Thực đơn
Con_lắc
Trong 300 năm, từ khi được phát hiện ra vào khoảng năm 1582 cho đến khi đồng hồ thạch anh được phát triển vào những năm 1930, con lắc là tiêu chuẩn đo thời gian chính xác nhất.[2][67] Ngoài con lắc đồng hồ, con lắc hai giây tự do được sử dụng rộng rãi như bộ định thời chính xác dùng trong các thí nghiệm khoa học ở thế kỷ XVII và XVIII. Con lắc đòi hỏi sự ổn định cơ học lớn: sự thay đổi chiều dài chỉ 0,02%, 0,2 mm trong con lắc đồng hồ quả lắc, sẽ gây ra sai số lên đến một phút mỗi tuần.[68]
Các con lắc trong đồng hồ (xem ví dụ ở bên phải) thường được làm bằng một quả nặng (b) được treo bằng một thanh làm từ gỗ hoặc kim loại (a).[4][61] Để giảm sức cản không khí (là tác nhân chính làm hao tổn năng lượng trong đồng hồ chính xác)[62] quả nặng theo truyền thống là một đĩa trơn có tiết diện hình thấu kính, mặc dù trong đồng hồ cổ, nó thường có chạm khắc hoặc trang trí đặc trưng cho loại đồng hồ. Trong các đồng hồ chất lượng, quả nặng được làm nặng nhất có thể, vì điều này giúp con lắc cải thiện khă năng tự hiệu chỉnh của đồng hồ. Trọng lượng phổ biến cho quả nặng con lắc hai giây là 15 pound (6,8 kg).[63] Thay vì treo trên trục, con lắc đồng hồ thường được hỗ trợ bởi một lò xo thẳng ngắn (d) của ruy băng kim loại linh hoạt. Cơ cấu này tránh được ma sát và xoắn do trục quay và lực uốn nhẹ của lò xo chỉ làm tăng thêm lực phục hồi của con lắc chút ít. Đồng hồ có độ chính xác cao nhất sở hữu các lưỡi dao nằm trên các tấm làm từ đá mã não. Các xung để giữ cho con lắc dao động được cung cấp bởi một cánh tay treo sau con lắc gọi là cái nạng, (e), đầu của nó kết thúc bằng một cái nĩa, (f) có các ngạnh ôm lấy thanh lắc. Cái nạng được đẩy qua lại bởi bộ thoát đồng hồ, (g,h).
Mỗi khi con lắc dao động qua vị trí trung tâm của nó, nó sẽ nhả ra một chiếc răng của bánh xe thoát (g). Lực của lò xo dây cót đồng hồ hoặc tải trọng con lái treo trên ròng rọc, được truyền qua hệ thống bánh răng, khiến bánh xe quay và một chiếc răng ấn vào một trong những cái pallet (h), cung cấp cho con lắc một cú húc ngắn. Các bánh xe của đồng hồ, khớp với các bánh thoát, di chuyển về phía trước một lượng cố định với mỗi vòng lắc, đẩy các kim đồng hồ với tốc độ ổn định.
Con lắc luôn có một phương tiện điều chỉnh chu kỳ, thường là bằng một đai ốc điều chỉnh (c) nằm dưới quả nặng di chuyển nó lên hoặc xuống trên thanh.[4][64] Di chuyển con lắc lên làm giảm chiều dài dây, khiến cho con lắc chạy nhanh hơn và đồng hồ thêm được thời gian. Một số đồng hồ chính xác có trọng lượng điều chỉnh phụ nhỏ trên trục ren trên quả nặng, để cho phép điều chỉnh tốt hơn. Một số đồng hồ tháp và đồng hồ chính xác sử dụng một khay được gắn gần điểm giữa của thanh con lắc, giúp ta có thể thêm hoặc loại bỏ quả nặng. Điều này có thể chuyển tâm dao động và cho phép điều chỉnh tốc độ mà không phải dừng đồng hồ.[65][66]
Con lắc phải được treo trên một giá đỡ cứng chắc.[8][75] Trong quá trình vận hành, bất kỳ độ co giãn dù có nhỏ thế nào đi chăng nữa, vẫn sẽ gây ra nhiễu loạn trong chuyển động, làm xáo trộn sự đo thời gian của đồng hồ, dẫn đến các sai số. Đồng hồ quả lắc, do đó, nên được gắn chắc chắn vào một bức tường vững chắc.
Chiều dài con lắc phổ biến nhất trong đồng hồ chất lượng, luôn được sử dụng trong đồng hồ ông nội, là con lắc hai giây, dài khoảng 1 mét (39 inch). Trong đồng hồ đặt kệ, con lắc nửa giây, dài 25 cm (9,8 in) hoặc ngắn hơn, được sử dụng. Chỉ có một vài đồng hồ tháp lớn sử dụng con lắc dài hơn, con lắc 1,5 giây, dài 2,25 m (7,4 ft) hoặc đôi khi là con lắc hai giây, 4 m (13 ft),[8][76] được sử dụng trên Tháp đồng hồ của cung điện Westminster. [77]
Nguồn sai số lớn nhất trong các con lắc sớm là những thay đổi nhỏ về chiều dài do sự giãn nở và sự co lại của thanh con lắc bởi sự thay đổi nhiệt độ môi trường.[67] Điều này đã được phát hiện khi mọi người nhận thấy rằng đồng hồ quả lắc chạy chậm hơn vào mùa hè, khoảng một phút mỗi tuần[48][68] (một trong những người đầu tiên phát hiện ra điều này là Godefroy Wendelin, được Huygens báo cáo vào năm 1658).[69] Sự giãn nở nhiệt của thanh con lắc được nghiên cứu đầu tiên bởi Jean Picard vào năm 1669.[70][71] Một con lắc có thanh thép sẽ mở rộng thêm khoảng 11,3 ppm với mỗi độ tăng Celsius, khiến nó mất khoảng 0,27 giây mỗi ngày cho mỗi độ tăng nhiệt độ Celsius, hoặc 9 giây mỗi ngày cho sự thay đổi 33°C (59°F). Thanh gỗ mở rộng ít hơn, chỉ mất khoảng 6 giây mỗi ngày cho sự thay đổi 33°C (59°F), đó là lý do tại sao đồng hồ chất lượng thường có thanh con lắc bằng gỗ. Gỗ phải được đánh vecni để ngăn hơi nước xâm nhập, vì sự thay đổi độ ẩm cũng sẽ ảnh hưởng đến chiều dài.
Thiết bị đầu tiên bù đắp cho lỗi này là con lắc thủy ngân, được phát minh bởi George Graham[49] vào năm 1721.[4][68] Thủy ngân kim loại lỏng giãn thể tích thuận với nhiệt độ. Trong một con lắc thủy ngân, quả nặng của con lắc là một vật chứa thủy ngân. Khi nhiệt độ tăng, thanh con lắc sẽ dài ra, nhưng thủy ngân cũng nở ra và mặt thoáng bề mặt của nó cũng dâng lên một chút trong vật chứa, di chuyển khối tâm của nó lại gần trục quay của con lắc. Bằng cách sử dụng một chiều cao chính xác của thủy ngân trong vật chứa, hai hiệu ứng này sẽ triệt tiêu lẫn nhau, khiến cho khối lượng của con lắc và chu kỳ của nó không thay đổi theo nhiệt độ. Nhược điểm chính của nó là khi nhiệt độ thay đổi, que sẽ nhanh chóng đạt đến nhiệt độ mới nhưng khối lượng thủy ngân có thể mất một hoặc hai ngày để đạt đến nhiệt độ mới, khiến độ chính xác bị lệch trong khoảng thời gian đó.[72] Để cải thiện sự hiệu chỉnh nhiệt, một số chỗ chứa mỏng thường được sử dụng, làm bằng kim loại. Con lắc thủy ngân là tiêu chuẩn được sử dụng trong đồng hồ bỗ chính chính xác vào thế kỷ XX.[73]
Con lắc bố chính được sử dụng rộng rãi nhất là con lắc Gridiron, được phát minh vào năm 1726 bởi John Harrison.[4][68][72] Nó bao gồm các thanh xen kẽ của hai kim loại khác nhau, một kim loại có độ giãn nở nhiệt thấp hơn (CTE), thép và một thanh có độ giãn nở nhiệt cao hơn, kẽm hoặc đồng thau. Các thanh được nối với nhau bằng một khung, như được thể hiện trong hình vẽ bên phải, do đó, việc tăng chiều dài của thanh kẽm sẽ đẩy quả nặng lên, rút ngắn con lắc. Với sự gia tăng nhiệt độ, các thanh thép có độ giãn nở thấp làm cho con lắc dài hơn, trong khi các thanh kẽm có độ giãn nở cao làm cho nó ngắn hơn. Bằng cách tạo ra các thanh có độ dài chính xác, sự giãn nở lớn hơn của kẽm sẽ triệt tiêu sự giãn nở của các thanh thép có chiều dài kết hợp lớn hơn và con lắc giữ nguyên chiều dài với nhiệt độ.
Con lắc gridiron thép kẽm được chế tạo bằng 5 thanh, nhưng sự giãn nở nhiệt của đồng thau gần với thép hơn, do đó, con lắc loại này thường cần 9 thanh. Các con lắc Gridiron điều chỉnh theo sự thay đổi nhiệt độ nhanh hơn các con lắc thủy ngân, nhưng các nhà khoa học phát hiện ra rằng ma sát của các thanh trượt trong các lỗ của chúng trong khung khiến cho các con lắc Gridiron phải điều chỉnh trong một loạt các cú nhảy nhỏ.[72] Trong các đồng hồ có độ chính xác cao, điều này khiến tốc độ của đồng hồ thay đổi đột ngột với mỗi lần nhảy. Sau đó người ta phát hiện ra rằng kẽm có thể bị biến dạng dẻo nguội. Vì những lý do này, con lắc thủy ngân đã được sử dụng trong đồng hồ có độ chính xác cao nhất, còn con lắc gridiron được sử dụng trong đồng hồ hiệu chỉnh chất lượng.
Con lắc gridiron trở nên gắn liền với chất lượng tốt đến mức, cho đến ngày nay, nhiều con lắc đồng hồ thông thường có gridiron 'giả' trang trí mà thực sự không có chức năng bù nhiệt độ.
Khoảng năm 1900, các vật liệu giãn nở nhiệt thấp đã được phát triển có thể được sử dụng làm thanh lắc để tạo ra sự bù nhiệt độ phức tạp không cần thiết. [8][79] Chúng chỉ được sử dụng trong một vài đồng hồ có độ chính xác cao nhất trước khi con lắc trở nên lỗi thời như một tiêu chuẩn thời gian. Năm 1896 Charles Édouard Guillaume đã phát minh ra Invar, hợp kim thép niken. Chất này có CTE vào khoảng 0.5 µin/(in·°F), dẫn đến sai số nhiệt độ con lắc trên 71°F chỉ là 1,3 giây mỗi ngày và lỗi dư này có thể được bù thành 0 với vài cm nhôm dưới quả nặng[2][83] (minh họa trong hình ảnh đồng hồ Riefler ở trên). Con lắc Invar được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1898 trong đồng hồ hiệu chỉnh Riefler[85] đạt được độ chính xác 15 mili giây mỗi ngày. Lò xo treo của Elinvar đã được sử dụng để loại bỏ sự thay đổi nhiệt độ của lực phục hồi của lò xo trên con lắc. Thạch anh hợp nhất sau này được sử dụng có CTE thậm chí thấp hơn. Những vật liệu này là sự lựa chọn cho các con lắc có độ chính xác cao hiện đại.[86]
Ảnh hưởng của không khí xung quanh lên con lắc chuyển động rất phức tạp và đòi hỏi các phép tính cơ học chất lỏng với độ chính xác cao, nhưng đối với hầu hết các mục đích, ảnh hưởng của nó lên chu kỳ có thể được gộp thành ba hiệu ứng:[56][74]
Tăng áp suất khí quyển làm tăng chu kỳ của con lắc một chút do hai hiệu ứng đầu tiên, khoảng 0,11 giây mỗi ngày trên mỗi kilopascal (0,37 giây mỗi ngày trên một inch thủy ngân hoặc 0,015 giây mỗi ngày trên torr).[56] Các nhà nghiên cứu sử dụng con lắc để đo gia tốc trọng trường phải điều chỉnh chu kỳ cho áp suất không khí ở độ cao đang đo, tính toán thời gian tương đương của một con lắc dao động trong chân không. Đồng hồ quả lắc được vận hành lần đầu tiên trong bể áp suất không đổi bởi Friedrich Tiede vào năm 1865 tại Đài thiên văn Berlin,[75][76] và đến năm 1900, đồng hồ có độ chính xác cao nhất được gắn trong các bể được giữ ở áp suất không đổi để loại bỏ những thay đổi trong áp suất không khí. Ngoài ra, trong một số cơ chế của áp kế aneroid nhỏ gắn vào con lắc giúp bố chính cho hiệu ứng này.
Thực đơn
Con_lắcLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Con_lắc