Gourt Home::Gourt :: Isochronismus
Als Isochronismus bezeichnet man die Gleichförmigkeit von Schwingungen, also ihre von äußeren Störeinflüssen unabhängige Frequenzkonstanz.
Die Betrachtungen hier beziehen sich auf Räderuhren, die heute jedoch weitgehend von Quarz- und Funkgesteuerten Uhren abgelöst sind. Allerdings werden noch immer (tragbare) Räderuhren im Hochpreissektor gefertigt (z. B. Lange, Nomos, Rolex).
Behandelt werden Mechanismen zur Reduzierung von Einflüssen auf die Schwingungskonstanz der Taktgeber von Räderuhren. Diese Taktgeber sind entweder Pendel oder Unruhe (Drehschwinger). Dieser Artikel bezieht sich auf Uhren, wie sie als Gebrauchsuhren (wenn auch in früheren Zeiten zuweilen als Prunkuhren) Verwendung fanden und teilweise noch heute in Gebrauch sind. Unberücksichtigt bleiben frühe Uhren mit der „Waag“ als Schwinger und Sonderkonstruktionen für Chronometer und wissenschaftliche Präzisionsuhren.
Definitionen
Als „Stand“ bezeichnet man die Anzeige einer Uhr, die von der wahren Zeit abweichen kann. Der Stand wird durch Stellen der Zeiger korrigiert, er ist kein Qualitätskriterium.
Der „Gang“ ist die Änderung des Standes in Abhängigkeit von der Zeit; die Uhr geht ggf. vor oder nach. Der Gang lässt sich korrigieren (z. B. durch Veränderung der Pendellänge oder durch Veränderung der freien Spiralfederlänge mittels des Rückers an Uhren mit Unruhe); er ist ebenfalls kein Qualitätskriterium.
Problematisch ist erst die Änderung des Ganges in Abhängigkeit von der Zeit. Ursachen sind entweder äußere Einflüsse (Temperatur) oder werksinterne (bevorzugt die sich ändernde Zugkraft der Antriebsfeder).
Spindeluhren
Diese ortsfesten oder tragbaren Uhren (bis in die Mitte des 19. Jhds gefertigt) waren noch recht ungenau; wesentliche Störgröße ist der Einfluss der Federkraft.
Stackfreed
Eine Lösung war der Stackfreed (Süddeutschland, 16. Jhd.). Bei dieser Vorrichtung drückte ein Federarm über eine Rolle auf eine Kurvenscheibe, die auf dem Federhaus befestigt war. Diese Anordnung der Scheibe war so ausgelegt, dass bei vollem Aufzug die Anpresskraft hoch war und mit ablaufendem Aufzug abnahm. Dadurch erzeugte man auf Kosten einer unerwünschten zusätzlichen Reibung eine etwas konstantere Antriebskraft. Die Herkunft des Namens Stackfreed ist nicht belegt.Schnecke und Kette bzw. Darmsaite
Eine wesentlich elegantere, aber auch konstruktiv aufwändigere Lösung war die Kraftübertragung vom Federhaus mittels Schnecke und zunächst Darmsaite (um 1430), ab 1539 durch eine Kette zum Gangwerk. Bei vollem Federaufzug war die Kette auf der Schnecke bis zur deren Spitze aufgewickelt. Die Federkraft war zwar groß, doch das auf die Schnecke wirkende Moment durch den kleinen Hebelarm reduziert. Mit ablaufender Feder wickelte sich die Kette von der Schnecke auf das Federhaus. Die abnehmende Federkraft wurde dabei durch den zwangsläufig größer werdenden Hebelarm der Schnecke kompensiert.Bemühungen, den optimalen Querschnitt der Schnecke zu berechnen (erste Versuche Varignon, 1702) schlugen wegen falscher Randbedingungen fehl, erst vor wenigen Jahrzehnten konnte das Problem schlüssig gelöst werden (Peter S. Honig). In der Praxis versuchten die Uhrmacher die günstigste Form (deshalb früher auch häufig Holzschnecken) empirisch zu finden.
Die Kettenglieder waren äußerst fein (Kinderarbeit), es gingen bis zu 800 Glieder auf 12 cm Kettenlänge!
Pendeluhren
Pendeluhren sind ortsfeste Uhren, sie werden durch Gewichte oder Federkraft angetrieben. Wesentliche Störeinflüsse:
- Temperaturänderungen, die zu schwankender Pendellänge, mithin zum unregelmäßigem Gang der Uhren führen
- Bei Uhren mit Federwerk der Einfluss der sich mit dem Ablauf ändernden Federkraft.
Eine weitere Quelle des Gangfehlers war die Amplitudenabhängigkeit der Schwingungsfrequenz. Chr. Huygens (1629 - 1695) zeigte, dass dieser Fehler vermieden wird, wenn das Pendelgewicht sich auf der Bahn einer Zykloide bewegt. Für ein physikalisches (Faden-) Pendel erreicht man das, wenn der Faden sich an der oberen Pendelaufhängung an zykloidenartige seitlichen Begrenzungen anschmiegt. Technische Probleme bei der Realisierung der Kurvenformen verhinderten jedoch zufrieden stellende Ergebnisse.
Maßnahmen zur Temperaturkompensation, also mit dem Ziel einer möglichst konstanten Pendellänge
Materialien mit geringer Temperaturabhängigkeit
Schon früher lieferte ausgewähltes, präpariertes Holz recht brauchbare Resultate. Die Ausdehnungskoeffizienten in Faserrichtung liegen bereits deutlich unter denen der meisten Metalle. Gegen den quellenden Einfluss der Luftfeuchtigkeit werden Pendelstangen aus Holz gut imprägniert, indem man sie mit Leinöl behandelt und meist noch zusätzlich lackiert.Seit Anfang des 20. Jahrhunderts verbreiteten sich vor allem im Bereich der Präzisionspendeluhren Werkstoffe mit möglichst geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Hier hat sich das Standard-Invar FeNi36, die zuerst entdeckte Invar-Legierung aus ca. 36% Nickel und 64% Eisen, gegenüber dem noch ausdehnungsärmeren Quarzglas durchgesetzt. Neben der bestehenden Sprödigkeit erweist sich bei Glas-Stangen auch die Verbindung mit Pendelaufhängung und Pendelmasse kritischer.
Invar-Stangen werden vor ihrem Einsatz in Präzisionsuhren einer künstlichen Alterung in Form von wechselnder mechanischer und thermischer Beanspruchung unterzogen. Dies dient dem Abbau innerer Spannungen, die zu unvorhersehbaren Längenänderungen führen würden.
Heute wäre auch ausdehnungsfreie Glaskeramik als Material für Pendelstangen denkbar.
Rostpendel
Hier benutzte man die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Messing (oder anderen Legierungen) derart, dass mehrere Stangen aus diesen Metallen an einem unteren und einem oberen Steg wechselweise so befestigt waren, dass die Gesamtlänge dieser Anordnung bei Temperaturänderungen weitgehend konstant blieb (ca. 1725, John Harrison). Diese Rostpendel waren bei den so genannten Regulatoren sehr beliebt, doch hatten sie häufig nur einen dekorativen Wert, weil die Roststangen alle fest miteinander verbunden waren.Quecksilberpendel
Als Pendelgewicht wurde eine oben offene, mit Quecksilber gefüllte Röhre benutzt (1726, George Graham, 1673 - 1751). Die Ausdehnung von Pendelstange und Quecksilber kompensierten sich bei wechselnder Temperatur.Maßnahmen zur Kompensation der vom Aufzug abhängigen Federkraft
Schnecke und Kette
Siehe die Ausführungen unter Spindeluhren.Uhren mit Unruhe (Drehschwinger)
Maßnahmen zur Temperaturkompensation
Sehr wirkungsvoll sind doppelt geschlitzte Reife der Unruhe aus Bimetall . Bei einer Längenänderung der Speiche bei wechselnden Temperaturen, wird das Trägheitsmoment der Unruhe durch entsprechende Krümmung der beiden Reifsegmente konstant gehalten.Maßnahmen zur Kompensation der vom Aufzug abhängigen Federkraft
Hier wurden nach dem letzten Weltkrieg durch die Entwicklung neuer Legierungen für die Aufzugfedern (Beryllium, Titan, Molybdän, Wolfram) große Fortschritte erzielt. Solche Federn („Nivaflex“) sind nicht nur bruchsicher, sondern geben ihre Kraft weitaus gleichmäßiger in Abhängigkeit vom Aufzuggrad ab.Andere Störgrößen:
Der Einfluss der bei der Unruhschwingung sich exzentrisch verlagernden Spiralfeder wurde reduziert durch Aufbiegen der Spiralenden aus der Ebene („Bréguet-Spirale“, A. L. Bréguet, 1747 – 1823).
Weitere Störungen treten bei tragbaren Uhren durch Stöße und durch Veränderungen der Uhrenposition (Lage) auf. Stöße werden durch elastische Aufhängung der Zapfenlagerung, besonders der hoch beanspruchten Unruhewelle, abgefangen („Inca-bloc“, „Shock-resist“ ). Die Lageempfindlichkeit lässt sich durch Auswuchten der Unruhe mittels kleiner Schrauben auf dem Reif und durch erhöhte Fertigungsgenauigkeit reduzieren (bei Chronometern ein Prüfmerkmal). Eine Konstruktion für höchste Ansprüche ist der Tourbillon, eine bewegte Vorrichtung der Unruh-Anordnung (Bréguet).
Siehe auch
Uhrwerk, Pendeluhr, Uhrenhemmung
Literatur
- Bassermann-Jordan, Ernst von, Uhren, Verlag Klinkhardt und Biermann, Braunschweig 1969, (ohne ISBN)
- Ebrich, Klaus, Präzisionspendeluhren, Verlag Callwey, München 1978, ISBN 3-7667-0-429
- Guye, Samuel und Michel; Henri, Uhren und Messinstrumente, Orell Füssli Verlag, Zürich 1971, (ohne ISBN)
- Koch, Rudi (Hsg.), Uhren und Zeitmessung (BI-Lexikon, VEB Bibliographisches Institut Leipzig, 1986, ISBN 3-323-00100-1
- Lübke, Anton, Die Uhr, VDI-Verlag, Düsseldorf 1958, (ohne ISBN)
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