Leon (technisch)

Foucaultsches Pendel und Uhr

Kurze Foucaultsche Pendel (weniger als 1 Meter) sind weltweit äußerst selten, da die Probleme bei ihrer Konstruktion schnell unüberwindbar werden. Lange Pendel sind im Vergleich dazu unendlich viel einfacher zu bauen. Das erste Problem ist die Aufhängung. Sie muss perfekt sein, sonst wählt das Pendel die Ebene, die ihm am günstigsten erscheint, und hält sich dort fest. Der Stahldraht darf keine inneren Spannungen haben, muss vollkommen gerade und kugelförmig sein. Auch die Befestigung sollte perfekt sein: Die klassischen kleinen Präzisionsspannfutter mit 3 oder 4 Backen reichen nicht aus, da sie noch sorgfältig poliert werden müssen. Das zweite Problem ist die Präzession der Ellipse. Dieses Phänomen tritt bei großen Pendeluhren nur sehr abgeschwächt auf und spielt bei ihrer Konstruktion keine Rolle. Bei Pendeln mit einer Länge von weniger als 2 m verursacht es Kräfte, die größer sind als der Foucault-Effekt. Er muss daher aufgehoben oder zumindest reduziert werden. Ein verwendetes Mittel ist die Zwischenschaltung eines Charron-Rings im oberen Drittel des Drahtes, dessen Innendurchmesser perfekt poliert sein sollte. Ein kurzes Pendel kann nicht ohne ein System zur Reduzierung der Präzession der Ellipse funktionieren. Es sind all diese Phänomene zusammengenommen, die ein Foucaultsches Pendel von weniger als einem Meter Länge fast wie ein Wunder erscheinen lassen. Die für die Bearbeitung und Montage aufgewendete Zeit wird nicht mehr als ein Zehntel der Gesamtzeit betragen, alles andere geht für Einstellungen verloren. Und da jede neue Einstellung eine Wartezeit von mindestens 16 Stunden erfordert, um die Ergebnisse zu sehen …

Dieses Pendel hat eine Schwingungsdauer, die auf eine Sekunde eingestellt ist. Ich benutze dieses Phänomen, um den Sekundenzeiger zu drehen, der wiederum den Minuten- und Stundenzeiger antreibt. Die Verwendung eines Foucaultschen Pendels als Uhr stellt zusätzliche Anforderungen:

1) Die Periodendauer muss genau eingestellt werden können,

2) Die durch Temperaturunterschiede bedingten Längenänderungen des Pendels ausgleichen,

3) die Amplitude stabilisieren, um den Isochronismus einzuhalten.

Das erste Foucaultsche Pendel, das ich entworfen hatte(Pestoline), hatte ein ausgeklügeltes, aber verbesserungswürdiges System: Der Faden des Pendels lief durch ein Loch und konnte in der Aufwärtsrichtung eingestellt werden, so wie man eine Gitarrensaite stimmt. Wenn man den Faden verkürzte oder verlängerte, änderte sich auch die Position des Magneten in Bezug auf die Spule, wodurch sich die Stärke des Antriebsimpulses veränderte. Daher war die Feineinstellung der Amplitudendauer ein Sport. Bei diesem Modell bewegt sich der Faden nicht, sondern nur das Loch, das nach oben oder unten bewegt werden kann. Dieses System ermöglicht es sogar, die Periode der Unruh einzustellen, während sie sich bewegt, ohne ihren Lauf zu stören – eine Option, die man bei klassischen Uhren nicht findet. Die Temperaturkompensation wird durch ein Bimetall gewährleistet, das sich über der gesamten Einheit befindet. Die Probleme, die mit der Bearbeitung des Charron-Rings verbunden waren, wurden durch die Verwendung eines Rubins gelöst. Dadurch ist die Rundung perfekt und die Abnutzung gleich null.

Aber warum gibt es zwei getrennte Zifferblätter? Das linke zeigt die Zeit des Pendels an, das andere ist eine Quarzuhr, die hier als Referenz dient. Hier haben wir also endlich eine Uhr, die alle zufrieden stellt: Eilige werden immer das rechte Zifferblatt lesen, weil es genauer ist, Dichter werden sich an dem linken erfreuen (denn was wir an Menschen und Dingen wirklich lieben, ist nicht gerade die Unvollkommenheit?) und Wissenschaftler werden den Mittelwert aus beiden aufmerksam lesen. Wenn zum Beispiel der Sekundenzeiger des Pendels einen Moment lang nachläuft, holt er 1/4 Umdrehung später wieder auf. Dieses Phänomen ist auf die Exzentrizität des Charronschen Rings zurückzuführen, und der Mittelwert dieser Schwankungen ist null. Diese Uhr lässt sich also nicht wie eine normale Uhr einstellen, denn eine eventuelle Exzentrizität des Charronschen Rings bewirkt eine Beschleunigung des Durchgangs der Unruh, der unweigerlich eine Verlangsamung derselben Amplitude 1/4 Umdrehung später folgt. Man muss also den Mittelwert der Zeit einer halben Umdrehung einstellen. Diese variiert je nach Breitengrad, auf dem sich die Uhr befindet. In meiner damaligen Werkstatt in Sion betrug er 16 Stunden, 34 Minuten und 14 Sekunden.

Die ersten Tests ergaben eine Ungenauigkeit (die durch die Einstellung der Unruhhöhe verbessert werden kann) von weniger als einer Sekunde pro Tag. Wer die untenstehenden Daten einsehen möchte, kann sie bei mir anfordern. (Diese Daten können nur mit der MicroSet-Software von Bryan Mumford geöffnet werden.)

Ein kurzes, funktionierendes Foucaultsches Pendel grenzt an ein Wunder: Es muss für immer installiert werden. Es ist nicht möglich, das Pendel ohne weiteres an verschiedenen Orten einzusetzen, da die Einstellungen der Ebenen sehr genau sind und nicht mehr verändert werden dürfen, wenn das Pendel einmal richtig funktioniert. Diese Einstellungen können bei der Installation bis zu zwei Wochen in Anspruch nehmen.

Fehlschläge und Prototypen

Nicht alle meine Versuche waren erfolgreich, bei weitem nicht! Im Folgenden werden drei Prototypen vorgestellt. Ihnen ist gemeinsam, dass ich dachte, sie würden alle beim ersten Versuch funktionieren… obwohl sie nie funktioniert haben.

1) Kardanische Aufhängung

Dies ist eine kardanische Aufhängung, die aus zwei Berkel-Waagemessern besteht, die auf zwei Kugellagerkäfigen ruhen und ihr Bewegungen in alle Richtungen ermöglichen. Während diese Art der Aufhängung für lange Pendel am besten geeignet ist, ist sie bei einem kurzen Pendel hingegen sehr schwierig umzusetzen, da diese Aufhängung perfekt ausbalanciert sein muss. Dazu muss die Unterseite der Aufhängung deutlich leichter sein als die Oberseite, sodass sich die Aufhängung von selbst wieder gerade ausrichtet. Eventuelle Höhenunterschiede können dann mit kleinen Gewichten korrigiert werden, bis die Federung wieder senkrecht steht. Eine weitere Möglichkeit, die Höhe einzustellen, besteht darin, zwei kleine Magnete auf die beiden Messer der Aufhängung zu legen. Die Einstellung erfolgt, indem der Magnet von der Mitte wegbewegt wird, um den Schwerpunkt zu verschieben. Wenn dies geschehen ist, kann man die Achse der Unruh festschrauben und mit den Versuchen beginnen. Dieser Prototyp hat nie richtig funktioniert.

2) Aufhängung mit Wolframdraht

Diese Aufhängung verwendet einen Wolframdraht mit einer Dicke von 0,05 mm. Er ist fast unsichtbar, und jeder, der sieht, wie sich dieses Pendel bewegt, glaubt, dass das Pendel schwebt. Ich hatte einen so dünnen Draht gewählt, um zu versuchen, jegliche innere Spannung zu vermeiden, die die Rotation des Pendels beeinflussen könnte. Entgegen allen Erwartungen und ohne dass ich wusste, warum, funktionierte das Pendel nie. Alle Versuche, den Pegel zu regulieren und die Aufhängung zu drehen, blieben erfolglos.

3) Kugelaufhängung

Noch mehr Prototypen, die nie funktionierten! Auf dem ersten Bild sehen wir, dass die Aufhängung aus einer 1 mm großen Wolframkarbidkugel besteht, die auf einem Saphirbett ruht. Die Aufhängung kann sich frei in jede Richtung bewegen. Praktisch drehte sie sich nie so, wie sie sollte. Dieser Prototyp schwankte 9 Monate lang, ohne dass irgendeine Einstellung ihn beeinflussen konnte.

Auf dem unteren Bild ist ein weiterer Versuch nach demselben Prinzip zu sehen. Hierbei handelt es sich jedoch um eine Rollkugel, die auf einer Stahlplatte ruht. Die Versuche waren alle genauso erfolglos wie der Prototyp mit der Wolframkugel.
Die Einstellung des Gleichgewichts der Aufhängung ähnelt sehr der Einstellung des Kardangelenks. Zunächst muss die komplette Unruh entfernt und die Aufhängung so leicht wie möglich gemacht werden. Der Boden der Federung muss zwangsläufig deutlich schwerer sein, damit sie sich von selbst aufrichtet. Wenn sie sich nicht perfekt senkrecht aufrichtet, muss das Gleichgewicht verändert werden, indem man das Gewicht des Messingrings verringert. Dazu wird der Ring einfach auf der Seite, auf der er schief hängt, abgeschliffen (die Spuren sind auf dem Foto zu sehen)