Pendel

Die Aufgabe des Gangreglers ist es, die Zeit in genau gleiche Zeitabschnitte zu teilen (z. B. in Sekunden). Je besser er diese Aufgabe erfüllt, um so besser ist der Zeitmesser. Die Güte der Uhr hängt also weitgehend von der Güte des Gangreglers ab.

Haben der Antrieb, das Räderwerk und die Hemmung die Aufgabe, dem Gangregler die zur Erhaltung seiner Bewegungen erforderliche Kraft zuzuführen, so ist der Gangregler Kompensations-Pendelder eigentliche Zeitmesser. In den mechanischen Uhren werden als Gangregler zumeist Schwinger verwandt, z. B. das Pendel oder die Unruh mit Spiralfeder.

Das Pendel

Ein Pendel ist ein Körper, dessen Drehpunkt außerhalb des Schwerpunkts liegt. Dieser Körper lässt sich um den Drehpunkt in hin- und hergehende Bewegungen versetzen. Heben wir ein Pendel aus der Ruhelage (Mittellage) heraus und lassen es los, dann wirken zur Mittellage hin die Anziehungskraft der Erde (Schwerkraft) und die in der Masse aufgespeicherte Schwungkraft. Über die Mittellage hinaus wirkt die Schwungkraft weiter, aber jetzt gegen die Schwerkraft. Diese vermindert also die Schwungkraft. Sind beide gleich groß geworden, kehrt das Pendel um, und es wiederholt sich der Vorgang in der anderen Richtung.

Diese Bewegung würde nicht aufhören, wenn sich nicht Widerstände entgegenstellten. Diese Widerstände sind die Reibung im Drehpunkt des Pendels und der Luftwiderstand. Die von diesen beiden aufgezehrte Kraft muss vom Räderwerk nachgeliefert werden, wenn das Pendel in Schwingung bleiben soll. Ähnlich verhält es sich bei der Unruh mit Spiralfeder. Die in der Unruh aufgespeicherte Schwungkraft wird hier jedoch von der Spannkraft der Spiralfeder zurückgezogen.

Die Pendelgesetze

Die Schwingungen sind bestimmten Gesetzmäßigkeiten unterworfen. Machen wir mit verschiedenen Kugeln, die wir an dünnen Fäden aufhängen, Versuche, dann stellen wir fest:

„Die Längen zweier Pendel verhalten sich zueinander wie die Quadrate der Schwingungszeiten.“

Wir Uhrmacher rechnen aber selten mit der Schwingungszeit, sondern vielmehr mit der Schwingungszahl. Überlegen wir, wie sich diese beiden zueinander verhalten, dann stellen wir fest, dass mit kürzerer Schwingungszeit die Zahl der Schwingungen größer wird. Sie verhalten sich also umgekehrt zueinander. Daraus folgt:

„Die Längen zweier Pendel verhalten sich umgekehrt wie die Quadrate ihrer Schwingungszahlen.“

Hier sei betont, dass eine Schwingung am Pendel von Ausgangspunkt zum Ausgangspunkt geht. Das heißt z.B. vom linken Umkehrpunkt über den rechten Umkehrpunkt hinweg wieder zum linken Umkehrpunkt. Von einem Umkehrpunkt zum anderen Umkehrpunkt ist eine Halbschwingung. Im Fachrechnen sagen wir auch Pendelschlag.

Wie werden nun diese Längen am Pendel gemessen? Das Messen ist recht einfach beim mathematischen Pendel. Dieses besteht aus einer Kugel, die an einem dünnen Faden hängt. Die Länge ist zu messen vom Drehpunkt bis zum Mittelpunkt (Schwerpunkt) der Kugel. Anders beim körperlichen (physikalischen) Pendel.

Hier besteht das Pendel aus vielen kleinen Einzelpendeln, die die Pendellänge kürzen. Der sich aus der Summe der Einzelpendel ergebende Schwingungsmittelpunkt liegt etwa in der Mitte zwischen dem Schwerpunkt der Linse und dem Schwerpunkt des ganzen Pendels. Den Schwerpunkt des ganzen Pendels stellt man fest, wenn man das Pendel auf eine Schneide legt und es in Gleichgewicht bringt.

Die Pendelaufhängungen

Sie sollen möglichst bruchsicher und unveränderlich sein und dabei nur geringste Reibungsverluste haben. Alle diese Anforderungen zu erfüllen, ist aber sehr schwierig:

Die Drahtösenaufhängung wird in Uhren mit leichten Pendeln verwandt. Sie ist ziemlich bruchsicher, hat aber große Reibung und starken Verschleiß.
Die Fadenaufhängung wurde schon von Huygens für leichte Pendel benutzt. Sie hat geringe Reibung, ist aber veränderlich, bei feuchtem Wetter (hygroskopisch).
Die Schneidenaufhängung, früher in alten englischen Standuhren und heute in Riefler-Uhren angewandt, ist auch für schwere Pendel geeignet. Reibung und Abnutzung sind vorhanden. Der Lagerpunkt ist bei flacher Pfanne schwer zu richten.
Zapfen- und Körneraufhängung, in einfachen Uhren, Küchenuhren usw. angewandt: Reibung und Verschleiß sind stark; nur für leichte Pendel verwendbar; dagegen aber unempfindlich.
Die Federaufhängung ist heute am gebräuchlichsten. Sie hat geringe Reibung, fast keinen Verschleiß, ist jedoch empfindlich gegen Verdrehung. Ihr Vorteil liegt in der Möglichkeit, isochrone (isos = gleich, chronos = Zeit), zeitengleiche Schwingungen zu begünstigen. Pendelfedern mit zwei Einzelfedern verhüten infolge ihrer größeren Breite das „Schlingern“ des Pendels.

Der Drehpunkt des Pendels soll in der Verlängerung der Ankerwelle liegen, damit die Pendelgabel und die Pendelstange auf gleichen Bögen schwingen. Liegen die Drehpunkte nebeneinander, dann gleitet die Gabel an der Stange auf und ab. Dadurch entsteht eine zusätzliche Reibung und Kraftverlust. Ein Kraftverlust entsteht auch, wenn die Gabel zu eng ist und klemmt. Auch durch eine zu weite Gabel geht ein Teil der Hebungskraft verloren, und außerdem entsteht ein klapperndes Geräusch. Eingeschlagene Stellen müssen geglättet und die Gabel muss innen gerundet und poliert werden. Die Berührungsstellen sollen leicht geölt sein.

Der Isochronismus des Pendels

Dieser ist beim Pendel nur innerhalb der kleinen Schwingungsweiten vorhanden. Bei größeren Schwingungsweiten wirkt der Luftwiderstand verzögernd. Dieses Nachgehen bei Zunahme der Schwingungsweiten kann durch die Pendelfeder ausgeglichen werden. Der Biegungspunkt der Pendelfeder, der zunächst etwa im oberen Drittel liegt, verlagert sich nach unten, wenn die Feder durch die Auslenkung des Pendels gespannt wird.

Dadurch wird das Pendel kürzer und schwingt schneller. Eine völlige Übereinstimmung zu erreichen, ist sehr schwierig und wird nur bei feinsten Uhren versucht. Sie ist abhängig von der Stärke und Spannkraft der Pendelfeder. Aber auch bei einfachen Uhren kann die Gleichförmigkeit der Pendelschwingungen leicht dadurch begünstigt werden, dass man bei der Reparatur die zum Pendel passende Pendelfeder auswählt.

Das Kompensationspendel (Ausgleichspendel)

Alle Körper dehnen sich bei Erwärmung aus; das Pendel wird länger, die Uhr geht nach. Jeder Körper hat seine ihm eigene Größe der Wärmeausdehnung. Sie ist durch die Ausdehnungszahl bestimmt. Diese gibt an, um wie viel Millimeter ein Stab von 1 mm Länge größer wird, wenn er um 1 Grad C erwärmt wird. Bei feinen Pendeluhren ist dieser Fehler zu groß. Hier sind Ausgleichseinrichtungen (Kompensationspendel) erforderlich. Solche sind:

Das Rostpendel, 1726 von Harrison erfunden. Es besteht aus einer Zusammenstellung von Stahl- und Messingstäben. Die Ausdehnung der Stahlstäbe nach unten wird ausgeglichen durch die Ausdehnung der Messingstäbe nach oben, so dass die Linse stets in gleicher Höhe bleibt).
Das Quecksilberpendel, 1721 von Graham angewandt, hat an Stelle der Linse ein Gefäß mit Quecksilber.

Bei Wärmeausdehnung des Pendelstabes nach unten muss sich das Quecksilber so weit heben, dass die alte Pendellänge erhalten bleibt. Ein Nachteil ist der, dass die große Quecksilbermenge auf die Wärme schwerfällig anspricht. Man verwendet daher auch zwei Gefäße mit je der halben Menge.

Das Nickelstahlpendel, 1895 von Riefler gebaut, hat einen Pendelstab aus einer Nickel-Stahllegierung (3611/o Ni) Diese Legierung wurde von Professor Guillaume gefunden, der sie Invar (unveränderlich = invariabel) nannte. Als Ausgleichsstück steht ein kurzes Messingrohr etwa 50 mm lang auf der Reguliermutter Verlängert durch ein Stück Stahlrohr reicht es bis zur Mitte der aufgebohrten Pendellinse, deren Schwerpunkt somit immer in gleicher Höhe bleibt Die Herstellung der Legierung ist teuer, weil ein langes Alterungsverfahren zur Lösung der Werkstoffspannungen notwendig ist. Dennoch finden wir es heute bei allen feinen Uhren.

Das Quarzpendel von Sartorie, Wien, hat die geringste Wärmeausdehnung. Daher ist nur ein sehr kleines Ausgleichsstück erforderlich. Quarz ist Kieselsäure und wird in einer Knallgasflamme geschmolzen und zum Stab gegossen. Es ist zerbrechlich wie Glas. Aufhängung und Linse sind sehr schwer anzubringen. Es wird wenig verwandt.

Zurück zum Luxusuhren Lexikon

Zu unserer Luxusuhren Empfehlung