Леон (технический)

Маятник Фуко и часы

Короткие маятники Фуко (менее 1 метра) встречаются в мире крайне редко, поскольку проблемы, возникающие при их строительстве, быстро становятся непреодолимыми. В сравнении с ними длинные маятники строить бесконечно проще. Первая проблема — это подвес. Он должен быть идеальным, иначе маятник выберет наиболее благоприятную плоскость и останется в ней. Стальная проволока не должна иметь внутренних напряжений, быть идеально прямой и сферической. Крепление также должно быть идеальным: классических маленьких прецизионных патронов с 3-4 губками недостаточно, ведь их еще нужно тщательно отполировать. Вторая проблема — прецессия эллипса. Это явление очень незначительно для больших маятников и не является фактором, определяющим их конструкцию. На маятниках длиной менее 2 метров она вызывает большие силы, чем эффект Фуко. Поэтому его необходимо отменить или хотя бы уменьшить. Один из методов — вставить в верхнюю треть проволоки кольцо Шаррона, внутренний диаметр которого должен быть идеально отполирован. Короткий маятник не может работать без системы, уменьшающей прецессию эллипса. Все эти явления вместе взятые делают маятник Фуко длиной менее 1 метра почти чудом. Время, затраченное на обработку и сборку, не превысит одной десятой от общего времени, все остальное будет потеряно на регулировку. А ведь каждая новая регулировка требует минимум 16 часов ожидания, чтобы увидеть результат…

Период колебаний этого маятника составляет одну секунду. Я использую это явление для вращения секундной стрелки, которая, в свою очередь, вращает минутную и часовую стрелки. Использование маятника Фуко в качестве часов накладывает следующие дополнительные ограничения:

1) Возможность точно установить длину периода,

2) Компенсировать изменения длины маятника из-за разницы температур,

3) стабилизировать амплитуду для поддержания изохронизма.

В первом маятнике Фуко, который я сконструировал(Пестолайн), использовалась гениальная, но неидеальная система: проволока маятника продевалась через отверстие и могла регулироваться вверх по течению, подобно тому, как настраивается гитарная струна. Но укорачивая или удлиняя его, можно было изменить положение магнита по отношению к катушке, тем самым меняя силу движущего импульса. Это означало, что точная настройка длительности амплитуды была делом спортивным. В этой модели провод не двигается: именно отверстие можно поднимать или опускать. Эта система даже позволяет регулировать период баланса во время его движения, не нарушая его хода, что не встречается в обычных часах. Температурная компенсация обеспечивается биметаллом, расположенным над узлом. Проблемы, связанные с механической обработкой кольца Charron, были решены с помощью рубина. В результате кольцо идеально и не изнашивается.

Но зачем нужны два отдельных циферблата? Тот, что слева, показывает время, задаваемое маятником, а другой — это кварцевые часы, которые используются здесь в качестве эталона. Таким образом, наконец-то появились часы, которые могут удовлетворить всех: спешащие люди всегда будут читать правый циферблат, потому что он более точный, поэты будут восхищаться левым циферблатом (ведь то, что нам действительно нравится в людях, как и в вещах, не есть ли это именно несовершенство?), а ученые будут внимательно читать среднее значение между ними. Так, например, если секундная стрелка маятника в один момент немного замедлится, то через 1/4 оборота она снова нагонит скорость. Это явление обусловлено эксцентриситетом кольца Шаррона, а среднее значение этих колебаний равно нулю. Таким образом, эти часы нельзя настроить как обычные, потому что любой эксцентриситет кольца Шаррона вызывает ускорение маятника, за которым неизменно последует замедление с той же амплитудой на 1/4 оборота позже. Поэтому нам необходимо скорректировать среднее время на пол-оборота. Это зависит от широты, на которой расположены часы. В моей мастерской в Сьоне в то время это было 16 часов 34 минуты и 14 секунд.

Первые тесты показали, что погрешность (которую можно улучшить, отрегулировав высоту балансового колеса) составляет менее одной секунды в день. Все, кто хочет ознакомиться с приведенными ниже данными, могут спросить меня. (Эти данные можно открыть только с помощью программы MicroSet Брайана Мамфорда)

Коротко работающий маятник Фуко — это почти чудо: он должен быть установлен стационарно. Невозможно взять его и без лишних слов запустить в нескольких разных местах, потому что настройки уровня очень точны и не подлежат изменению, пока маятник работает правильно. Такие настройки могут занять до двух недель во время установки.

Неудачи и прототипы

Не все мои испытания были окончательными, далеко не все! Ниже будут описаны три прототипа. Их объединяет то, что я думал, что все они будут работать с первой попытки… но так и не получилось.

1) Карданный подвес

Это карданный подвес, состоящий из двух балансировочных ножей Berkel, опирающихся на две обоймы шарикоподшипников, что позволяет ему двигаться во всех направлениях. Хотя этот тип подвеса лучше всего подходит для длинных маятников, его очень сложно использовать на коротком маятнике, поскольку подвес должен быть идеально сбалансирован. Для этого нижняя часть подвеса должна быть значительно легче верхней, чтобы подвес выпрямился сам. Разницу в уровнях можно корректировать с помощью небольших грузов, пока подвес не станет вертикальным. Другой способ регулировки уровня — установить два небольших магнита на два ножа подвески. Регулировка производится путем перемещения магнита от центра, чтобы переместить центр тяжести. После этого можно вкручивать балансировочный вал и начинать испытания. Этот прототип так и не заработал должным образом.

2) Подвес из вольфрамовой проволоки

В этом подвесе используется вольфрамовая проволока толщиной 0,05 мм. Она почти невидима, и каждый, кто видит ее движение, думает, что маятник левитирует. Я выбрал такую тонкую проволоку, чтобы избежать внутреннего напряжения, которое могло бы повлиять на вращение маятника. Неожиданно, сам не зная почему, этот маятник так и не заработал. Все попытки отрегулировать уровень и вращение подвеса были безуспешны.

3) Шариковый подвес

Еще больше прототипов, которые так и не заработали! На первой фотографии видно, что подвес представляет собой 1-миллиметровый шарик из карбида вольфрама, лежащий на сапфировом основании. Подвеска может свободно двигаться в любом направлении. На практике он никогда не поворачивался так, как должен был. Этот прототип колебался в течение 9 месяцев без каких-либо регулировок.

На фото ниже показан другой тест, в котором использовался тот же принцип. Однако в нем катящийся шарик опирается на стальную пластину. Эти попытки оказались такими же неудачными, как и у прототипа с вольфрамовым шариком.
Регулировка баланса подвески очень похожа на регулировку карданного шарнира. В первую очередь необходимо снять весь баланс и максимально облегчить подвеску. Нижняя часть подвески должна быть значительно тяжелее, чтобы она поднималась сама по себе. Если она не поднимается идеально вертикально, необходимо изменить баланс, удалив груз из латунного кольца. Для этого просто отшлифуйте кольцо с той стороны, на которую оно опирается (на фото видны следы)