Часы с шариковым маятником
Часы есть в каждом доме. Зачем же строить их самостоятельно, если по точности они едва ли будут сравнимы даже с дешевым будильником? Все так, но не будем забывать, что часы не только служат для измерения времени, а представляют собой физический прибор, в котором находят приложение интересные технические решения.
Взять хотя бы маятник. Казалось бы, что здесь можно придумать? А вот в часах, построенных А. С. Абрамовым — роль маятника выполняет механизм с коромыслом, по которому перекатывается металлический шарик. Интересная идея, не правда ли?
Как же работает необычный маятник? Посмотрите на нижний рисунок. Изогнутое проволочное коромысло 1 качается относительно оси 2, и в зависимости от наклона по нему перекатывается шарик 3. С коромыслом жестко связана проволочная рамка-кулиса 4, внутри которой перемещается палец кривошипа 5.
Кривошип укреплен на оси.
Коромысло через кулису создает сопротивление вращению оси. Оно зависит от положения шарика на коромысле. Когда шарик посередине — сопротивление минимально. По мере того как шарик перекатывается в одно из крайних положений, оно возрастает. В результате ось кривошипа вращается с постоянной средней скоростью. И стало быть, ее можно через соответствующую передачу заставить вращать стрелки. Получатся… часы.
Расскажем еще о некоторых хитростях устройства маятника. Чтобы его ход был «мягким», кулиса соединяется со станиной 6 пластинчатой пружиной. Это может быть кусок лезвия безопасной бритвы. Коромысло лучше всего выгнуть из стальной спицы для вязания. Его длина 100 — 150 мм. Все прочие детали из жести от консервных банок. Материалом для кулисы и кривошипа послужит канцелярская скрепка. Ось — вязальная спица диаметром 1,5 мм.
Коромысло выгибается по дуге окружности. Нам не удалось найти в литературе расчета длительности периода колебаний (Т) подобных маятников. Но для прикидки можно использовать формулу математического маятника:
где R — радиус дуги окружности, по которой изогнуто коромысло, выраженный в метрах.
Шарик маятника — от подшипника диаметром 10 — 15 мм. Роль коромысла с шариком может выполнять и изогнутая прозрачная кювета, частично наполненная водой. А приводить во вращение ось кривошипа можно с помощью намотанной на нее нити с гирей на конце.
Если вы решили приспособить устройство к часам, лучше воспользоваться старым механизмом. Но до этого давайте познакомимся с устройством обычных маятниковых часов.
На верхнем рисунке изображена упрощенная схема ходиков. Опускающаяся гиря 1 через цепочку (нить) и барабан вращает ось 2 минутной стрелки 3. На этой же оси расположена часовая стрелка. Она вращается от минутной через замедляющую передачу 4. Передача устроена так, что один оборот часовой стрелки совершается за 12 оборотов часовой оси. Часовая ось должна совершать один оборот ровно за один час. Но гиря с цепочкой, если дать им волю, сделает это за несколько секунд. Потому их «нрав» сдерживают маятник и ускоряющая передача, составленная из цепочки зубчатых колес. Решающая роль здесь принадлежит храповику 5 и анкеру 6, укрепленному на стержне маятника 7.
Вот как это происходит. Пока анкер находится в зацеплении с зубцами храповика, последний почти не движется. Действующий на его ободе вращающий момент, конечно, передается маятнику, но сколь-нибудь значительно изменить скорость не может.
Лишь в одном из крайних положений маятника анкер выйдет из зацепления с зубцами храповика. Это произойдет на какое-то мгновение, измеряемое сотой долей периода колебаний маятника, и храповик успеет повернуться ровно на один зуб. Средняя скорость вращения оси храповика останется постоянной. Вспомним, таким же свойством обладает и ось вращения кулачка шарикового маятника. Так что для преобразования часов достаточно выбросить из ходиков маятник с анкером, а ось храповика соединить с осью шарикового маятника. Но поскольку у последнего ось вращается в 5—10 раз быстрее храповика, нужна дополнительная замедляющая передача. Проще всего ее сделать, посадив на ось храповика шкивок диаметром 30— 40 мм, а на ось кривошипа шкивок поменьше и соединить их резиновым пассиком.
Мы не даем в этой статье рабочие чертежи. Вероятно, вам и самим будет приятно поломать над ними голову.
Конечно, можно воспользоваться не только ходиками, но и любыми часами с пружиной. Роль маятника в них выполняет особое колесо — балансир, анкер и храповик почти такие же, как у ходиков.
А. Николаев
журнал “Юный техник”