Mechaniczne wahadło
Było to w słynnej katedrze w Pizie w roku 1584. Galileo Galilei nazywany też Galileuszem patrzył, jak urzeczony na ruch wahającej się lampy oliwnej zawieszonej na długim sznurze. Zaczął porównywać czas wahnięć ze swoim pulsem. Zgadzało się, bo każdemu wahnięciu odpowiadała jednakowa liczba uderzeń pulsu. Skonstatował, że wahania lampy przebiegają zawsze w tym samym czasie i mogą być miernikiem upływającego czasu. Dalsze badania nad zjawiskiem wahadła prowadził w domu.
Galileusz pierwszy sformułował prawa ruchu wahadła. Jego badania wykazały, że czas trwania wychylenia jest zawsze jednakowy, niezależnie od drogi przebytej przez wahadło. Czas zmienia się jednak wtedy, gdy zmieniamy długość sznura, czyli długość ramienia wahadła liczony od osi zawieszenia do końca lampy. Idźmy śladem Galileusza, zróbmy model mechanicznego wahadła z własnym napędem.
Nasz model, wiszący na ścianie, nie będzie kompletnym zegarem, ale będzie miał wahadło, zębaty tryb i wychwytowy mechanizm napędowy. Mechanizm ten będzie napędzał wahadło, wykorzystując siłę grawitacji. Po nakręcaniu można będzie przyglądać się, jak pracuje, bo mechanizm nie pozostanie zakryty. Do tego nasz działający model wydaje odgłos przypominający cykanie dawnego ściennego zegara.
Zabierajmy się do pracy. Do budowy modelu użyjemy sklejki i drewna, osie będą tkwiły w prawdziwych łożyskach, dzięki czemu nie będzie strat tarcia i mechanizm zadziała możliwie precyzyjnie, a do budowy modelu proponuję użyć całego arsenału elektronarzędzi. I tak wiertarka na kolumnie zapewni nam prostopadłość otworów, a mechaniczna piła włośnicowa sprawi, że wycinanie zębów koła zębatego będzie przyjemnością.
Szlifierka taśmowa z różnej gradacji papierami ściernymi od 36 do 150 zastąpi pilniki do drewna, a wyrzynarka z laserowym wskaźnikiem upora się błyskawicznie z przycinaniem grubej sklejki dużego koła zamachowego. Jednym słowem, majsterkujemy na bogato.
Działanie mechanizmu: do deski suportu zamocowane jest na osi wahadło. Wahadło zegarowe jest stosowane w zegarach mechanicznych, jak już wiemy, od Galileusza, jako prosty element odmierzający jednakowe odcinki czasu. Zbudujemy je z pręta zakończonego obciążnikiem nazywanym przez fachowców łezką. Wahadło wykonuje drgania w płaszczyźnie pionowej pod wpływem siły grawitacji.
Górna część wahadła, ta powyżej osi, przenosi za pomocą listwy łączącej ruch wahadła na koło zamachowe. Utrzymanie stałej amplitudy ruchu wahadła odbywa się poprzez uzupełnianie strat energii za pomocą mechanicznego wychwytu. Zębaty tryb napędzany jest za pomocą obciążnika zawieszonego na sznurku. Obciążnik zrobiony jest z ciężkiego drewna np. ze szlachetnej dębiny. Aby sznurek obciążony ciężarkiem nie rozkręcił się gwałtownie, z trybem zębatym współpracuje zapadka. Blokuje tryb. Zapadka jest podnoszona kształtką umieszczoną na pręcie wahadła i pozwala na to, że tryb zębaty może obrócić się tylko o jeden ząb na jeden powrotny ruch wahadła. Widać to na fotografiach. Już widzę radość w momencie, kiedy powiesimy na ścianie nasz mobil, nakręcimy go i uruchomimy.
Narzędzia: papier, ołówek, nożyczki, wiertarka na kolumnie, wiertła piórkowe i otwornica do wiercenia dużych otworów, szlifierka taśmowa, mechaniczna piła włośnicowa, elektryczny strug, ściski stolarskie, dremel, wyrzynarka, klej na gorąco w serwującym go pistolecie, wikolowy klej do drewna.
Materiały: płyta drewniana 500×300×15 milimetrów, sklejka o grubości 12 milimetrów, łata drewniana, deska o grubości 20milimetrów lub calowa, pręt drewniany o średnicy 13 i długości 800 milimetrów, listwa 10×10×500, 14 sztuk łożysk kulkowych o wymiarach 7×3×3 milimetra, typ 683ZZ, gdzie średnica zewnętrzna to 7, a średnica wewnętrzna do osi 3 milimetry, sznurek jedwabny lub dratwa szewska, dwa wieszaki do obrazków.
Suport: jest zrobiony z lekkiej deski lipowej o wymiarach 500×350 milimetrów. Do krótszego boku za pomocą gwoździków mocujemy dwa uchwyty do wieszania obrazków. Starajmy się, żeby były na tej samej wysokości i równolegle do siebie. W przyszłości, gdy będziemy wieszać nasz model, posłużymy się poziomnicą.
Koło zamachowe: dla uniknięcia pomyłek najpierw na papierze rysujemy nasze koło zamachowe o średnicy 200 milimetrów. Dla ozdoby oraz zmniejszenia masy możemy zaprojektować na wzorze a potem wywiercić sześć otworów o średnicy 40 milimetrów. Koła te rysujemy sobie cyrklem co 60° i w jednakowej odległości od środka. Na sklejce o grubości 12 milimetrów przyklejamy po całości płaszczyzny nasz papierowy szablon klejem wikolowym. Gdy klej wyschnie, koło ze sklejki wycinamy wyrzynarką. Pracę bardzo ułatwią uchwyty stolarskie, którymi będziemy mocować naszą przycinaną sklejkę do stołu warsztatowego. Będziemy mieć wtedy wolne ręce i możliwość skupienia się na prowadzeniu brzeszczotu możliwie blisko linii szablonu.
Za pomocą szlifierki taśmowej zaopatrzonej w gruby papier ścierny wyrównujemy linie cięcia do linii szablonu. Widać teraz, jak bardzo potrzebne było naklejenie szablonu na sklejkę. Mamy zgrubnie wycięte koło zamachowe. Teraz pora napunktować osie wszystkich kół zmniejszających masę, co nam potem bardzo ułatwi wiercenie. Punktujemy oczywiście punktakiem i małym młotkiem. Możemy przystąpić do wiercenia.
Bardzo istotne jest dokonanie tego wiertarką na statywie. Wiertarka kolumnowa zapewni nam prostopadłość otworów do płaszczyzny sklejki. Centralny otwór proponuję tymczasowo wywiercić wiertłem 5 milimetrów, potem go rozwiercimy, dostosowując do wymiarów zamówionych łożysk. Otwory o średnicy 40 milimetrów bez problemu zrobimy płaskim wiertłem piórowym. Aby koło było naprawdę równe i okrągłe, posłużymy się trikiem zastępującym tokarkę. Do centralnego otworu wkładamy śrubę M5 i mocujemy ją dwiema nakrętkami. Nakrętką i kontrnakrętką.
To zapobiegnie odkręceniu się, jak mogłoby się to zdarzyć, gdybyśmy użyli jednej nakrętki. Ta druga mocująca nazywa się kontrnakrętką. Nasze koło mocujemy w wiertarce zamocowanej w uchwycie i papierem ściernym szlifujemy tak, by uzyskać perfekcyjny kształt koła. Szablon z powierzchni zdzieramy papierem ściernym za pomocą szlifierki taśmowej, a brzegi otworów dremelem z tarczką listkową.
Poprzeczka: przenosi ruch wahadła na koło zamachowe. To listewka o przekroju 10×10 milimetrów i długości 220 milimetrów. Na jej końcach wiercimy dwa otwory 7 mm, w które wklejamy klejem wikolowym malutkie łożyska. Powinny być umieszczone równo z powierzchnią płaszczyzny listewki. Widać to na fotografii. Z innymi łożyskowanymi elementami postąpimy podobnie.
Wahadło: pręt o średnicy 13 i długości 700 milimetrów. W odległości 530 milimetrów będzie umieszczona łożyskowana oś wahadła. Wahadło zakończone jest łezką o średnicy 110 milimetrów. Łezkę wycinamy z litego drewna wyrzynarką i obrabiamy papierem ściernym do uzyskania odpowiedniego kształtu. W górnej części wiercimy otwór na oś poprzeczki przenoszącej ruch na koło zamachowe. Osiami są śruby M3 o długości 20 milimetrów.
Tryb zębaty: jest wycięty z 12-milimetrowej grubości sklejki. Zaczniemy jednak, a jakże, od szablonu. Na papierze rysujemy koło o średnicy 100 milimetrów i drugie centralnie o średnicy 80 milimetrów. Od środka rysujemy promienie precyzyjnie co 30°.
Tak jak widać na rysunku, łączymy prostymi te punkty na obwodzie, tworząc 12 zębów. Koło wycinamy ze sklejki za pomocą piły włośnicowej lub wyrzynarki. Całość wyrównujemy i wygładzamy papierem ściernym.
Zapadka: z deseczki o grubości 15 milimetrów wycinamy kształt o długości 170 milimetrów, tak jak to widać na rysunku. Istotny jest ząb współpracujący z trybem. Widzimy to na rysunku. Z jednej strony wiercimy otwór o średnicy 7 milimetrów pod łożyska. Dwa łożyska po jednym z każdej strony wklejamy klejem wikolowym równo z powierzchnią płaszczyzny drewna.
Popychacz: jest przyklejony do ramienia wahadła i składa się z dwóch deseczek o grubości 5 milimetrów lub patyczków od lodów. Jego dokładne położenie i wymiary ustalimy dopiero podczas montażu. Wówczas będziemy mogli określić, w którym miejscu ramienia wahadła powinien być przyklejony i jaką dokładnie muszą mieć długość wystające elementy, aby prawidłowo współpracowały z zapadką.
Bęben napędu: ma kształt walca o wymiarach: grubość 15 i średnica 30 milimetrów; wycinamy go z litego drewna. Na nim będzie nawinięty sznurek.
Pokrywa bębna: koło wycięte ze sklejki o grubości 10 milimetrów obrobione papierem ściernym. Na powierzchnie pokrywy doklejamy klejem wikolowym uchwyt pokrętło w kształcie krzyża zrobionego z listewek lub patyczków od lodów.
Obciążnik: dwa jednakowe drewniane elementy o wymiarach 110×100×20 milimetrów. Przy dolnej krawędzi pomiędzy te klocki wklejamy listwę 100×35×10 milimetrów. Po wyschnięciu kleju obrabiamy obciążnik papierem ściernym. Przy górnej krawędzi obciążnika wiercimy dwa otwory o średnicy 3 milimetrów w odległości 70 milimetrów. W otwory wkładamy gwoździe, które będą osiami rolek prowadzących sznurek, na którym zawieszony jest obciążnik. Widzimy to na fotografii.
Suport obciążnika: zrobimy z listwy o wymiarach 200×35×10 milimetrów. Wiercimy 5 otworów. Dwa z nich posłużą do przymocowania listwy do spodu boku deski suportu. W pozostałych trzech zamocujemy zrobione z nitów rolki prowadzące sznurek od mechanizmu bębna zębatki do obciążnika. Widzimy to na fotografii.
Montaż modelu: zaczynamy od zamocowania na ścianie deski suportu, sprawdzając jej wyrównanie za pomocą poziomnicy. Z prawej strony na swojej osi mocujemy wahadło. Na osi montujemy podkładki dystansowe, tak by nie tarło o deskę suportu. Koło zamachowe powinno mieć swoją oś umieszczoną na wysokości górnej części wahadła. Tu także zastosujemy podkładki dystansowe. Koniec górnej części wahadła łączymy za pomocą poprzeczki z kołem zamachowym. Wyznaczamy miejsce na oś bębna zapadki. Po zamontowaniu tego bębna z łatwością znajdziemy miejsce, gdzie powinna być zamocowana oś zapadki. Ma ona, opadając pod własnym ciężarem, zazębiać się z trybem zębatym a jednocześnie podnosić się wtedy, kiedy bęben z trybem jest ręcznie obracany celem podciągnięcia obciążnika. Nie trzeba dodawać, że zapadka ma precyzyjnie trafiać w zęby koła zapadkowego.
Do bębna przyklejamy klejem wikolowym sznurek o długości około 3 czy 4 metrów, na którym będzie zawieszony obciążnik. Długość sznurka zależy od wysokości, na której zawieszamy model oraz jak długo będzie pracował mechanizm. Najpierw nawijamy na bęben trzy czy cztery zwoje i powlekamy klejem, zwracając uwagą na koniec sznurka. Gdy klej wyschnie, nawijamy resztę sznurka na bęben. Do ramienia wahadła przyklejamy dwie cienkie listewki poruszające mechanizm bębna za każdym razem, gdy wahadło jest wychylone po lewej stronie. Tu także potrzebna jest precyzja, ale klej na gorąco pozwoli nam wyregulować położenie tych popychaczy, zanim stwardnieje. Niższa listewka blokuje tryb zapadki w chwili, gdy górna podnosi zapadkę.
Gdy odpowiednio dobierzemy długości tych listewek, ten mechanizm wychwytowy będzie pozwalał na obrót koła zapadki tylko o jeden ząb na każdy ruch powrotny wahadła. Pewnie to się nie uda za pierwszym razem i trzeba będzie przekleić położenie górnej listewki, ale wreszcie musi się to powieść, bo inaczej mechanizm nie zadziała. Zawieszamy nasz obciążnik na sznurku, który jest poprowadzony w rolkach i model jest gotowy.
Zabawa: Nakręcamy mechanizm modelu, obracając uchwyt bębna zapadkowego i poruszamy wahadło. Powinien bez problemu ruszyć. Słychać dźwięk pracującej zapadki, a wahadło porusza się, odmierzając czas. Galileusz, gdyby żył, z pewnością by nas pochwalił za takie ujęcie tematu wahadła, ale pewnie jeszcze bardziej zadziwiłyby go nasze współczesne elektroniczne sterowane internetowo zegarki.
Adam Łowicki
