Pegas keseimbangan

Pegas keseimbangan atau pegas rambut adalah pegas yang dipasang di roda keseimbangan pada arloji mekanis. Hal ini menyebabkan roda keseimbangan berosilasi dengan frekuensi resonansi saat penunjuk waktu berjalan, yang mengontrol kecepatan putaran roda arloji, sehingga laju pergerakan tangan. Tuas pengatur sering dipasang, yang dapat digunakan untuk mengubah panjang bebas pegas dan dengan demikian menyesuaikan kecepatan penunjuk waktu.

Pegas keseimbangan adalah pegas puntir spiral atau heliks halus yang digunakan pada jam tangan mekanis, jam weker, pengatur waktu dapur, kronometer laut, dan mekanisme penunjuk waktu lainnya untuk mengontrol laju osilasi roda keseimbangan. Pegas keseimbangan adalah tambahan penting untuk roda keseimbangan, menyebabkannya berosilasi bolak-balik. Pegas keseimbangan dan roda keseimbangan bersama-sama membentuk osilator harmonis, yang berosilasi dengan periode yang tepat atau "denyut" yang menahan gangguan eksternal, dan bertanggung jawab atas akurasi penunjuk waktu.

Penambahan pegas keseimbangan ke roda keseimbangan sekitar tahun 1657 oleh Robert Hooke dan Christiaan Huygens sangat meningkatkan akurasi arloji portabel, mengubah jam saku awal dari barang baru yang mahal menjadi pencatat waktu yang berguna. Perbaikan pada pegas keseimbangan bertanggung jawab atas peningkatan akurasi yang lebih besar sejak saat itu. Pegas keseimbangan modern terbuat dari paduan koefisien suhu rendah khusus seperti nivarox untuk mengurangi efek perubahan suhu pada laju dan dibentuk dengan hati-hati untuk meminimalkan efek perubahan gaya penggerak saat pegas utama turun. Sebelum tahun 1980-an, roda keseimbangan dan pegas keseimbangan digunakan di hampir setiap perangkat penunjuk waktu portabel, tetapi dalam beberapa dekade terakhir teknologi penunjuk waktu kuarsa elektronik telah menggantikan jarum jam mekanis, dan sisa penggunaan utama pegas keseimbangan adalah pada jam tangan mekanis.

Ada beberapa perselisihan apakah itu ditemukan sekitar tahun 1660 oleh fisikawan Inggris Robert Hooke atau ilmuwan Belanda Christiaan Huygens, dengan kemungkinan bahwa Hooke pertama kali memiliki gagasan, tetapi Huygens membuat jam tangan pertama yang berfungsi yang menggunakan pegas keseimbangan.^[2][3] Sebelum waktu itu, roda keseimbangan atau foliot tanpa pegas digunakan pada jam dan arloji, tetapi mereka sangat sensitif terhadap fluktuasi gaya penggerak, menyebabkan arloji melambat saat pegas utama dilepas. Pengenalan pegas keseimbangan memengaruhi peningkatan besar dalam akurasi jam saku, dari mungkin beberapa jam per hari^[4] menjadi 10 menit per hari,^[5] menjadikannya pencatat waktu yang berguna untuk pertama kalinya. Mata air keseimbangan pertama hanya memiliki beberapa putaran.

Beberapa jam tangan awal memiliki pengatur Barrow, yang menggunakan sekrup nirujung, tetapi pengatur pertama yang banyak digunakan ditemukan oleh Thomas Tompion sekitar tahun 1680.^[6] Pada pengatur Tompion, pin trotoar dipasang pada rak bergigi setengah lingkaran, yang disesuaikan dengan pemasangan. kunci roda gigi dan memutarnya. Pengatur modern, tuas yang diputar secara konsentris dengan roda keseimbangan, dipatenkan oleh Joseph Bosley pada tahun 1755, tetapi tidak menggantikan regulator Tompion sampai awal abad ke-19.^[7]

Untuk mengatur kecepatan, pegas keseimbangan biasanya memiliki pengatur. Pengatur adalah tuas bergerak yang dipasang pada kok keseimbangan atau batang, diputar secara koaksial dengan keseimbangan. Sebuah slot sempit dibentuk di salah satu ujung pengatur oleh dua pin yang menonjol ke bawah, yang disebut pin pembatas, atau oleh pin pembatas dan pin dengan bagian yang lebih berat yang disebut penendang. Ujung putaran luar pegas keseimbangan dipasang pada stud yang diikatkan ke kokang keseimbangan. Putaran luar pegas kemudian melewati slot pengatur. Bagian pegas antara stud dan slot tetap diam, sehingga posisi slot mengontrol panjang bebas pegas. Menggerakkan pengatur menggeser slot bersama dengan putaran luar pegas, mengubah panjang efektifnya. Memindahkan slot dari stud akan memperpendek pegas, membuatnya lebih kaku, meningkatkan tingkat osilasi keseimbangan, dan membuat jarum jam bergerak.

Pengatur sedikit mengganggu gerakan pegas, menyebabkan ketidakakuratan, sehingga penunjuk waktu presisi seperti kronometer laut dan beberapa jam tangan kelas atas tidak memiliki pengatur. Sebaliknya, kecepatannya disesuaikan dengan sekrup pengatur waktu pada roda keseimbangan.

Ada dua jenis utama pengatur pegas keseimbangan.

• Pengatur Tompion, di mana pin pembatas dipasang pada rak sektor, digerakkan oleh pinion. Pinion biasanya dilengkapi dengan cakram perak atau baja bertingkat.
• Pengatur Bosley, seperti dijelaskan di atas, di mana pin dipasang pada tuas yang diputar secara koaksial dengan pegas keseimbangan, ujung tuas dapat dipindahkan pada skala bertingkat. Ada beberapa varian yang meningkatkan ketepatan dengan mana tuas dapat dipindahkan, termasuk pengatur "Siput", di mana tuas dipasang pada sisir profil spiral yang dapat diputar, Mikrometer, di mana tuas digerakkan oleh roda gigi sekrup nirujung, dan pengatur "Leher Angsa" atau "Alang-alang" di mana posisi tuas diatur oleh sekrup halus, tuas ditahan bersentuhan dengan sekrup oleh pegas berbentuk leher angsa melengkung. Ini ditemukan dan dipatenkan oleh orang Amerika George P. Reed, paten AS No. 61.867 tanggal 5 Februari 1867.

Ada juga pengatur "Rambut Babi" atau "Bulu Babi", di mana serat kaku ditempatkan di ujung busur Balance, dan menghentikannya perlahan sebelum melemparkannya kembali. Arloji dipercepat dengan memperpendek busur. Ini bukan pengatur pegas keseimbangan, yang digunakan di jam tangan paling awal sebelum pegas keseimbangan ditemukan.

Ada juga pengatur Barrow, tapi ini benar-benar yang pertama dari dua metode utama untuk memberikan "ketegangan pengaturan" pegas utama; yang diperlukan untuk menjaga agar rantai Sekring tetap tegang tetapi tidak cukup untuk benar-benar menggerakkan Arloji. Jam tangan Verge dapat diatur dengan menyesuaikan ketegangan pengaturan, tetapi jika salah satu dari pengatur yang dijelaskan sebelumnya ada, maka hal ini biasanya tidak dilakukan.

Sejumlah bahan telah digunakan untuk pegas keseimbangan. Awalnya, baja digunakan, tetapi tanpa proses pengerasan atau tempering yang diterapkan; akibatnya, pegas ini secara bertahap akan melemah dan arloji akan mulai kehilangan ketepatan waktu. Beberapa pembuat jam, misalnya John Arnold, menggunakan emas, yang menghindari masalah korosi tetapi mempertahankan masalah pelemahan bertahap. Baja yang dikeraskan dan ditempa pertama kali digunakan oleh John Harrison dan selanjutnya tetap menjadi bahan pilihan hingga abad ke-20.

Pada tahun 1833, Edward John Dent (pembuat Big Ben) melakukan percobaan dengan pegas keseimbangan kaca. Ini jauh lebih sedikit terpengaruh oleh panas daripada baja, mengurangi kompensasi yang diperlukan, dan juga tidak berkarat. Percobaan lain dengan pegas kaca mengungkapkan bahwa mereka sulit dan mahal untuk dibuat, dan mereka menderita persepsi kerapuhan yang tersebar luas, yang bertahan sampai saat bahan serat kaca dan serat optik.^[8] Pegas rambut yang terbuat dari silikon tergores diperkenalkan pada akhir abad ke-20 dan tidak rentan terhadap magnetisasi.^[9]

Modulus elastisitas bahan tergantung pada suhu. Untuk sebagian besar bahan, koefisien suhu ini cukup besar sehingga variasi suhu secara signifikan mempengaruhi ketepatan waktu roda keseimbangan dan pegas keseimbangan. Pembuat jam tangan paling awal dengan pegas keseimbangan, seperti Hooke dan Huygens, mengamati efek ini tanpa menemukan solusi untuk itu.

Harrison, dalam pengembangan kronometer lautnya, memecahkan masalah dengan "penghalang kompensasi"—pada dasarnya termometer dwilogam yang menyesuaikan panjang efektif pegas keseimbangan sebagai fungsi suhu. Sementara skema ini bekerja cukup baik untuk memungkinkan Harrison memenuhi standar yang ditetapkan oleh Longitude Act, itu tidak diadopsi secara luas.

Sekitar tahun 1765, Pierre Le Roy (putra Julien Le Roy) menemukan keseimbangan kompensasi, yang menjadi pendekatan standar untuk kompensasi suhu pada jam tangan dan kronometer. Dalam pendekatan ini, bentuk keseimbangan diubah, atau menyesuaikan bobot dipindahkan pada jari-jari atau tepi keseimbangan, dengan mekanisme yang peka terhadap suhu. Ini mengubah momen inersia roda keseimbangan, dan perubahan itu diatur sedemikian rupa sehingga mengkompensasi perubahan modulus elastisitas pegas keseimbangan. Desain keseimbangan kompensasi Thomas Earnshaw, yang hanya terdiri dari roda keseimbangan dengan pelek bimetalik, menjadi solusi standar untuk kompensasi suhu.

Sementara keseimbangan kompensasi efektif sebagai cara untuk mengkompensasi pengaruh suhu pada pegas keseimbangan, itu tidak dapat memberikan solusi yang lengkap. Rancangan dasarnya mengalami "kesalahan suhu menengah": jika kompensasi disesuaikan secara tepat pada suhu ekstrem, maka akan sedikit berkurang pada suhu di antara suhu ekstrem tersebut. Berbagai mekanisme "kompensasi tambahan" dirancang untuk menghindari hal ini, tetapi semuanya mengalami kesulitan karena rumit dan sulit untuk disesuaikan.

Sekitar tahun 1900, solusi yang berbeda secara mendasar ditemukan oleh Charles Édouard Guillaume, penemu elinvar. Ini adalah paduan baja-nikel dengan sifat bahwa modulus elastisitas pada dasarnya tidak terpengaruh oleh suhu. Jam tangan yang dilengkapi dengan pegas keseimbangan elinvar tidak memerlukan kompensasi suhu sama sekali atau sangat sedikit. Ini menyederhanakan mekanisme, dan itu juga berarti bahwa kesalahan suhu menengah dihilangkan juga, atau minimal dikurangi secara drastis.

Pegas keseimbangan mematuhi Hukum Hooke: torsi pemulih sebanding dengan perpindahan sudut. Ketika properti ini benar-benar dipenuhi, pegas keseimbangan dikatakan isokron, dan periode osilasi tidak tergantung pada amplitudo osilasi. Ini adalah properti penting untuk ketepatan waktu yang akurat karena tidak ada drive train mekanis yang dapat memberikan kekuatan pendorong yang benar-benar konstan. Hal ini terutama berlaku pada jam tangan dan jam portabel yang ditenagai oleh pegas utama, yang memberikan daya penggerak yang berkurang saat dilepas. Penyebab lain dari gaya penggerak yang bervariasi adalah gesekan, yang bervariasi seiring bertambahnya usia oli pelumas.

Pembuat jam awal secara empiris menemukan pendekatan untuk membuat keseimbangan pegas mereka isochronous. Misalnya, Arnold pada tahun 1776 mematenkan pegas keseimbangan (silinder) berbentuk heliks, di mana ujung pegas digulung ke dalam. Pada tahun 1861 M. Phillips menerbitkan perlakuan teoritis masalah.^[10] Dia menunjukkan bahwa pegas keseimbangan yang pusat gravitasinya bertepatan dengan sumbu roda keseimbangan adalah isokron.

Dalam praktek umum, metode yang paling umum untuk mencapai isokronisme adalah melalui penggunaan overcoil Breguet, yang menempatkan bagian dari putaran terluar pegas rambut di bidang yang berbeda dari sisa pegas. Ini memungkinkan pegas rambut untuk "bernapas" lebih merata dan simetris. Dua jenis overcoil ditemukan – overcoil bertahap dan Z-Bend. Overcoil bertahap diperoleh dengan memaksakan dua putaran bertahap ke pegas rambut, membentuk kenaikan ke bidang kedua lebih dari setengah keliling. Tekukan-Z melakukan ini dengan memaksakan dua ketegaran sudut 45 derajat yang saling melengkapi, mencapai kenaikan ke bidang kedua di sekitar tiga ketinggian bagian pegas. Metode kedua dilakukan untuk alasan estetika dan jauh lebih sulit untuk dilakukan. Karena kesulitan dalam membentuk overcoil, jam tangan modern sering menggunakan "dogleg" yang sedikit kurang efektif, yang menggunakan serangkaian tikungan tajam (dalam bidang) untuk menempatkan bagian kumparan terluar dari jalan sisa pegas.

Pegas keseimbangan dan roda keseimbangan (yang biasanya disebut sebagai "keseimbangan") membentuk osilator harmonis. Pegas keseimbangan memberikan torsi pemulih yang membatasi dan membalikkan gerakan keseimbangan sehingga berosilasi bolak-balik. Periode resonansinya membuatnya tahan terhadap perubahan dari kekuatan yang mengganggu, yang membuatnya menjadi perangkat penunjuk waktu yang baik. Kekakuan pegas, koefisien pegasnya, ${\displaystyle \kappa \,}$ dalam N*m/radian, bersama dengan momen inersia roda keseimbangan, ${\displaystyle I\,}$ dalam kg*m², menentukan periode osilasi roda ${\displaystyle T\,}$. Persamaan gerak untuk keseimbangan diturunkan dari bentuk sudut hukum Hooke dan bentuk sudut hukum kedua Newton.

$${\displaystyle \tau =-\kappa \theta =I\alpha \,}$$

Persamaan diferensial berikut untuk gerakan roda dihasilkan dari penyederhanaan persamaan di atas: $${\displaystyle {\frac {d^{2}\theta }{dt^{2}}}+{\frac {\kappa }{I}}\theta =0\,}$$

Penyelesaian persamaan gerak untuk keseimbangan ini adalah gerak harmonik sederhana, yaitu gerak sinusoidal dengan periode konstan. $${\displaystyle \theta (t)=A\cos \left({\sqrt {\frac {\kappa }{I}}}t\right)+B\sin \left({\sqrt {{\frac {\kappa }{I}}t}}\right)\,}$$

Dengan demikian, persamaan periodisitas osilasi berikut dapat diambil dari hasil di atas: $${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {I}{\kappa }}}\,}$$

Periode ini mengontrol kecepatan penunjuk waktu.

• Jam tangan