbeat , non c'è rinculo e una maggiore forza motrice fa sì che il pendolo oscilli in un arco più ampio e si muova più velocemente. Il tempo necessario per coprire la distanza extra compensa esattamente l'aumento della velocità del pendolo, lasciando invariato il periodo di oscillazione. Tuttavia, l'oscillazione più ampia provoca un leggero aumento del periodo a causa dell'errore circolare . Per gli orologi domestici questo effetto è trascurabile, ma è una limitazione alla precisione che può essere ottenuta con gli orologi regolatori di precisione con scappamenti deadbeat.
Quando fu inventato il deadbeat, gli orologiai inizialmente credevano che avesse un isocronismo inferiore all'ancora, a causa del maggiore effetto delle variazioni di forza sull'ampiezza del pendolo. Analisi recenti indicano che il non isocronismo dell'ancora può annullare l'errore circolare del pendolo. Cioè, un aumento dell'ampiezza dell'oscillazione provoca un leggero aumento del periodo di un pendolo dovuto all'errore circolare , e che questo può compensare il periodo diminuito dovuto all'isocronismo. A causa di questo effetto, uno scappamento ad ancora accuratamente regolato con palette lucidate potrebbe essere più preciso di un deadbeat. Ciò è stato confermato da almeno un esperimento moderno.
Guarda anche
Riferimenti
link esterno
- Headrick, Michael (2002). "Origine ed evoluzione dello scappamento dell'orologio ad ancora" . Rivista sui sistemi di controllo . ist. di Ingegneri Elettrici ed Elettronici. 22 (2). Archiviato dall'originale il 25-10-2009 . Estratto 06-06-2007 .- collegamento morto
- Glasgow, David (1885). Orologi e orologeria . Londra: Cassel & Co. p. 293 .su Google Libri. Dettagli di costruzione.