Czy szybszy znaczy bardziej precyzyjny?

[Zel Gadis 5]

Czy szybszy znaczy bardziej precyzyjny?

 

Walt Arnstein

Wprowadzenie

 

W pierwszej połowie XX wieku, zegarki mechaniczne działały najczęściej wg. standardu obejmującego 5 uderzeń na sekundę lub 18 tysięcy uderzeń na godzinę. Zakres częstotliwości uderzeń był podyktowany rozmaitymi czynnikami, tj. duży rozmiar mechanizmu balansowego w zegarku kieszonkowym, które wymagało specjalnego ustawienia napięcia sprężyny głównej; koniecznością stosowania zaawansowanych materiałów i smarów; a także nie mniej znaczącej, daleko rozwiniętej umiejętności zegarmistrza do projektowania lub składania zegarków zarówno kieszonkowych jak i na rękę ? o nieprzeciętnym parametrze dokładności 5 uderzeń na sekundę.

 

Model Minerva Pythagore jest wyposażony we wspomniany powyżej mechanizm. Zaprojektowany w 1943 roku, jest faktycznie niezmieniony, z możliwością ręcznego nakręcania , bez opcji wyświetlania daty, wstawionym mechanizmem balansowym oraz mechanizmem wychwytowym 5 uderzeń na sekundę. Niemniej jednak, jego precyzyjność, jak wynika z badań, jest rezultatem szeregu czynności, skrupulatnie przeprowadzanych w fazie montażu i testowania. W obliczu obecnych kosztów produkcji i nielicznej grupy wykwalifikowanych zegarmistrzów, takie indywidualne podejście do produkcji generuje wzrost kosztów, stąd jakakolwiek zmiana, która mogłaby go zmniejszyć jest przez producentów zawsze mile widziana. Przykładem takiej zmiany może być zastosowanie wyższej częstotliwości uderzeń.

 

Pod koniec lat czterdziestych, wielu producentów wprowadziło mechanizm opierający się na częstotliwości 6 uderzeń na sekundę lub 21600 uderzeń na godzinę. I tak rozpoczęła się walka o częstotliwość z wykorzystaniem sztucznych smarów, w niektórych przypadkach smarów suchego typu.

 

Obecnie, częstotliwość 8 uderzeń na sekundę (28 800 na godzinę) jest całkiem powszechnie spotykana, a niektóre zegarki osiągają parametr 10 uderzeń na sekundę (36 000 na godzinę). Ogólnie rzecz biorąc, wiele z tych zegarków działa zauważalnie lepiej niż modele porównywalnej jakości z częstotliwością uderzeń

 

5 lub 6 na sekundę. Mówiąc inaczej, istnieje możliwość uzyskania danego poziomu precyzyjności tańszym kosztem w zegarku z większą niż w modelu z mniejszą częstotliwością uderzeń. Jak uzasadnić przewagę zegarków z wyższym wskaźnikiem uderzeń nad ich odpowiednikami podobnej jakości o wskaźniku niższym? Odpowiedź jest ukryta w podstawowych prawach fizyki i teorii kontroli, a artykuł ten zgłębi ją szczegółowo.

 

Wychwyt jako zredukowany układ wahadłowy

 

W zegarku mechanicznym, wychwyt w terminologii technicznej oznacza

 

układ wahadłowy delikatnie sterowany impulsem w odstępach sekundowych. Innymi słowy, element wibrujący- sprzężenie koła balansowego i cienkiej sprężyny- który oscyluje zgodnie ze swoją naturalna częstotliwością, tracąc przy każdym wahnięciu niewielką ilość energii.

 

Energia, którą traci jest odzyskiwana w takiej samej ilości poprzez impuls z ząbka koła wychwytowego uruchamiając przy pomocy sprężyny główną przekładnię napędu zegarka i uderzając metalową częścią koła wychwytowego w paletę zębatą nadając w ten sposób kołu balansowemu równy moment obrotowy. Zetknięcie się koła wychwytowego z paletą daje charakterystyczny dźwięk tykania zegarka. Gdy wychwyt jest odpowiednio wyregulowany, koło balansowe osadza się w stałym trybie obrotowym, w którym podtrzymuje stały zakres wahnięć. Brzmi nieskomplikowanie i takie też jest, pod warunkiem, że nie pojawią się żadne zakłócenia z jak np. impulsy zewnętrzne spowodowane mechanicznymi wstrząsami, wibracjami, ruchami w obrębie trzpienia osi.

 

W dziedzinie nauki zajmującej się systemem kontroli takie zakłócenia stanowią pewne wymuszenia, które nie pozostają bez wpływu na koło balansowe, a zwłaszcza na jego chwilową pozycję. Zmiana pozycji koła balansowego jest równoznaczna ze zmianą częstotliwości uderzeń, co ujmując inaczej skutkuje drobnymi błędami wskazywania czasu.

 

Po dłuższym czasie błędy te doprowadzają do pogorszenia stopnia precyzyjności. Jak pod względem ilościowym mechanizm wychwytowy odbiera zakłócenia? Reakcja na zakłócenia wynika z naturalnej częstotliwości wychwytu, tj. wskaźnika uderzeń oraz dystrybucji częstotliwości zakłóceń. Te dwa pojęcia będą rozważane w następnym rozdziale.

 

 

 

Pojęcie rozdziału częstotliwości i charakterystyka częstotliwości.

 

Jeśli trzymamy zegarek w ręce tarczą do góry i poruszamy raz w kierunku jednego boku, raz w kierunku drugiego po linii prostej, nie zauważymy żadnej zmiany w zegarku, gdyż koło balansowe jest wyważane w różnych płaszczyznach. Nie zaobserwujemy żadnych zakłóceń również w trakcie poruszania zegarka w górę i w dół. Koło balansowe, krótko mówiąc, jest odporne na jakiekolwiek przyspieszenie w ruchu liniowym. Jak dotąd, wszystko wydaje się jasne. Jednak przy modyfikacji przez wprowadzenie prędkości obrotowej wokół osi koła balansowego, sytuacja będzie wyglądała inaczej.

 

Zakłócenia rotacyjne pojawiające się wokół osi układu wahadłowego prowadzą do zwiększenia lub stawienia oporu stałemu ruchowi wahadłowemu. Jest to zupełnie inny rodzaj zaburzenia. Szczególnie, jeśli to zaburzenie rotacyjne jest odpowiedniej częstotliwości, może ono zwolnić lub przyspieszyć ruch wahadłowy układu koła i sprężyny i tym samym zmienić jego stały bieg. Z biegiem czasu może to doprowadzić do nasilenia się błędu wskazywania czasu.

 

Czy zwykle poddajemy nasze zegarki podobnym, opisanym wyżej zakłóceniom? Można się o to założyć. Ruch naszych rąk w toku codziennych czynności jest złożoną kombinacją liniowych i obrotowych prędkości. Ponadto, kombinacja ta ma stale zmieniający się rozdział częstotliwości, który może być zamieniony na poszczególne części składowe przy pomocy metody Analizy Fouriera. Innymi słowy, ruch nadgarstkiem lub ręką może być opisany w kategoriach części składowych o drobnych częstotliwościach różniących się wielkością, związanych z ruchem obrotowym wpływających na przewidywalny ruch koła balansowego. Sporządza się tabele rozdziału częstotliwości lub spektrum częstotliwości rotacyjnego ruchu ręki.

 

Skupmy się teraz na układzie wychwytowym zegarka. Trzymając go w opisanej wcześniej pozycji (tarczą do góry) i bardzo wolno i delikatnie przez 3 sekundy, obracając tam i z powrotem wokół osi wskazówek (tym samym wokół osi koła balansowego), nie zauważymy żadnej reakcji mechanizmu wychwytowego. Ale jeśli stopniowo zaczniemy zwiększać częstotliwość tych obrotów, mechanizm zegarka zacznie reagować, tak samo jak ciężka stalowa uszczelka zwisająca na końcu gumki recepturki podczas miarowego przesuwania drugiego końca gumki w górę i w dół.

 

Wielkość reakcji będzie się zwiększać przy zbliżaniu się do naturalnej częstotliwości wychwytu- 2.5 Hz przy 5 uderzeniach na sekundę , 3 Hz przy 6 uderzeniach na sekundę itd., mniej więcej lub dokładnie przy tej częstotliwości wychwyt zacząłby fiksować.

 

Zasięg wahań zwiększałby się dopóki koło balansowe nie zaczęłoby uderzać do momentu roztrzaskania. Zauważylibyśmy, że przy takich zaburzeniach w obrębie częstotliwości normalnych uderzeń wychwytu, rzeczywista częstotliwość uderzeń zmieniałaby się delikatnie w kierunku zaburzenia. Gdybyśmy nadal wykonywali obroty zegarka tam i z powrotem przy zwiększonej częstotliwości przekraczającej naturalny wskaźnik ruchu, reakcja wychwytu stopniowo by się zmniejszała i powracała do mniej więcej normalnego trybu. Tak więc, gdybyśmy sporządzili wykres zasięgu reakcji jako funkcji zaburzeń częstotliwości, uzyskalibyśmy krzywą z wyraźnie zarysowanym i szerokim wierzchołkiem przy normalnej częstotliwości wychwytu (wskaźnik 1/2 uderzenia) gwałtownie opadającą z obu stron wierzchołka. Zarysowałby się dodatkowo jeden lub dwa wierzchołki przy niektórych wielokrotnościach podstawowej częstotliwości, ale byłyby one stosunkowo małe. Taki rodzaj wykresu jest nazywany charakterystyką częstotliwości wychwytu i oznacza reakcję wychwytu na zewnętrzne cykliczne zaburzenia rotacyjne mechanizmu. Aby opisana zależność częstotliwości była wiarygodna należy uświadomić sobie, że zewnętrzne zakłócenia muszą mieć mały zasięg w porównaniu do zasięgu normalnych wahań układu wychwytowego. Z wyżej opisanego wykresu wynika, że zegarek będzie tykał prawidłowo jeśli nie zostanie poddany zakłóceniom przy jego lub blisko jego podstawowej częstotliwości wahań. Potem pojawią się już tylko problemy.

 

 

Rozdział częstotliwości ruchów osoby noszącej zegarek

 

Zegarek przypięty do nadgarstka jest niejako amortyzowany przez mięśnie, a umiejscowiony prawie na końcu ludzkiej ręki, jest ruchowo ograniczony wyłącznie do poruszania się bez nadmiernych prędkości.

 

W rzeczywistości, jeśli zegarek nie zetknie się bezpośrednio ze ścianą lub podłogą pokrytą terakotą, jest dobrze zabezpieczony.

 

Trzeba przyznać, że złożoność czynności wykonywanych codziennie obejmuje wiele drobnych ruchów obrotowych, z których część występuje cyklicznie. Jak wspomniano wcześniej, wszystkie te ruchy mogą być opisywane jako elementy liniowe lub obrotowe oraz mogą charakteryzować się częstotliwością. Możemy celowo pominąć elementy składowe liniowe ponieważ nie wpływają one na reakcję wychwytu. Natomiast ruchy obrotowe nie pozostają bez wpływu. Jaka jest ich częstotliwość? Badania wykazały, że ruchy obrotowe nadgarstka charakteryzują się częstotliwościami poniżej 3 Hz, a znaczna część poniżej 2 Hz. Jakkolwiek, całkowite widmo częstotliwości rozciąga się ku wyższym częstotliwościom, ale też gwałtownie opada przy niższych wartościach. Stąd koło balansowe zegarka, które przy częstotliwości 2.5 Hz (5 uderzeń na sekundę) będzie poddawane maleńkim zakłóceniom generowanym przez ruchy nadgarstka- części składowe o częstotliwości 2.5 Hz lub zbliżone do 2.5 Hz, odpowiednio zareaguje. Jak sytuacja wygląda przy układzie wychwytowym o częstotliwości 3 Hz (6 uderzeń na sekundę)? Jego reakcja na mniejszą amplitudę zakłóceń skupionych przy tej częstotliwości będzie zauważalna.

 

Mechanizmy ostatnich produkcji działające przy częstotliwościach 4 Hz (8 uderzeń na sekundę) będą o wiele mniej wrażliwe na skupiska małych częstotliwości pochodzących z ruchów nadgarstka i drobnych częstotliwości składowych o wartości równej lub bliskiej 4 Hz. Ruchy przy częstotliwościach 5 Hz (10 uderzeń na sekundę) powinny oddziaływać na mechanizm lepiej. Wniosek? Im wyższa częstotliwość uderzeń wychwytu, tym niższa wrażliwość na zewnętrzne zakłócenia mechaniczne. Co z tego wynika, wskaźnik osiąganej precyzyjności jest wyższy i teraz wiadomo dlaczego.

 

 

Analiza ogólna

 

Powyższa zasada nie dotyczy jedynie zegarków mechanicznych z obrotowym kołem balansowym. Znajduje ona również zastosowanie w zegarkach starszego typu i zegarkach Atmos, których wrażliwość na poruszenia jest pod silnym wpływem wahań częstotliwości wychwytu lub rozdziału częstotliwości ruchów podłoża i pokrywy.

 

Popularne w latach 1960, zegarki z widełkami stroikowymi podobnymi do tych w instrumentach muzycznych, np. Bulova Accutron, wibrujący przy częstotliwości 400 Hz, podziwiany był za odporność na typowe ruchy nadgarstka. Gdy został upuszczony bardzo często musiał być oddawany do naprawy. Zegarki Quartz również nie stanowią wyjątków od reguły ?szybszy znaczy lepszy?. Pomijając ich elektryczne atrybuty, wykorzystane kryształy kwarcu są po prostu mechanicznymi generatorami. Ich częstotliwość drgań wynosi teoretycznie 32,768 Hz, prawie bez wyjątku. W konsekwencji, ich wibracje są zasadniczo wolne od zakłóceń mechanicznych pochodzącym od użytkownika zegarka.

 

Jednakże nie są one odporne na zmiany temperatury. W konstrukcji niektórych mechanizmów uwzględnia się kumulację temperatury, co powoduje że przewyższają one precyzyjnością inne zegarki mechaniczne.

 

Niektóre mechanizmy wskazują czas różniący się jedynie dziesiętnymi sekundy przy różnicach temperatury sięgających dziesiątkom stopni Celsjusza. Czyli powracamy do twierdzenia,że szybszy znaczy bardziej precyzyjny. Dlaczego więc produkcja zegarków mechanicznych nie uwzględnia zwiększenia wskaźnika uderzeń do przynajmniej 10 na sekundę? Albo z jakiej przyczyny nie podnosi się go do 16 uderzeń na minutę lub nawet 20? Okazuje się, że przeszkodę w uzyskiwaniu wysokiego wskaźnika stanowią problemy technologiczne. Najbardziej znaczącym problemem jest naoliwianie. Utrzymanie warstwy smaru między poruszającymi się powierzchniami przy wspomnianych wskaźnikach wymaga wykorzystania wyszukanych materiałów. Zegarki Rolex o wysokim wskaźniku uderzeń wykorzystują suche smary (wyprodukowane z mieszanek bizmutu) w układzie wychwytowym. Metoda ta sprzyja osiąganiu wysokiej precyzyjności. Kolejna przeszkodą w uzyskaniu wysokiego wskaźnika jest zastosowanie odpowiedniej siły napędzającej układ wychwytowy. Energia potrzebna do odpowiedniego działania układu wychwytowego różnicuje się w przybliżeniu w zależności od tego jaki jest kwadrat ilości uderzeń (w przybliżeniu, dlatego że straty w stosunku do tarcia i odporności na zmiany atmosferyczne są nieliniowe), tak więc napięcie sprężyny głównej i sił oddziaływujących na elementy składowe przekładni odpowiednio wzrasta. Co najważniejsze, zużycie smaru pociąga za sobą o wiele bardziej poważne konsekwencje w przypadku zegarka z wysokim wskaźnikiem uderzeń niż w mechanizmie o 5 uderzeniach na sekundę. Jak pamiętam, Walt Odets, np. wspominał zegarek swojego przyjaciela, który działał bez naprawy przez 15 lat. Był to prawdopodobnie model o 5 lub 6 uderzeniach na sekundę.

 

Zegarek zaprojektowany do działania przy 10 uderzeniach na sekundę, w ciągu tak długiego czasu bez konserwacji prawdopodobnie doznałby trwałego uszkodzenia. Krótko mówiąc, większość konsumentów po otrzymaniu zegarka o wskaźniku 10 uderzeń na sekundę, poprzez zaniedbanie konserwacji tych urządzeń doprowadziłaby je do zniszczenia.

 

Porównując mechanizmy różnych zegarków należy brać pod uwagę także inne czynniki. np. nadzwyczaj precyzyjne zegarki kieszonkowe zaprojektowane przez producentów tj. Hamilton, Elgin, Waltham, Ball na użytek linii kolejowych (obecnie niestety nieprodukowane) miały częstotliwość 2.5 Hz (czyli 5 uderzeń na sekundę). Dlaczego więc były tak precyzyjne?

 

Początkowo były one dostosowywane do wymogów wysokiej precyzyjności. Ponadto, trzymano je w kieszeni cyfrą 12 do góry przez większość czasu i starannie chroniono przed zewnętrznymi zakłóceniami. Warto przypomnieć, że ich koła balansowe były bardzo masywne w porównaniu do maleńkich części składowych zwykłego zegarka na rękę.

 

Stąd rzeczywiście dopiero znaczne zakłócenia mogły powodować zauważalną zmianę w działaniu mechanizmu. Podsumowując, pamiętać należy że reakcja na mechaniczne zakłócenia nie jest jedynym źródłem błędów w działaniu zegarków. Może być nim także wada izochroniczna, wrażliwość na temperaturę, tarcie przekładni itp. Jak jeszcze można wytłumaczyć fakt, że zegarki Rolex, Omega i inne wspaniałe zegarki lat 1930 i 1940 przeszły testy rutynowe COSC ze znakomitymi rezultatami pomimo niskiego wskaźnika uderzeń (5 uderzeń na sekundę)? Albo jak wytłumaczyć fakt, że znaczna liczba nowoczesnych zegarków (szczególnie modele produkowane przez PP, IWC, Minerva, itp.) nadal wykazują wspaniałe osiągi przy wskaźniku 5 uderzeń na sekundę?

 

Odpowiedzią na to jest precyzja i indywidualne podejście do szczegółów. Wskaźnik uderzeń jak widać nie jest jedynym czynnikiem korzystnie wpływającym na potencjał mechanizmu.

 

Wnioskując, rezultatem produkcji, w której nie pomija się żadnego z omówionych czynników, będzie odpowiednio zaprojektowany model o wysokim wskaźniku uderzeń, który zdecydowanie przewyższy swojego powolnego kuzyna.

 

 

 

 

---------------------------------------------

Copyright tłumaczenia:moja szwagierka

[mylof 2720]

Dzięki za tłumaczenie. Solidna porcja wiedzy, oby więcej takich postów na forum.

Ten ciekawy artykuł czytałem jakiś czas temu na timezone.com.

[Yargoth 1]

Fajne opracowanie. Dzięki

[yanek 3]

Dzięki Zel Gadis za umieszczenie. I podziękuj szwagierce za tłumaczenie

[Dziubasek 1]

WoW !! kawał solidnego posta, świetna robota, oby więcej tego typu perełek na tym forum. Dzieki !

[Degustatorr Noir 7]

Ciekawy artykuł. Brawo dla Szwagierki za solidny kawał roboty i poświęcony czas. A czy Szwagierka nie została jeszcze wciągnięta w zegarkowy nałóg? Pierwszy krok już poczyniła...

 

Pozdrawiam.

[Zel Gadis 5]

Przekaże bo jutro jadę na jej ślub

[Breitling 11]

Żelek, ciekawy, wymagający skupienia artykuł dobrze wyjaśniający problem częstotliwości oraz jego wpływu na dokładność chodu.