Pestolin (technisch)

Ein Foucaultsches Pendel ist nur dann einfach zu bauen, wenn es länger als 2 Meter ist. Mein Pendel muss aber unbedingt 1 Meter lang sein, damit es die Sekunden anzeigen kann. Nur wenige Menschen auf der Welt konnten kleine Pendel bauen, die zufriedenstellend funktionierten. Ich muss hier die Pioniere Haym Kruglak und Stanley Steele im Jahr 1984 und H Richard Crane im Jahr 1981 nennen. Die beiden Hauptprobleme bei kleinen Pendeln sind die Aufhängung und die Präzession der Elliptizität. Das Problem der Aufhängung ist bei weitem das wichtigste, da sie perfekt sein muss, da das Pendel sonst nur in der Ebene schwingt, die ihm am leichtesten fällt. Eine andere Möglichkeit ist, den Draht in Metall zu gießen. Die Schmelztemperatur zerstört jedoch oft die Spezifikationen des Aufhängungsstahldrahts. Eine häufigere Aufhängung ist, den Draht durch einen Präzisionsdorn zu führen. Aber auch hier wird sich das Pendel eine bevorzugte Position aussuchen und sich auf einer Ebene stabilisieren. Denn die handelsüblichen Spannfutter haben alle ihre kleinen Unzulänglichkeiten. Richard Crane ließ seines durch eine Drehbank laufen, um die Backen mit einem sehr feinen Schleifmittel zu polieren. Nur unter dieser Bedingung konnte das Pendel funktionieren. Das andere Problem ist, wie man die Präzession der Elliptizität eliminieren kann. Dieses Phänomen tritt nur bei kleinen Pendeln auf und wird mit zunehmender Länge immer schlimmer. Dieser unerwünschte Effekt lässt sich etwas abschwächen, indem man einen perfekt bearbeiteten und polierten Charron-Ring im oberen Zehntel der Pendellänge einsetzt.

Dies ist also der erste wirklich funktionierende Prototyp, der als Prüfstand für den Bau der anderen Prototypen dienen sollte. Er war auch dazu bestimmt, nach Abschluss aller Tests seinen Lebensabend in meiner Küche zu verbringen. Ich hatte nämlich keine Uhr zu Hause…..

Der Galgen hat drei Funktionen: Er stützt das Pendel, führt den Faden des Pendels sehr genau (auf den Hundertstelmillimeter genau) und ermöglicht es, die Länge des Pendels zu regulieren, auch wenn es sich bewegt. Das ist eine Funktion, die man bei Pendeluhren so gut wie nie findet, die sich aber später als sehr praktisch erweisen sollte. Ich habe die Idee mit dem Dorn verworfen, weil er mit meinen bescheidenen Mitteln zu schwer zu bearbeiten war und nach dem Einspannen keine Einstellungen mehr zuließ. Anstatt zwischen den Backen eingespannt zu werden, wird der Stahldraht (0,18 mm) durch das Loch eines Saphirs geführt, steigt um ein Rad herum nach oben und senkt sich wieder ab, um am Boden festgeklemmt zu werden. Eine Stellschraube ermöglicht es, den Draht nach dem Rad zu biegen und so die Höhe der Unruh zu beeinflussen. Wenn ich will, kann ich sogar eine bimetallische Temperaturkompensation einbauen.

Nun wollen wir sehen, was dieses Pendel von allen anderen unterscheidet, die bis jetzt gemacht wurden, nämlich dass es auch als Uhr dient. Meines Wissens hat dies bisher nur ein Mann versucht: H. Richard Crane (Universität von Michigan). Er konnte die Zeit ablesen, indem er die Bewegung des Pendels auf einem Kreis mit einer Skala am Boden ablesen konnte. Sein Pendel kann jedoch nicht als echte Uhr betrachtet werden, da er eine externe Zeitbasis benötigte, eine Zeitschaltuhr, die das Pendel sechs Stunden am Tag anhielt. Meiner hingegen muss alles gleichzeitig können: eine echte Uhr und ein Foucaultsches Pendel. Die Probleme, die sich daraus ergeben, sind sehr interessant. Zum Beispiel: Wie kann ich die Temperaturkompensation des Pendels sicherstellen, wenn ich kein Invar verwenden darf? (Da Invar magnetisch ist, würde das Pendel schnell zu einem Kompass werden.) Oder wie kann ich mit dem Pendel die Zeit anzeigen, wenn ich weiß, dass das Pendel eine Teilung hat, die nicht mit 24 Stunden kompatibel ist?

Viele Menschen glauben immer noch, dass sich ein Foucaultsches Pendel alle 24 Stunden um die eigene Achse dreht. Das ist nur am Nordpol im Uhrzeigersinn und am Südpol gegen den Uhrzeigersinn der Fall. Je weiter man in den Breitengrad absteigt, desto langsamer dreht es sich. In Paris beträgt sie 32 Stunden. Bei mir zu Hause in Sion (Schweiz) beträgt sie 33:26 Uhr. Am Äquator hat er eine theoretisch unendliche Drehzeit. Crane stoppte die Drehung der Unruh 6 Stunden pro Nacht (zwischen Mitternacht und 6 Uhr) mithilfe eines zusätzlichen Elektromagneten, der von einer Uhr gesteuert wurde.

Einige Fakten dazu.
Pendel, das von einem Elektromagneten jedes Mal elektromagnetisch angetrieben wird, wenn es den Durchgang der Unruh erkennt. Messing für fast alle Teile, um Probleme mit Magnetismus zu vermeiden. Zeitanzeige auf dem Zifferblatt (Stunden, Minuten und Sekunden) und Zeitanzeige am Ende der Unruh. Die Scheibe im oberen Drittel dient dazu, den Fall der Unruh zu blockieren, falls der Faden reißen sollte.

Die Stabilisierung der Amplitude nutzt eine weitere Entdeckung von Léon Foucault: die Bremse. Hierbei handelt es sich um einen nichtmagnetischen Skalenring mit sehr genauen Abmessungen, der am Ende des Pendelwegs angebracht ist. Das Vorbeiziehen des Magneten verursacht induzierte Ströme, die sogenannten „Foucaultschen Ströme“, die das Pendel bei jeder Schwingung bremsen.

Eine Achterbahnfahrt: So sah der erste Test von Pestoline aus. Dieser Test wurde in meiner Werkstatt durchgeführt, obwohl die Höhe der Unruh nicht eingestellt war, der Charron-Ring nicht zentriert war und ich den ganzen Tag um ihn herum arbeitete. Dennoch kann man eine ganze Reihe interessanter Phänomene entdecken. In diesem Dokument, das zwei Tage umfasst, können wir sehen, dass zyklische Störungen dreimal auftreten. Wenn wir die Anzahl der Tage, die diese Grafik abdeckt, durch die Anzahl der Zyklen teilen, erhalten wir die Zahl 16,5: Das ist die Anzahl der Stunden, die das Pendel für eine halbe Umdrehung um sich selbst benötigt. Dies ergibt 33 Stunden für eine volle Umdrehung, was einer Fehlermarge von 1 % entspricht. (Man muss diese Zahl mit einer Pinzette nehmen: Ich messe normalerweise zwischen einer Woche und einem Monat, um wirklich genaue Messungen durchzuführen)

Die Störungen, die wir sehen können, stammen vom Charron-Ring. Er ist noch nicht richtig zentriert und man kann einige Bearbeitungsfehler erkennen. Ich habe denselben Test ohne den Charron-Ring wiederholt: Die Linie war vollkommen flach, aber der Pendelweg war elliptisch und der Foucault-Effekt kaum erkennbar.

Nach einigen Einstellungen, Zentrierungen und Auswuchtungen zeigte der Computer folgendes an:

Die Grafik zeigt, dass Pestoline 7,8 Sekunden pro Tag geht, was sich leicht einstellen lässt, indem man das Pendel ein wenig nach unten bewegt. Aber es ist noch wichtiger: Die Abfolge der Spitzen (die jeweils eine Umdrehung des Pendels anzeigen) ist genauer geworden. Man sieht auch wiederkehrende Störungen am Ende der Kurve, die beweisen, dass es noch eine mechanische Anisotropie im Faden oder in der Aufhängung gibt. So dient diese Uhr als Prüfstand für die Verbesserung der nächsten. Denn die Wahl, die man bei dieser Art von Uhr treffen muss, ist nicht die Genauigkeit der Uhrzeit oder die des Foucault-Effekts. Pestoline hat bewiesen, dass beide ein gutes Ergebnis erzielen können.

(Juli 2003) Pestoline erhielt den ersten Preis im Wettbewerb der Kinetic Art Organization in der Kategorie „ingeneering ingenuity“
Bei diesem weltweit ausgetragenen Wettbewerb werden Werke der kinetischen Kunst ausgezeichnet.

Wer die MicroSet-Software von Bryan Mumford besitzt, kann sie auf Wunsch herunterladen. Damit können sie herausfinden, was im Millionstel einer Sekunde im Herzen eines Foucaultschen Pendels passiert, wie sich Störungen durch Luftströmungen, parasitäre Schwingungen usw. auswirken. Diese Probe umfasst fünf Testtage.