Устройство часового механизма: устройство, принцип работы, виды и типы — ЖК Акваполис

Содержание

устройство, принцип работы, виды и типы

Из чего состоят часы? Наверняка, каждый человек задавался таким вопросом. В этой статье мы расскажем, про виды, устройство и принцип работы механизмов в наручных часах. Часовой механизм — это сердце устройства, питающее его энергией. Система работает, благодаря нему: движутся стрелки на циферблате, звонит будильник, функционирует календарь и хронограф.

На данный момент существуют два основных вида часовых механизмов: с использованием энергии спирали (механические) и электрических импульсов (кварцевые). Выпускаются и комбинированные варианты. Стоит отметить, что электронные часы работают за счет кварцевого механизма, разница только в реализации передачи энергии. Далее подробнее рассмотрим устройство и принципы работы обоих видов.

Устройство и принцип работы механизма с балансом

Принцип функционирования двух типов устройств, так же, как и количество деталей, кардинально отличается. Рассмотрим полностью механическое устройство.

Ниже приведена схема, как построен и из каких элементов состоит калибр. Если точней, то под калибром в часовом деле понимается размер механизма, особенности его месторасположения и конфигурацию составляющих его деталей.

Калибры включают в название буквы и цифры, в которых часто зашифрованы изготовитель и функциональные особенности. Диаметр механизма измеряется в миллиметрах или в линиях (1 линия — 2.255мм). Важный компонент механизма — камни. До 1902 года использовались настоящие драгоценные рубины, сейчас же искусственные. Они служат одной цели – уменьшить трение между деталями, возникающее в процессе работы. С увеличением функций механизма, возрастает количество камней.

Источник энергии в механических часах — спиральная пружина, находящаяся внутри заводного барабана. Когда часы заводят, она закручивается, и при раскручивании передает импульс на барабан, который, в ходе вращения, заставляет работать весь механизм.

По способу взвода заводной пружины можно понять тип разновидности механизма. В часах с ручным подзаводом пружина закручивается и накапливает кинетическую энергию с помощью вращения заводной головки. Это позволяет часам работать определенное время, в среднем, от 24 до 72 часов.

По причине того, что пружина в «механике» раскручиваться и отдает энергию неравномерно, это снижает точность хода (от 5 до 30 секунд в сутки). На корректность показаний часов влияют и другие факторы: положение часов, температура, степень износа деталей, удары и встряски процессе использования и др.

Для удобства эксплуатации был разработан автоматический подзавод. Альтернативой ручному постоянному заводу стал ротор, который под действием движений руки вращается вокруг центральной оси и через систему шестерней заводит пружину. Современные модели комплектуются особо чувствительными механизмами, и достаточно незначительных движений запястья, чтобы энергии для работы часов хватало каждый день без сбоев. Когда же длительное время часы носить не предполагается, их можно положить в тайммувер, специальную шкатулку для автоматического подзавода. Особой популярностью тайммувер пользуется у коллекционеров.

Устройство и принцип работы кварцевого механизма

Кварц появился относительно недавно с развитием электричества, но сразу массовым завоевал рынок за счет исключительной точности и удобства использования.

Как функционирует кварцевый механизм? Принцип его работы основан на преобразовании электрической энергии в кинетическую.

Кварцевый механизм состоит из двух составных частей. Первая, генератор, служит для выработки электрических колебаний, которые стабилизируются кварцевым кристаллом. Генератор вырабатывает 32768 колебаний в секунду. Это около 10000 раз больше, чем число колебаний баланса (пружины) в механических часах. Вторая часть схемы — делитель. Он преобразует колебания от генератора в импульсы с частотой 1 герц. которые далее передаются на обмотку шагового электродвигателя.

Двигатель состоит из статора, неподвижно закрепленной катушки с обмоткой и ротора (постоянного магнита на оси). Принципиально схема работы выглядит так: электрический импульс проходит через катушку и создает магнитное поле, поворачивающее ротор на пол-оборота, который, в свою очередь, вращает стрелки через систему шестеренок.

Одним из самых популярных кварцевых механизмов является японская Miyota. Японцы сделали Мийоту эталоном цены и качества во всем мире.

Кварцевый механизм для настенных часов

Принципиально механизм для настенных часов не отличается от экземпляра для наручных. Разница в размере и компоновки составляющих.

Возьмем, к примеру, кварцевые механизмы марки Grand Time для настенных часов. Они используются повсеместно по всей России. Кому и куда их можно применить? Компаниям для изготовления корпоративных подарков, любителям и часовые мастерские для ремонта. Идеальное соотношение цены-качества.

← Как выбрать золотые, серебряные часы в подарок? | Лёд против Боевых пловцов.

Эксперимент. →

Устройство часовых механизмов | Старинные часы

Платина или плата — это основная деталь механизма часов, на которой крепятся все детали и узлы. Диаметр платины соответствует калибру часов. Часовые механизмы с диаметром платины менее 22 миллиметров считаются женскими, 22 и более считаются мужскими. В механических карманных часах «Молния» диаметр платы 36 мм. Платина может иметь как круглую форму так и не круглую. Изготавливают платину обычно из латуни марки ЛС63-3т, в кварцевых часах платина может быть изготовлена из пластмассы. Для установки и расположения деталей на плате делают различные расточки и отверстия, которые имеют различную высоту и диаметр. В наручных часах в плату запрессованы камни, выполняющие роль подшипников колёсной системы и баланса. Камни изготовленные из синтетического рубина и имеют высокую прочность. В малогабаритных будильниках «Слава» вместо камней колёсной системы используются латунные втулки. Они запрессованные в плату и в мост ангренажа, если происходит износ втулок (появляется отверстие овальной формы), то они подлежат замене.

В крупногабаритных часах плата не имеет ни камней, ни латунных втулок, при выработке отверстия стягиваются пуансоном. Платина очень редко приходит в негодность, поэтому при ремонте часов редко подлежит замене. Так как для вращающихся деталей (колёс, баланса и т.д.) обычно используют два подшипника т.е. камня, то для установки второго камня используют мосты. В мостах как и в платине делают различные расточки и отверстия. Отверстия в платине и в мостах должны быть строго соосны, что бы обеспечить правильное положение деталей. Соосность обеспечивают посадочные штифты или втулки, которые запресованы в платину (в некоторых случаях в мосты). Латунные платины и мосты обычно никелируют, для защиты от окисления и придания им красивого внешнего вида.

Колёсная система или ангренаж состоит из четырёх и более колёс. Основная колёсная система содержит в себе:
1. Центральное колесо
2. Промежуточное колесо
3. Секундное колесо
4. Анкерное колесо
Если быть точным не всё анкерное колесо, а только триб анкерного колеса. Полотно анкерного колеса относится к другой системе, системе спуска.
Все колёса в часовом механизме состоят из следующих составных частей — ось, триб, полотно. В наручных часах ось и триб являются единым целым и так как несут на себе значительные нагрузки изготавливаются из стали. Верхняя и нижняя части оси имеют меньший диаметр и называются цапфы. Полотно колёс имеет зубья, перекладины и изготавливается из латуни. Исключением является полотно анкерного колеса, оно изготавливается из стали (в большинстве часовых механизмов). При ремонте часов нужно знать несколько правил:

1. Полотно центрального колеса входит в зацепление с трибом промежуточного колеса.

2. Полотно промежуточного колеса входит в зацепление с трибом секундного колеса.

3. Полотно секундного колеса входит в зацепление с трибом анкерного колеса.

Центральное колесо в большинстве часовых механизмов располагается в центре платы, за что и получило название — центральное.
Секундное колесо делает один оборот за одну минуту, поэтому на одну из его цапф одевают секундную стрелку.
Промежуточное колесо находится «между» центральным и секундным колёсами. Между в кавычках потому, что в часах с центральной секундной стрелкой промежуточное колесо будет находиться рядом с центральным и секундным, секундное колесо проходит сквозь центральное. Поэтому «между» это не место положения, а порядок передачи энергии от двигателя к маятнику.

Чем толще ось колеса тем ближе к двигателю оно располагается имеется в виду не место положение на плате, а место по передаче энергии. То есть самая толстая ось будет у центрального колеса, самая тонкая у анкерного.

Двигатель. Двигатель в механических часах служит для накопления энергии. Существует два типа двигателей гиревой и пружинный. Гиревой двигатель наиболее точен, но из-за больших размеров и конструктивных особенностей используется только в стационарных часах. Состоит он из гири, цепи или струны (шёлковая нить). Одной и единственной поломкой гиревого двигателя является обрыв цепи или струны. При длительной зксплуатации звенья цепи могут растянуться, их можно восстановить с помощью плоскогубцев. Растянутые звенья цепи сжимают в продольном направлении для того, чтобы сошлись разошедшиеся концы.

Пружинный двигатель менее точен, но более компактен его используют в наручных, настенных, карманных часах. Пружинный двигатель состоит из пружины, вала (корэ), барабана. Барабан служит для предохранения пружины от попадания на неё пыли, влаги. Состоит барабан из корпуса и крышки. По периметру корпус имеет зубья, которые служат для передачи энергии на колёсную систему. В центре дна корпуса имеется отверстие для вала (корэ), такое же отверстие имеется и в центре крышки барабана. В большинстве случаев в крышке имеется ещё одно отверстие для замка пружины, оно находиться с краю.

Пружины в часах имеют S-образную форму, и спиральную. Пружина имеет отверстие для крепления к валу на одном конце (в центре) и замок для крепления к барабану на другом конце. В часах с автоподзаводом используется фрикционное крепление пружины, это когда пружина не имеет жёсткого крепления к барабану, а проскальзывает при заводе.

Анкерная вилка входит в состав системы спуска часового механизма. Система спуска предназначена для преобразования вращательного движения колёс в колебательные движения маятника. В состав системы спуска также входит: полотно анкерного колеса, двойной ролик баланса. Анкерная вилка состоит из:
1. Ось анкерной вилки старые мастера называют её чиж.
2. Тело анкерной вилки, бывает одноплечная и двухплечная.
3. Рожки находятся в хвостовой части тела анкерной вилки.
4. Копьё располагается снизу рожков точно по центру.
5. Паллеты находятся в пазах тела на плечах вилки.
Ось анкерной вилки изготавливается из стали как и все оси в часовом механизме. Она имеет самый маленький размер по отношению к другим осям механизма за что её и прозвали чиж. На ось напресованно тело анкерной вилки которое изготавливается из стали или латуни.
В пазы тела вставлены паллеты изготовленные из синтетического рубина. Крепятся паллеты при помощи специального клея который называется шеллак.
Шеллак при нагревании растекается и заполняет щели между паллетами и пазами тела анкерной вилки. При остывании шеллак затвердевает, что приводит к прочному крепление паллет в пазах тела. Для того чтоб приклеить паллеты с помощью шеллака существует специальный инструмент называемый жаровня.
В хвостовой части тела анкерной вилки располагаются рожки и копьё. Рожки изготовлены как единое целое с телом, а вот копьё изготовленное из латуни и крепится к телу анкерной вилки методом запрессовки.
Копьё предназначено для предотвращения выхода эллипса из зацепления с рожками анкерной вилки так называемый заскок. ЗАСКОК это когда эллипс находится не между рожками, а за пределами то есть заскакивает за один из рожков анкерной вилки.

Баланс, маятник.

Колебательная система или регулятор хода включает в себя баланс (используется в наручных, карманных, настольных и в некоторых настенных моделях часов) или маятник (используется в настенных и напольных часах). Маятник представляет из себя металлический или деревянный стержень, на одном конце которого находится крючок на другом конце находится линза. От расположения линзы относительно стержня зависит точность хода часового механизма. Чем выше тем быстрее колебания, чем ниже тем медленнее.
Баланс состоит из следующих — ось, обод, двойной ролик, спираль (волосок).
Обод с перекладинами крепиться по центру оси, обод должен быть плотно напрессован, чтоб исключить его проворачивание во время колебаний баланса. Под ободом на ось напрессован двойной ролик в состав которого входит эллипс или как его ещё называют импульсный камень. Над ободом находиться спираль, она должна располагаться параллельно ободу и ни в коем случае не соприкасаться с ним. На внутреннем конце спирали находится колодка с помощью которой спираль крепиться к оси баланса. На наружном конце находится колонка, с помощью которой спираль крепится к мосту баланса. От длины спирали зависит точность хода часового механизма. Для регулировки точности хода существует градусник (регулятор) который располагается на мосту баланса.
Градусник представляет из себя рычаг на одном конце которого находится два штифта или специальный замок, на другом конце выступ с помощью которого можно регулировать точность хода. Между штифтами градусника проходит наружный виток спирали, при повороте градусника штифты скользят вдоль наружного витка спирали тем самым удлиняя или укорачивая рабочую часть спирали. Рабочая часть спирали считается — длина спирали от колодки до штифтов градусника плюс одна треть расстояния от штифтов к колонке.
МОСТЫ — мосты фиксируют все детали к плате, мост баланса, мост анкерной вилки, мост ангренажа, мост двигателя.

Механизм завода и перевода стрелок (ремонтуар) состоит из следующих деталей:
1. Переводной триб его ещё называют бочонок
2. Заводной триб или полубочонок
3. Заводной рычаг
4. Переводной рычаг
5. Мост ремонтуара или фиксатор
Бочонок (1) имеет с двух сторон зубья, с одной стороны они имеют правильную форму и служат для перевода стрелок, с другой стороны зубья скошены и служат для зацепления с полубочонком (2), который через коронное и барабанные колёса заводит пружину часов.
Давайте разберёмся как работает система ремонтуар.
При вращении заводной головки поворачивается заводной вал, который в свою очередь, благодаря своей квадратной части, вращает переводной триб (1). Переводной триб прижат с помощь переводного рычага (4) и пружины к заводному трибу (2). При вращении заводного вала вперёд, зубья переводного триба входят в зацепление с зубьями заводного триба и приводят его в движение. Он в свою очередь приводит в движение коронное и барабанное колёса. Барабанное колесо одето на вал (корэ) пружины и при вращении вала пружина накручивается на него.
При переводе заводного вала в режим перевода стрелок (оттягивании его от корпуса), поворачивается заводной рычаг (3) и отводит в сторону переводной рычаг (4). Переводной рычаг теперь будет прижимать переводной триб к переводному колесу 9, и при вращении вала будет его поворачивать. Переводное колесо (его ещё называют паразитка) будет вращать вексельное колесо (6), которое в свою очередь будет поворачивать минутный триб (8) и часовое колесо (7).
СТРЕЛОЧНЫЙ МЕХАНИЗМ — состоит из часового колеса, вексельного колеса и минутного триба.
Календарные устройства в часах.
Одним из дополнительных устройств в часах, является календарное устройство. Календарное устройство используется как в механических, так и в кварцевых часах. Различают два вида календарных устройств:
1. показывающие дату в окне циферблата
2. показывающие дату на дополнительной шкале циферблата
Наиболее широко распространены календарные устройства показывающие дату, и дни недели в окне циферблата. Такие календарные устройства можно разделить на два вида:
1. календарное устройство мгновенного действия
2. календарное устройство затяжного действия (перевод календаря происходит в течении 1.5-3 ч.)
Календарное устройство располагается на платине часового механизма под циферблатом.

Время, в течении которого происходит смена показаний календаря, называется продолжительностью действия календарного устройства.
Календарное устройство, в различных моделях часов, имеет разнообразную конструкцию и составные части. Но существуют некоторые детали, которые являются неотъемлемой частью во всех видах календарных устройств, к ним относятся:
Диск календаря или числовой диск.
Имеет на своей поверхности числовые значения от 1 до 31.

Суточное колесо. Название говорит само за себя, делает один оборот в сутки. На суточном колесе располагается кулачок который приводит в движение диск календаря.

Часовое колесо.
Имеет дополнительный венец зубьев, который называется первое колесо календаря.

Фиксирующий рычаг или фиксатор диска календаря.
Предназначен предотвращения самопроизвольного вращения диска календаря.
Автоподзавод. Календарное устройство не имеет автономного источника энергии, и работает от пружины завода хода. Это в свою очередь сказывается на точности хода часов. Следует помнить, что часы с календарным устройством и без автоподзавода лучше заводить вечером, это позволит календарю сменить дату в тот момент когда энергия пружины будет максимальной.
В часах с исправным автоподзаводом пружина должна подзаводиться при повороте инерционного сектора в любую сторону. Если пружина заводится только при повороте инерционного сектора в одну сторону это может привести к тому, что пружина не будет полностью подзаводиться и часы будут останавливаться. Сектор автоподзавода вращается при любых движениях руки человека, не зависимо от того, насколько заведена пружина часов. Для того чтоб пружина не порвалась она имеет фрикционное крепление к барабану. Это когда достигнув максимального значения пружина проскальзывает в барабане на два — три оборота, что даёт возможность автоподзаводу постоянно работать и избежать его поломки. Часы с автоподзаводом толще и тяжелее обычных часов за счёт механизма автоподзавода который располагается над основным механизмом часов.
В часах Российского производства Слава 2427, Восток 2416 в системе автоподзавода используются фрикционные и передаточные колёса. Для того чтоб завести пружину часов система автоподзавода затрачивает достаточно много энергии на вращение этих колёс. В часах импортного производства — Ориент, Сейко, Ситезен и других система автоподзавода состоит из эксцентрика, гребёнки, бархатного колеса. Инерционный сектор вращаясь поворачивает эксцентрик на ось которого одета гребёнка, гребёнка в свою очередь начинает поворачивать бархатное колесо которое взаимодействуя с барабанным колесом заводит пружину. Причём независимо в какую сторону поворачивается сектор автоподзавода бархатное колесо должно крутиться только в одну сторону. Для вращения одного бархатного колеса требуется меньше энергии, поэтому коэффициент полезного действия такой конструкции автоподзавода намного больше.

Часовой спуск — часто сравнивают с человеческим сердцем, хотя это сравнение не совсем верно. Ведь сердце, кроме того, что выполняет регулирующую функцию, берет на себя еще и роль пружины (привычнее — насоса). Правильнее было бы сравнить его с сердечным клапаном,
Различные виды спусков по-разному «звучат», а часы из-за этого по-разному тикают. Данте имел честь наблюдать за работой часов, в которых спусковое устройство звучало, «как звуки струн на лире».
Вообще, за годы существования часового дела были созданы сотни различных видов спусковых механизмов. Но многие были изготовлены только в единственном экземпляре или очень ограниченными сериями и, таким образом, были преданы забвению. Другие просуществовали дольше, но от них окончательно отказались из-за трудностей в их производстве или из-за весьма посредственного исполнения. В этой статье приведен краткий обзор основных видов спусков, учитывая их роль в историческом развитии часов вообще и спусковых устройств в частности.
Шпиндельный ход. Дедушкой всех спусковых механизмов является шпиндельный ход, изобретенный великим голландским математиком и физиком Христианом Гюйгенсом (1б29-1б95 гг. ). Гюйгенс применил его еще в маятниковых часах. В 1б74 году по проекту Гюйгенса парижским часовщиком Тюре были изготовлены часы переносного типа. Шпиндельный ход, сохраненный в карманных часах, продолжали применять и после Гюйгенса. С самых ранних образцов и до 80-х годов XIX столетия шпиндельный ход в своих существенных чертах почти не изменялся. Главным недостатком шпиндельного хода являлся откат назад ходового колеса, оказывавший дестабилизирующее действие на точность часового механизма. Устранением этого дефекта и начали заниматься часовщики Англии и Франции. Однако все их старания избавиться от него, сохранив шпиндельный ход, к сожалению, не увенчались успехом.
Цилиндровый ход. Шпиндельный ход стал постепенно вытесняться после появления цилиндрового хода. Томас Томпион, который его изобрел, сумел устранить проблему отката назад ходового колеса. Но широкое применение цилиндровый ход приобрел только с 1725 года, после его усовершенствования англичанином Георгом Грэхемом, которого, в общем-то, и принято называть изобретателем цилиндрового хода. Интересно, что хотя этот ход был придуман англичанами, его чаще использовали во Франции.
А этот ход, будучи изобретенным во Франции, получил широкое применение среди часовщиков Англии. Его изобретение приписывается Роберту Гуку и Иоганну Баптисту Дю-тертру из Парижа. Более поздняя и весьма обычная форма дуплекс-хода была основана на изобретении выдающегося французского часовщика Пьера Леруа (1750 год). Оно заключалось в замене двух колес одним и в совмещении на этом колесе зубцов, которые до этого были разнесены на два колеса. Этот ход нашел применение в так называемых «долларовых» часах, предназначенных для массового производства часовой фирмой «Waterburry» (США). Дуплексный ход считается теперь устаревшим, но сохранился в некоторых старинных часах.
В 1750 — 1850 гг. часовщики увлекались изобретением все новых и новых ходов, отличных по своему устройству И было изобретено их свыше двухсот, но лишь немногие получили распространение. В «Руководстве по часовому делу» (Париж, 1861 год) отмечено, что из большого количества появившихся ходов, так или иначе ставших известными, к тому времени сохранилось не более десяти-пятнадцати. К 1951 году их количество вообще свелось к двум.
Свободный анкерный ход. В настоящее время в карманных и наручных часах чаще всего применяется свободный анкерный ход, изобретенный Томасом Мьюджем в 1754 году. В основу его был положен несвободный анкерный ход, разработанный его учителем Георгом Грэхемом для маятниковых часов. В отличие от последнего, свободный анкерный ход обеспечивает свободное колебание баланса. Баланс в течение значительной части своего движения не испытывает какого-либо воздействия со стороны спускового регулятора, так как он разъединен с балансом, но вступает с ним во взаимодействие на мгновение для освобождения ходового колеса и передачи импульса. Отсюда происходит английское название этого хода detached lever escapement — «свободный анкерный ход». Анкерным же он называется потому, что по форме напоминает якорь (франц. — anchor). Первый свободный анкерный ход в исполнении Томаса Мьюджа был применен в часах, изготовленных им в 1754 году для супруги короля Георга III Шарлотты. Эти часы находятся теперь в Виндзорском замке. Хотя сам Мьюдж изготовил только две пары карманных часов с этим ходом, но его изобретение положило начало всем используемым ныне во всех карманных и наручных часах современным свободным ходам. Мьюдж справедливо считал изобретенный им ход слишком трудным в изготовлении и применении и даже не пытался найти возможность для распространения своего детища. Отсутствие высоких технологий в часовом производстве середины XVIII века надолго задержало широкое применение анкерного хода. И потому же он долго не был оценен по достоинству.
Изобретение Мьюджа долго не использовалось, пока Георг Севедж, знаменитый часовщик из Лондона, не развили идеи Мьюджа и не привел их к более современному виду — классическому типу английского анкерного хода. Дальнейшим усовершенствованием устройства свободного анкерного хода занялись швейцарцы. Именно они предложили ход, в котором ходовое колесо изготавливалось с широким зубом на конце (в английском варианте зуб был заостренным). Изобретение швейцарского анкерного хода приписывают выдающемуся часовщику Аврааму Луи Бреге. Сегодня почти в каждом свободном анкерном ходе в точных переносных часах зубья ходового колеса изготавливают с широким концом.
Штифтовой анкерный ход в карманных часах был применен Георгом Фредериком Роскопфом около 1865 года и впервые был представлен на Парижской выставке в 1867 году. Обычно этот ход относят к типу свободных ходов, предназначенных для применения в карманных и наручных часах. Однако, в нем применены штифтовые металлические палеты (для сравнения: в английском и швейцарском анкерных ходах палеты изготавливаются из рубина или сапфира). По своему качеству штифтовой анкерный ход уступает во всех отношениях всем видам свободных ходов и имеет несравненно более ограниченную область применения. Он используется только в недорогих часах массового производства. Часто ход со штифтовыми палетами выдают за ход Роскопфа, но это не совсем верно. Этот ход не может считаться изобретением Роскопфа. Заслуга хитроумного швейцарца в том, что он сумел удачно объединить в созданной им конструкции хода изобретения, сделанные другими, и организовать массовое производство дешевых часов с этим ходом. Роскопф применил простейшие и экономичные в изготовлении детали и узлы. Немало он потрудился и над усовершенствованием технологии их массового производства. Штифтовой ход широко применяется не только в дешевых карманных и наручных часах, но и в будильниках, изготовление которых также носит массовый характер. В этом случае штифтовой ход стоит вне конкуренции. Вообще, штифтовой ход в смысле точности и постоянства нисколько не хуже английского и швейцарского анкерных ходов. К его недостатку следует отнести недолговечность. Часы со штифтовым ходом раньше изнашиваются.
Коаксиальный спуск. И, конечно же, нельзя не упомянуть о коаксиальном спуске Джорджа Дэниэлса. Этот спуск, подобно свободному анкерному ходу Томаса Мьюджа в свое время, сейчас не может быть широко применен в часовой промышленности из-за высоких производственных и технологических требований. Хотя Джордж Дэниэлс изобрел свой спуск более двадцати лет назад, часовая промышленность, даже швейцарская, не была готова к его применению вплоть до 1999 года. Как заметил сам Дэниэлс, она (промышленность) была занята изготовлением все более и более сложных часов. С турбийоном, например. И не уделяла большого внимания совершенствованию внутреннего устройства часового механизма. Коаксиальный спуск, таким образом, стал самым серьезным шагом, сделанным часовой промышленностью со времени применения кварца

Видоизмененный анкерный спуск часов

Еще один видоизмененный анкерный спуск

Анкерный спуск

Хронометрический спуск

Двойной анкерный спуск Даниэлса

Кузнечиковый спуск

Анкерный спуск Грехама

Гравитационный спуск

Штифтовый спуск

Анкерный спуск с откатом

Швейцарский анкерный спуск

Введение в заводные механизмы
Как работает часовой механизм: Введение в заводные механизмы
Вы здесь: Домашняя страница > Инжиниринг > Заводной
Дом
индекс А-Я
Случайная статья
Хронология
Учебное пособие
О нас
Конфиденциальность и файлы cookie
Реклама
org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 29 марта, 2022.
Батарейки в комплект не входят — в детстве они едва ли не самые разочаровывающие слова, которые вы можете прочитать, когда покупаете новую игрушку. В 1970-х а раньше это не было такой большой проблемой, потому что подавляющее большинство игрушки работали совершенно по-другому. Вместо использования электричества химически хранящиеся в батареях, они полагались на энергию заводки и часовые механизмы. Заводной механизм, безусловно, выдержал испытание времени: самое раннее часовое устройство, известное как Антикитера механизм, восходит к Древней Греции и считается по крайней мере 2000 лет. Почему технология часовых механизмов была такой твердой любимый так долго? Как именно это работает? Давайте поближе смотреть!
Фото: «Часовой механизм» — буквально то, как работают часы. Это часовой механизм внутри башенных часов Union Station в Портленде, штат Орегон, датируемых 1896 годом. Фото: фотографии из архива Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, отдел эстампов и фотографий.
Содержание
Что такое часовой механизм?
Добавление и хранение энергии
Использование энергии
Кулачки и кривошипы
Как это будет работать на практике?
Как работает заводная игрушка?
Заводные игрушки из прошлого
Узнать больше
Что такое часовой механизм?
Часовой механизм буквально означает «работающий как часы». очевидно! Но большинство современных часов электронные: питание от электричество и регулируется кристаллами кварца, они имеют относительно мало движущихся частей. Если вы хотите понять часовой механизм, вам нужно понять, как работали часы в те дни, когда вы заводили их ключом. Подобно старомодным часам, часовой механизм полностью механический и имеет следующие основные части:
Ключ (или корона), который вы закручиваете, чтобы добавить энергии.
Спиральная пружина для накопления энергии, добавляемой ключом. (Маятниковые часы накапливают энергию с грузами, которые поднимаются и опускаются, но в других часах и заводных наручных часах вместо них используются пружины.)
Набор шестерен, через которые высвобождается энергия пружины. Шестерни определяют, насколько быстро (или медленно) работает часовой механизм. вещи, но они также контролируют, какую силу он может произвести (возможно, для лазания по склонам).
Механизм, приводящий в движение шестерни, который делает устройство полезным или интересные вещи. В часах механизм — это набор стрелок которые вращаются вокруг циферблата, чтобы сказать вам время. В заводной машине, шестерни приводили бы в движение колеса, которые приводили бы его в движение по вашему полу.
Фото: Выглядит не очень (слева), но даже самая простая заводная игрушка — прекрасный образец миниатюрного машиностроения (справа)! Заведите его, и он будет прыгать на своих розовых пластиковых ножках. Как работают все части, чтобы получился забавный прыгающий человечек? См. пояснение в рамке внизу этой статьи.
Сложение и хранение энергии
Основной закон науки, называемый сохранением энергии говорит нам, что мы ничего не можем делать без энергии. Если вы хотите заводной автомобиль, чтобы проехать по вашему ковру, вы должны дать ему достаточно энергию, чтобы сделать именно это, прежде чем вы отпустите ее; другими словами, вы должны накрутить его.
Боевая пружина
Что происходит, когда вы ветер? Если вы когда-нибудь заводили заводную игрушку, вы узнаете, что ключ (иногда это маленькая пластиковая ручка, называемая корона) может быть довольно жесткой и с трудом поворачивается. Почему это? Когда вы поворачиваете ключ, вы сжимаете крепкую металлическую пружину, называется главной пружиной и накапливает энергию; боевая пружина является механическим эквивалентом батареи. Пружины часового механизма обычно представляют собой толстые витки. из стали, поэтому затягивая их (заставляя их занимать гораздо меньшую пространство) на самом деле довольно тяжелая работа — как в повседневной, так и в научный смысл слова. С каждым поворотом винта пальцы выполняют работу (как мы говорим в науке): они двигаются сила (противодействующая стремлению пружины к расширению) через расстояние, другими словами, сжатие пружины.
Изображение: Типичная заводная пружина часов. Плотно закрученная пружина (красная) полностью содержится внутри цилиндрической коробки, называемой стволом (серая), по краям которой расположены зубья шестерни. Чем длиннее и тоньше пружина, тем больше энергии она может удерживать внутри ствола определенного размера. Изображение из патента США 525 265: Цилиндр главной пружины для часов Agile N. Gauthier, запатентовано 28 августа 1894 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.
Так как вы делаете работу пальцами, вы используете энергию, но эта энергия не исчезает в разреженный воздух: он запасается весной как потенциальная энергия. Затягивать пружину в заводной игрушке — все равно, что толкать американские горки. машина в горку. Так же, как вы можете получить энергию в машине с американскими горками назад, позволив ему скатиться с холма, чтобы вы могли получить энергию от пружину, отпустив ее, чтобы привести в действие часовой механизм — потенциальная энергия равна преобразуется в кинетическую энергию (а также тепловая и звуковая энергия) в жужжащие шестерни.
Если вы хотите, чтобы заводной механизм вас развлекал (или делал что-то полезно) какое-то время, вам нужно дать ему много энергии. Заводные часы а часы спроектированы так, чтобы иметь пружины, которые будут хранить достаточно энергии, чтобы механизм работал сутки и более. Заводной игрушки не так хорошо сделаны (или не так впечатляющи), и если вы получить более минуты или двух развлечений в течение ваших тридцати секунд или так обмотки у вас хорошо получается. В общем, интереснее часовые механизмы, которые работают дольше, имеют большие и прочные пружины, способные накапливать гораздо больше энергии.
Фото: На этой замечательной фотографии показано, как заводная игрушка накапливает энергию. Поверните латунную заводную головку справа, и вы повернете последовательность из трех серебряных шестерен, накапливающих энергию в большой лентовидной главной пружине сзади. Фотография Шейлы Санд, опубликованная на Викискладе под Лицензия Creative Commons (CC BY 2.0).
Сколько именно энергии? Очевидно, размер и напряжение весна имеет решающее значение. Чем тяжелее весна вращаться, и чем дольше вы будете его крутить, тем больше энергии он сохранит. Но вы можете быть гораздо точнее, если хотите: есть математические уравнения, которые говорят вам, какой крутящий момент (крутящая сила) и накопленная энергия, которую вы можете получить с помощью пружины определенной длины, ширины, толщины и жесткости (измеряется по модулю Юнга материала, из которого он сделан). не буду вдаваться в математику более подробно (вы можете найти краткий обзор здесь, если вам интересно). Переходя к делу, неудивительно, что более длинная или более тонкая пружина (та, которую вы можете наматывать вверх с большим количеством витков) накапливает больше энергии, а более короткая или толстая пружина дает больший крутящий момент.
Рекламные ссылки
Использование энергии
Практически все часовые механизмы имеют шестерни, то есть колеса с зубы, которые сцепляются друг с другом. Как вы узнаете, прочитав нашу основной статье о шестернях, обычно есть две причины, по которым вы их используете: заставить колесо вращаться быстрее (с меньшим усилием) или заставить его вращаться сильнее медленно (с большей силой). Часовые механизмы используют шестерни в обоих эти способы. В карманных часах шестерни меняют скорость вращающийся вал, так что он приводит в движение секундную стрелку с одной скоростью, минута стрелка на скорости 1/60, а часовая стрелка на скорости 1/3600. Игрушечные машинки с заводным механизмом часто используют шестеренки, чтобы заставить себя мчаться вперед. удивительная скорость: когда пружина раскручивается, она поворачивает колесо довольно быстро, а затем шестерни увеличивают эту скорость, чтобы управлять автомобилем. колеса еще быстрее. Что-то вроде часового танка будет использовать шестерни наоборот, чтобы он мог преодолевать препятствия: в этом случае колеса (или гусеницы) будут получать мощность от пружины, шагать вниз скорость и в то же время генерировать больше силы подъема (например, низкие передачи вы бы использовали на велосипеде или автомобиле для подъема на холм).
Кулачки и кривошипы
Практически все заводные игрушки используют свою главную пружину для создания мощность вращения — другими словами, чтобы крутить колеса. Если вы хотите их чтобы сделать что-то кроме поворота, вращения или вращения, вы должны использовать кулачок или кривошип для преобразования их вращательного (круговоротного) движения в возвратно-поступательном (возвратно-поступательном) движении.
Когда вы видите идущего мимо заводного робота, он, вероятно, использует рукоятки, приводимые в движение колесами, чтобы приводить в движение его ноги. Колеса вращаются на одном валу, на одном и том же скорость, приводимая в движение шестернями, приводимыми в действие главной пружиной, и каждая нога связана отдельным кривошипом. Одна нога будет соединена с верхней части одного из колес, а другая нога будет соединена с внизу другого колеса. Когда два колеса вращаются, кривошипы будет двигаться не в ногу, и две ноги соединятся с землю попеременно, заставляя робота двигаться вперед.
Анимация: Как два противостоящих рукоятки (синие) могут заставить робота ходить. Кривошип приводится в действие два колеса с приводом от одной оси. Будет ли этот робот на самом деле ходить или просто раскачиваться из стороны в сторону вопрос для обсуждения (и эксперимента).
Медленно движущиеся кулачки — еще один способ заставить заводные игрушки работать интересные вещи, но только изредка. Предположим, вы хотите построить заводной Чарли Чаплин, котелок которого автоматически поднимается в воздух, может быть, каждые 30 секунд или около того, но остается на голове оставшееся время. Вы можете запустить шестеренку от главной пружины игрушки и привести в действие кулачок — колесо в форме яйца с рычагом наверху. Каждый раз точка кулачка достигает вертикали, она поднимет рычаг и шляпа Чарли поднимется в воздух.
Анимация: Как работает кулачок: Когда зеленая кулачка поворачивается, синий ящик поднимается в воздух. Вы можете использовать такой кулачок, приводимый в движение вращающимся колесом, чтобы время от времени что-то происходило. Чем медленнее вращается колесо, тем реже это будет происходить.
Некоторые заводные игрушки, такие как заводной смайлик на нашей верхней фотографии, производят прерывистое движение с использованием более сложных механизмов, таких как женевские приводы (фактически, кривошипы, которые скользят вверх и вниз в пазах).
Как это будет работать на практике?
Если заводную машину заводить как умеешь, то пусть ключ давай, не ставя машину на землю, ты услышишь шестеренки внутри механизма визг и визг, когда пружина отпускает его энергии удивительно быстро. Поскольку сопротивления очень мало, за исключением трение (сила трения между соприкасающимися поверхностями) в коробке передач, на самом деле нет ничего, чтобы механизм работал против, и он может доставлять энергию очень быстро. Положите его на ковер и энергия доставляется намного медленнее (и бесшумно). Сейчас весна должен работать против сопротивления ткани, которая работает как тормоз на колесах и механизмах, которые приводят их в действие.
При разработке заводных игрушек и других устройств всегда нужно учитывать то, что они на самом деле собираются делать (поверхности, над которыми они будут работать, например, и сколько силы им нужно производить через свои шестерни, чтобы сделать свои собственные детали двигаться плавно). Затем вам нужно выбрать пружину, которая может хранить достаточно энергии. чтобы механизм работал какое-то время, и шестерни, которые могут производить нужное количество крутящий момент (крутящая сила), чтобы сделать что-то полезное. У настоящих автомобилей есть коробки передач, поэтому они могут производить больше силы или скорости в соответствии с условиями вождения (начиная с места или мчаться по шоссе), и большие топливные баки, чтобы они могли делать это за приличную количество времени; точно такой же принцип применим к игрушечным машинкам (и другим часовым механизмы).
Короче говоря, это часовой механизм. Кому нужны батарейки, когда заводные механизмы — это так весело?
Как работает заводная игрушка?
Теперь, когда мы рассмотрели основную идею часового механизма, давайте заглянем внутрь настоящего часового механизма: заводной смайлик на нашем верхнем фото. Если вы собираетесь попробовать это, будьте осторожны с главной пружиной: это плотно сжатый кусок металла с острым краем, который может выскочить и ударить вас по лицу. Глаз защита это хорошая идея. .. и берегите себя!
Сначала снимаем желтый внешний корпус и открываем суть механизма. То, что у нас есть, это Женевский драйв, который делает ноги прыгать с перерывами. Вот как это работает:
Вы накручиваете белую пластиковую заводную головку.
Боевая пружина внутри белого корпуса накапливает энергию. Вы можете просто видеть темную, зловещую тень Весна маячит внутри корпуса, как акула, передвигающаяся под водой!
Шестерни внутри корпуса получают энергию от пружины и приводят в движение единственный кривошип снаружи корпуса на достаточно низкая скорость.
Из рукоятки выступает небольшая пластиковая ручка. Поворачиваясь, он перемещается вверх и вниз по розовой щели, раскачиваясь. верхнюю часть ног вперед-назад.
Ноги вращаются на оси, проходящей через них.
Благодаря шарниру, когда верхняя часть ног качается, ступни прыгают вверх и вниз.
Теперь если избавиться от ножек и взломать белый корпус, то можно увидеть сначала редуктор (слева) а затем, сняв шестерни и еще один пластиковый слой, пружину под ней (справа). Вот так выглядит пружина, когда она полностью свернута. Когда он плотно закручен, он полностью помещается внутри белой коробки. Довольно трудно втиснуть прочный металл в такое маленькое пространство, и именно поэтому он может так эффективно накапливать энергию: чем больше вы должны работать, чтобы сжать пружина, тем больше энергии она может удерживать:
Заводные игрушки из прошлого
За века до PlayStation, задолго до появления первых игрушек на батарейках дети все еще нуждались в развлечениях. Еще в 19 веке именно часовой механизм выполнял сложную работу по развлечению детей. Я порылся в архивах Бюро по патентам и товарным знакам США, чтобы найти несколько примеров заводных игрушек, иллюстрирующих принципы, которые я объяснял в этой статье.
Произведение: Простая заводная лодка из патента США 301,846: Игрушка. Лодка Уильяма А. Райта, запатентованная 8 июля 1884 года, любезно предоставлена Управлением по патентам и товарным знакам США.
Первый — это обычная игрушечная лодка с заводным винтом. Вы заводите заводную головку (синюю) вверху, чтобы затянуть главную пружину (красную). По мере того, как пружина медленно раскручивается, она приводит в движение ряд шестерен (зеленые) и центральный карданный вал (оранжевый), который вращает пропеллер (фиолетовый). Это самый простой часовой механизм, который вы только можете себе представить. Единственной технической проблемой для изобретателя было бы выяснить, сколько передач нужно использовать, чтобы пропеллер вращался с нужной скоростью в течение точно нужного времени: не так быстро, чтобы пружина сразу сжималась; не настолько медленно, чтобы лодка действительно никуда не шла.
Произведение: Заводной гимнаст, приводимый в движение кулачковым механизмом из патента США 140,883: Автоматические игрушки Генри Брауэра, запатентованного 15 июля 1873 года, любезно предоставленного Управлением по патентам и товарным знакам США.
Второй пример намного изобретательнее и интереснее, потому что в нем используется кулачок для создания игрушки с более нерегулярными и непредсказуемыми движениями. На рисунке 1 слева мы видим игрушечного гимнаста, руки которого припаяны к центральной зеленой оси, исчезающей в таинственной коробке справа, где спрятан часовой механизм. Благодаря вращающимся рукам гимнаст кувыркается вверх-вниз, вперед-назад, выполняя разнообразные атлетические движения, которые довольно трудно предугадать. Но единственное, что приводит в движение его движения, — это зеленая ось, к которой подключены его руки. Как он работает и как он производит непредсказуемое движение, когда все, что он может делать, это вращаться?
Мы видим механизм справа, который я раскрасил и пронумеровал, чтобы его было легче понять. Вверху (1) находится довольно обычная боевая пружина. Когда он раскручивается, он приводит в действие пару красных шестерен (2), которые сцеплены вместе, поэтому они вращаются в противоположных направлениях. Шестерня слева имеет кулачок, прочно прикрепленный к нему (3). Когда кулачок вращается, он толкает весь вертикальный синий стержень (4) сначала вправо, а затем обратно влево, таким образом, он преобразует вращательное движение шестерни в возвратно-поступательное движение. Синяя полоса поворачивается вокруг точки внизу (5) и довольно прочно удерживается пружиной (фиолетовая), поэтому движется плавно. В середине синей полосы находится желтая шестерня с проходящей через нее осью (6), к которой прикреплены руки гимнастки. Когда синяя полоса движется влево-вправо, влево-вправо, желтая шестеренка попеременно сцепляется с красной шестерней слева, затем с красной шестерней справа и обратно. Две красные шестерни вращаются в противоположных направлениях, поэтому желтая шестерня должна сначала повернуться в одну сторону, а затем в другую, с небольшой паузой, когда она меняет направление. Поскольку желтая шестерня приводит гимнаста в действие, ее постоянные перестановки придают человеку его явно непредсказуемые движения. Просто, но на самом деле весьма гениально!
И вот еще два: кукла, которая использует главную пружину (синяя), чтобы вращать колесо (красное), и кривошип (зеленый), который двигает руками вперед и назад, ползая; и медведь, который раскачивается вверх и вниз, приводимый в действие главной пружиной (синий) и зубчатыми колесами (красные круги), которые управляют различными частями тела с помощью длинных кривошипов внутри тела (красные линии).
Произведения: 1) Кукла с заводным механизмом ползет с помощью кривошипных рук, из патента США 112,550: «Улучшение ползучей куклы» Роберта Клея, запатентованного 14 марта 1871 г.; 2) Заводной медведь кивает вверх и вниз и щелкает своей челюстью, приводимой в действие заводной рукояткой, из патента США 131 849.: усовершенствование механических игрушек, также запатентованное Робертом Клеем 1 октября 1872 г .; оба произведения любезно предоставлены Управлением по патентам и товарным знакам США.
Вы можете найти еще много примеров часовых механизмов в базе данных Управления по патентам и товарным знакам США, которую очень легко найти с помощью Google Patents.
Подробнее
На этом сайте
Оси и колеса
Шестерни
Часы с маятником
Пружины
Книги
Для читателей постарше
Американские заводные игрушки, 1862–1900 гг., Блэр Уиттон. Шиффер, 1981. 224-страничный справочник по классическим заводным игрушкам. Объясняет, как игрушки производились как побочный продукт часовой промышленности. Также доступен для просмотра из Интернет-архив.
Внутреннее устройство часов — простое руководство для любителей часовых механизмов: прочтите книги, 2011 г. Краткое введение в часовой механизм внутри типичных карманных часов. Не имеет непосредственного отношения к заводным игрушкам, но представляет более общий интерес.
Новые и полные часы и руководство для часовщиков Мэри Бут. Джон Уайли, 1869 год. Забудьте дату! Это остается очень полезным введением в механические часы, и (поскольку оно не защищено авторскими правами) вы можете прочитать все это онлайн бесплатно. Он также доступен в Интернет-архив.
Часы: их конструкция, их достоинства и недостатки, как их выбрать и как ими пользоваться, Генри Ф. Пиаже, Мэри Бут. Vinten, 1860. Еще одно хорошее историческое введение с четкими и полезными иллюстрациями таких вещей, как спуск. Вы можете прочитать всю книгу онлайн. Он также доступен в Интернет-архиве.
Практические руководства
Инженер с резиновой лентой: сборка ракет с приводом от рогатки, винтовок с резиновой лентой, нетрадиционных катапульт и других партизанских гаджетов от Домашнего хозяйства Лэнса Акиямы. Rockport, 2016. Если вы не хотите использовать основную пружину, скрученная резинка — еще один простой источник энергии. Эта книга — хороший и безопасный источник вдохновения для младших читателей. Она содержит инструкции примерно для 20 простых механизмов с эластичным приводом.
Заставить вещи двигаться: самодельные механизмы для изобретателей, любителей и художников, Дастин Робертс. TAB/McGraw-Hill, 2011. Отличное введение в принципы работы простых механизмов, за которым следует очень практический взгляд на материалы, источники энергии и такие проблемы, как трение. Включает примеры проектов.
Создай свою собственную машину, ракету и другие вещи Тэмми Энц. Capstone, 2011. Красиво проиллюстрировано и сфотографировано с понятными пошаговыми руководствами по семи простым проектам.
Кинетические приспособления: постройте судно на воздушной подушке, воздушную лодку и многое другое с помощью мотора для хобби, Курт Габриэльсон. Chicago Review Press, 2010. Хотя вещи, описываемые в этой книге, не приводятся в действие часовым механизмом, вы можете легко адаптировать некоторые из них к часовому механизму или энергии эластичной ленты.
Видео
Заводной мобильный телефон нацелен на развивающиеся регионы. Спенсер Келли, BBC News, 2 октября 2009 г. Заводной мобильный телефон предназначен для людей, которым не хватает надежного электроснабжения. Секрет здесь в сверхтонком заводном динамо-машине.
Статьи
Разработка часов на 10 000 лет Дэвид Кушнер, IEEE Spectrum, 27 октября 2011 г. Как спроектировать механические часы, которые будут показывать время на тысячи лет вперед? В этой статье рассматриваются долгосрочные инженерные проблемы, стоящие за «Часами долгого настоящего».
Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.
Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.
Авторские права на текст © Chris Woodford 2010, 2022. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.
Подписывайтесь на нас
Оцените эту страницу
Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.
Сохранить или поделиться этой страницей
Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:
Цитировать эту страницу
Вудфорд, Крис. (2010/2022) Заводные (заводные) механизмы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-clockwork-works.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]
Подробнее на нашем веб-сайте…
Средства связи
Компьютеры
Электричество и электроника
Энергия
Машиностроение
Окружающая среда

Гаджеты
Домашняя жизнь
Материалы
Наука
Инструменты и инструменты
Транспорт
↑ Вернуться к началу
Введение в заводные механизмы
Как работает часовой механизм: Введение в заводные механизмы
Вы здесь: Домашняя страница > Инжиниринг > Заводной
Дом
индекс А-Я
Случайная статья
Хронология
Учебное пособие
О нас
Конфиденциальность и файлы cookie
Реклама
org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 29 марта 2022 г.
Батарейки в комплект не входят. разочаровывающие слова, которые вы можете прочитать, когда покупаете новую игрушку. В 1970-е годы а раньше это не было такой большой проблемой, потому что подавляющее большинство игрушки работали совершенно по-другому. Вместо использования электричества химически хранящиеся в батареях, они полагались на энергию заводки и часовые механизмы. Заводной механизм, безусловно, выдержал испытание времени: самое раннее часовое устройство, известное как Антикитера механизм, восходит к Древней Греции и считается по крайней мере 2000 лет. Почему технология часовых механизмов была такой твердой любимый так долго? Как именно это работает? Давайте поближе смотреть!
Фото: «Часовой механизм» — буквально то, как работают часы. Это часовой механизм внутри башенных часов Union Station в Портленде, штат Орегон, датируемых 1896 годом. Фото: фотографии из архива Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, отдел эстампов и фотографий.
Содержание
Что такое часовой механизм?
Добавление и хранение энергии
Использование энергии
Кулачки и кривошипы
Как это будет работать на практике?
Как работает заводная игрушка?
Заводные игрушки из прошлого
Узнать больше
Что такое часовой механизм?
Часовой механизм буквально означает «работающий как часы». очевидно! Но большинство современных часов электронные: питание от электричество и регулируется кристаллами кварца, они имеют относительно мало движущихся частей. Если вы хотите понять часовой механизм, вам нужно понять, как работали часы в те дни, когда вы заводили их ключом. Подобно старомодным часам, часовой механизм полностью механический и имеет следующие основные части:
Ключ (или корона), который вы закручиваете, чтобы добавить энергии.
Спиральная пружина для накопления энергии, добавляемой ключом. (Маятниковые часы накапливают энергию с грузами, которые поднимаются и опускаются, но в других часах и заводных наручных часах вместо них используются пружины.)
Набор шестерен, через которые высвобождается энергия пружины. Шестерни определяют, насколько быстро (или медленно) работает часовой механизм. вещи, но они также контролируют, какую силу он может произвести (возможно, для лазания по склонам).
Механизм, приводящий в движение шестерни, который делает устройство полезным или интересные вещи. В часах механизм — это набор стрелок которые вращаются вокруг циферблата, чтобы сказать вам время. В заводной машине, шестерни приводили бы в движение колеса, которые приводили бы его в движение по вашему полу.
Фото: Выглядит не очень (слева), но даже самая простая заводная игрушка — прекрасный образец миниатюрного машиностроения (справа)! Заведите его, и он будет прыгать на своих розовых пластиковых ножках. Как работают все части, чтобы получился забавный прыгающий человечек? См. пояснение в рамке внизу этой статьи.
Сложение и хранение энергии
Основной закон науки, называемый сохранением энергии говорит нам, что мы ничего не можем делать без энергии. Если вы хотите заводной автомобиль, чтобы проехать по вашему ковру, вы должны дать ему достаточно энергию, чтобы сделать именно это, прежде чем вы отпустите ее; другими словами, вы должны накрутить его.
Боевая пружина
Что происходит, когда вы ветер? Если вы когда-нибудь заводили заводную игрушку, вы узнаете, что ключ (иногда это маленькая пластиковая ручка, называемая корона) может быть довольно жесткой и с трудом поворачивается. Почему это? Когда вы поворачиваете ключ, вы сжимаете крепкую металлическую пружину, называется главной пружиной и накапливает энергию; боевая пружина является механическим эквивалентом батареи. Пружины часового механизма обычно представляют собой толстые витки. из стали, поэтому затягивая их (заставляя их занимать гораздо меньшую пространство) на самом деле довольно тяжелая работа — как в повседневной, так и в научный смысл слова. С каждым поворотом винта пальцы выполняют работу (как мы говорим в науке): они двигаются сила (противодействующая стремлению пружины к расширению) через расстояние, другими словами, сжатие пружины.
Изображение: Типичная заводная пружина часов. Плотно закрученная пружина (красная) полностью содержится внутри цилиндрической коробки, называемой стволом (серая), по краям которой расположены зубья шестерни. Чем длиннее и тоньше пружина, тем больше энергии она может удерживать внутри ствола определенного размера. Изображение из патента США 525 265: Цилиндр главной пружины для часов Agile N. Gauthier, запатентовано 28 августа 1894 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.
Так как вы делаете работу пальцами, вы используете энергию, но эта энергия не исчезает в разреженный воздух: он запасается весной как потенциальная энергия. Затягивать пружину в заводной игрушке — все равно, что толкать американские горки. машина в горку. Так же, как вы можете получить энергию в машине с американскими горками назад, позволив ему скатиться с холма, чтобы вы могли получить энергию от пружину, отпустив ее, чтобы привести в действие часовой механизм — потенциальная энергия равна преобразуется в кинетическую энергию (а также тепловая и звуковая энергия) в жужжащие шестерни.
Если вы хотите, чтобы заводной механизм вас развлекал (или делал что-то полезно) какое-то время, вам нужно дать ему много энергии. Заводные часы а часы спроектированы так, чтобы иметь пружины, которые будут хранить достаточно энергии, чтобы механизм работал сутки и более. Заводной игрушки не так хорошо сделаны (или не так впечатляющи), и если вы получить более минуты или двух развлечений в течение ваших тридцати секунд или так обмотки у вас хорошо получается. В общем, интереснее часовые механизмы, которые работают дольше, имеют большие и прочные пружины, способные накапливать гораздо больше энергии.
Фото: На этой замечательной фотографии показано, как заводная игрушка накапливает энергию. Поверните латунную заводную головку справа, и вы повернете последовательность из трех серебряных шестерен, накапливающих энергию в большой лентовидной главной пружине сзади. Фотография Шейлы Санд, опубликованная на Викискладе под Лицензия Creative Commons (CC BY 2.0).
Сколько именно энергии? Очевидно, размер и напряжение весна имеет решающее значение. Чем тяжелее весна вращаться, и чем дольше вы будете его крутить, тем больше энергии он сохранит. Но вы можете быть гораздо точнее, если хотите: есть математические уравнения, которые говорят вам, какой крутящий момент (крутящая сила) и накопленная энергия, которую вы можете получить с помощью пружины определенной длины, ширины, толщины и жесткости (измеряется по модулю Юнга материала, из которого он сделан). не буду вдаваться в математику более подробно (вы можете найти краткий обзор здесь, если вам интересно). Переходя к делу, неудивительно, что более длинная или более тонкая пружина (та, которую вы можете наматывать вверх с большим количеством витков) накапливает больше энергии, а более короткая или толстая пружина дает больший крутящий момент.
Рекламные ссылки
Использование энергии
Практически все часовые механизмы имеют шестерни, то есть колеса с зубы, которые сцепляются друг с другом. Как вы узнаете, прочитав нашу основной статье о шестернях, обычно есть две причины, по которым вы их используете: заставить колесо вращаться быстрее (с меньшим усилием) или заставить его вращаться сильнее медленно (с большей силой). Часовые механизмы используют шестерни в обоих эти способы. В карманных часах шестерни меняют скорость вращающийся вал, так что он приводит в движение секундную стрелку с одной скоростью, минута стрелка на скорости 1/60, а часовая стрелка на скорости 1/3600. Игрушечные машинки с заводным механизмом часто используют шестеренки, чтобы заставить себя мчаться вперед. удивительная скорость: когда пружина раскручивается, она поворачивает колесо довольно быстро, а затем шестерни увеличивают эту скорость, чтобы управлять автомобилем. колеса еще быстрее. Что-то вроде часового танка будет использовать шестерни наоборот, чтобы он мог преодолевать препятствия: в этом случае колеса (или гусеницы) будут получать мощность от пружины, шагать вниз скорость и в то же время генерировать больше силы подъема (например, низкие передачи вы бы использовали на велосипеде или автомобиле для подъема на холм).
Кулачки и кривошипы
Практически все заводные игрушки используют свою главную пружину для создания мощность вращения — другими словами, чтобы крутить колеса. Если вы хотите их чтобы сделать что-то кроме поворота, вращения или вращения, вы должны использовать кулачок или кривошип для преобразования их вращательного (круговоротного) движения в возвратно-поступательном (возвратно-поступательном) движении.
Когда вы видите идущего мимо заводного робота, он, вероятно, использует рукоятки, приводимые в движение колесами, чтобы приводить в движение его ноги. Колеса вращаются на одном валу, на одном и том же скорость, приводимая в движение шестернями, приводимыми в действие главной пружиной, и каждая нога связана отдельным кривошипом. Одна нога будет соединена с верхней части одного из колес, а другая нога будет соединена с внизу другого колеса. Когда два колеса вращаются, кривошипы будет двигаться не в ногу, и две ноги соединятся с землю попеременно, заставляя робота двигаться вперед.
Анимация: Как два противостоящих рукоятки (синие) могут заставить робота ходить. Кривошип приводится в действие два колеса с приводом от одной оси. Будет ли этот робот на самом деле ходить или просто раскачиваться из стороны в сторону вопрос для обсуждения (и эксперимента).
Медленно движущиеся кулачки — еще один способ заставить заводные игрушки работать интересные вещи, но только изредка. Предположим, вы хотите построить заводной Чарли Чаплин, котелок которого автоматически поднимается в воздух, может быть, каждые 30 секунд или около того, но остается на голове оставшееся время. Вы можете запустить шестеренку от главной пружины игрушки и привести в действие кулачок — колесо в форме яйца с рычагом наверху. Каждый раз точка кулачка достигает вертикали, она поднимет рычаг и шляпа Чарли поднимется в воздух.
Анимация: Как работает кулачок: Когда зеленая кулачка поворачивается, синий ящик поднимается в воздух. Вы можете использовать такой кулачок, приводимый в движение вращающимся колесом, чтобы время от времени что-то происходило. Чем медленнее вращается колесо, тем реже это будет происходить.
Некоторые заводные игрушки, такие как заводной смайлик на нашей верхней фотографии, производят прерывистое движение с использованием более сложных механизмов, таких как женевские приводы (фактически, кривошипы, которые скользят вверх и вниз в пазах).
Как это будет работать на практике?
Если заводную машину заводить как умеешь, то пусть ключ давай, не ставя машину на землю, ты услышишь шестеренки внутри механизма визг и визг, когда пружина отпускает его энергии удивительно быстро. Поскольку сопротивления очень мало, за исключением трение (сила трения между соприкасающимися поверхностями) в коробке передач, на самом деле нет ничего, чтобы механизм работал против, и он может доставлять энергию очень быстро. Положите его на ковер и энергия доставляется намного медленнее (и бесшумно). Сейчас весна должен работать против сопротивления ткани, которая работает как тормоз на колесах и механизмах, которые приводят их в действие.
При разработке заводных игрушек и других устройств всегда нужно учитывать то, что они на самом деле собираются делать (поверхности, над которыми они будут работать, например, и сколько силы им нужно производить через свои шестерни, чтобы сделать свои собственные детали двигаться плавно). Затем вам нужно выбрать пружину, которая может хранить достаточно энергии. чтобы механизм работал какое-то время, и шестерни, которые могут производить нужное количество крутящий момент (крутящая сила), чтобы сделать что-то полезное. У настоящих автомобилей есть коробки передач, поэтому они могут производить больше силы или скорости в соответствии с условиями вождения (начиная с места или мчаться по шоссе), и большие топливные баки, чтобы они могли делать это за приличную количество времени; точно такой же принцип применим к игрушечным машинкам (и другим часовым механизмы).
Короче говоря, это часовой механизм. Кому нужны батарейки, когда заводные механизмы — это так весело?
Как работает заводная игрушка?
Теперь, когда мы рассмотрели основную идею часового механизма, давайте заглянем внутрь настоящего часового механизма: заводной смайлик на нашем верхнем фото. Если вы собираетесь попробовать это, будьте осторожны с главной пружиной: это плотно сжатый кусок металла с острым краем, который может выскочить и ударить вас по лицу. Глаз защита это хорошая идея. .. и берегите себя!
Сначала снимаем желтый внешний корпус и открываем суть механизма. То, что у нас есть, это Женевский драйв, который делает ноги прыгать с перерывами. Вот как это работает:
Вы накручиваете белую пластиковую заводную головку.
Боевая пружина внутри белого корпуса накапливает энергию. Вы можете просто видеть темную, зловещую тень Весна маячит внутри корпуса, как акула, передвигающаяся под водой!
Шестерни внутри корпуса получают энергию от пружины и приводят в движение единственный кривошип снаружи корпуса на достаточно низкая скорость.
Из рукоятки выступает небольшая пластиковая ручка. Поворачиваясь, он перемещается вверх и вниз по розовой щели, раскачиваясь. верхнюю часть ног вперед-назад.
Ноги вращаются на оси, проходящей через них.
Благодаря шарниру, когда верхняя часть ног качается, ступни прыгают вверх и вниз.
Теперь если избавиться от ножек и взломать белый корпус, то можно увидеть сначала редуктор (слева) а затем, сняв шестерни и еще один пластиковый слой, пружину под ней (справа). Вот так выглядит пружина, когда она полностью свернута. Когда он плотно закручен, он полностью помещается внутри белой коробки. Довольно трудно втиснуть прочный металл в такое маленькое пространство, и именно поэтому он может так эффективно накапливать энергию: чем больше вы должны работать, чтобы сжать пружина, тем больше энергии она может удерживать:
Заводные игрушки из прошлого
За века до PlayStation, задолго до появления первых игрушек на батарейках дети все еще нуждались в развлечениях. Еще в 19 веке именно часовой механизм выполнял сложную работу по развлечению детей. Я порылся в архивах Бюро по патентам и товарным знакам США, чтобы найти несколько примеров заводных игрушек, иллюстрирующих принципы, которые я объяснял в этой статье.
Произведение: Простая заводная лодка из патента США 301,846: Игрушка. Лодка Уильяма А. Райта, запатентованная 8 июля 1884 года, любезно предоставлена Управлением по патентам и товарным знакам США.
Первый — это обычная игрушечная лодка с заводным винтом. Вы заводите заводную головку (синюю) вверху, чтобы затянуть главную пружину (красную). По мере того, как пружина медленно раскручивается, она приводит в движение ряд шестерен (зеленые) и центральный карданный вал (оранжевый), который вращает пропеллер (фиолетовый). Это самый простой часовой механизм, который вы только можете себе представить. Единственной технической проблемой для изобретателя было бы выяснить, сколько передач нужно использовать, чтобы пропеллер вращался с нужной скоростью в течение точно нужного времени: не так быстро, чтобы пружина сразу сжималась; не настолько медленно, чтобы лодка действительно никуда не шла.
Произведение: Заводной гимнаст, приводимый в движение кулачковым механизмом из патента США 140,883: Автоматические игрушки Генри Брауэра, запатентованного 15 июля 1873 года, любезно предоставленного Управлением по патентам и товарным знакам США.
Второй пример намного изобретательнее и интереснее, потому что в нем используется кулачок для создания игрушки с более нерегулярными и непредсказуемыми движениями. На рисунке 1 слева мы видим игрушечного гимнаста, руки которого припаяны к центральной зеленой оси, исчезающей в таинственной коробке справа, где спрятан часовой механизм. Благодаря вращающимся рукам гимнаст кувыркается вверх-вниз, вперед-назад, выполняя разнообразные атлетические движения, которые довольно трудно предугадать. Но единственное, что приводит в движение его движения, — это зеленая ось, к которой подключены его руки. Как он работает и как он производит непредсказуемое движение, когда все, что он может делать, это вращаться?
Мы видим механизм справа, который я раскрасил и пронумеровал, чтобы его было легче понять. Вверху (1) находится довольно обычная боевая пружина. Когда он раскручивается, он приводит в действие пару красных шестерен (2), которые сцеплены вместе, поэтому они вращаются в противоположных направлениях. Шестерня слева имеет кулачок, прочно прикрепленный к нему (3). Когда кулачок вращается, он толкает весь вертикальный синий стержень (4) сначала вправо, а затем обратно влево, таким образом, он преобразует вращательное движение шестерни в возвратно-поступательное движение. Синяя полоса поворачивается вокруг точки внизу (5) и довольно прочно удерживается пружиной (фиолетовая), поэтому движется плавно. В середине синей полосы находится желтая шестерня с проходящей через нее осью (6), к которой прикреплены руки гимнастки. Когда синяя полоса движется влево-вправо, влево-вправо, желтая шестеренка попеременно сцепляется с красной шестерней слева, затем с красной шестерней справа и обратно. Две красные шестерни вращаются в противоположных направлениях, поэтому желтая шестерня должна сначала повернуться в одну сторону, а затем в другую, с небольшой паузой, когда она меняет направление. Поскольку желтая шестерня приводит гимнаста в действие, ее постоянные перестановки придают человеку его явно непредсказуемые движения. Просто, но на самом деле весьма гениально!
И вот еще два: кукла, которая использует главную пружину (синяя), чтобы вращать колесо (красное), и кривошип (зеленый), который двигает руками вперед и назад, ползая; и медведь, который раскачивается вверх и вниз, приводимый в действие главной пружиной (синий) и зубчатыми колесами (красные круги), которые управляют различными частями тела с помощью длинных кривошипов внутри тела (красные линии).
Произведения: 1) Кукла с заводным механизмом ползет с помощью кривошипных рук, из патента США 112,550: «Улучшение ползучей куклы» Роберта Клея, запатентованного 14 марта 1871 г.; 2) Заводной медведь кивает вверх и вниз и щелкает своей челюстью, приводимой в действие заводной рукояткой, из патента США 131 849.: усовершенствование механических игрушек, также запатентованное Робертом Клеем 1 октября 1872 г .; оба произведения любезно предоставлены Управлением по патентам и товарным знакам США.
Вы можете найти еще много примеров часовых механизмов в базе данных Управления по патентам и товарным знакам США, которую очень легко найти с помощью Google Patents.
Подробнее
На этом сайте
Оси и колеса
Шестерни
Часы с маятником
Пружины
Книги
Для читателей постарше
Американские заводные игрушки, 1862–1900 гг., Блэр Уиттон. Шиффер, 1981. 224-страничный справочник по классическим заводным игрушкам. Объясняет, как игрушки производились как побочный продукт часовой промышленности. Также доступен для просмотра из Интернет-архив.
Внутреннее устройство часов — простое руководство для любителей часовых механизмов: прочтите книги, 2011 г. Краткое введение в часовой механизм внутри типичных карманных часов. Не имеет непосредственного отношения к заводным игрушкам, но представляет более общий интерес.
Новые и полные часы и руководство для часовщиков Мэри Бут. Джон Уайли, 1869 год. Забудьте дату! Это остается очень полезным введением в механические часы, и (поскольку оно не защищено авторскими правами) вы можете прочитать все это онлайн бесплатно. Он также доступен в Интернет-архив.
Часы: их конструкция, их достоинства и недостатки, как их выбрать и как ими пользоваться, Генри Ф. Пиаже, Мэри Бут. Vinten, 1860. Еще одно хорошее историческое введение с четкими и полезными иллюстрациями таких вещей, как спуск. Вы можете прочитать всю книгу онлайн. Он также доступен в Интернет-архиве.
Практические руководства
Инженер с резиновой лентой: сборка ракет с приводом от рогатки, винтовок с резиновой лентой, нетрадиционных катапульт и других партизанских гаджетов от Домашнего хозяйства Лэнса Акиямы. Rockport, 2016. Если вы не хотите использовать основную пружину, скрученная резинка — еще один простой источник энергии. Эта книга — хороший и безопасный источник вдохновения для младших читателей. Она содержит инструкции примерно для 20 простых механизмов с эластичным приводом.
Заставить вещи двигаться: самодельные механизмы для изобретателей, любителей и художников, Дастин Робертс. TAB/McGraw-Hill, 2011. Отличное введение в принципы работы простых механизмов, за которым следует очень практический взгляд на материалы, источники энергии и такие проблемы, как трение. Включает примеры проектов.
Создай свою собственную машину, ракету и другие вещи Тэмми Энц. Capstone, 2011. Красиво проиллюстрировано и сфотографировано с понятными пошаговыми руководствами по семи простым проектам.
Кинетические приспособления: постройте судно на воздушной подушке, воздушную лодку и многое другое с помощью мотора для хобби, Курт Габриэльсон. Chicago Review Press, 2010. Хотя вещи, описываемые в этой книге, не приводятся в действие часовым механизмом, вы можете легко адаптировать некоторые из них к часовому механизму или энергии эластичной ленты.
Видео
Заводной мобильный телефон нацелен на развивающиеся регионы. Спенсер Келли, BBC News, 2 октября 2009 г. Заводной мобильный телефон предназначен для людей, которым не хватает надежного электроснабжения. Секрет здесь в сверхтонком заводном динамо-машине.
Статьи
Разработка часов на 10 000 лет Дэвид Кушнер, IEEE Spectrum, 27 октября 2011 г. Как спроектировать механические часы, которые будут показывать время на тысячи лет вперед? В этой статье рассматриваются долгосрочные инженерные проблемы, стоящие за «Часами долгого настоящего».
Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.
Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.
Авторские права на текст © Chris Woodford 2010, 2022. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.
Подписывайтесь на нас
Оцените эту страницу
Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.
Сохранить или поделиться этой страницей
Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:
Цитировать эту страницу
Вудфорд, Крис.
Устройство часового механизма: устройство, принцип работы, виды и типы