زنبرك التوازن

نابض التوازن ، أو نابض الشعر ، هو نابض متصل بعجلة التوازن في الساعات الميكانيكية . يتسبب هذا النابض في تذبذب عجلة التوازن بتردد رنيني أثناء تشغيل الساعة، مما يتحكم في سرعة دوران عجلات الساعة، وبالتالي معدل حركة العقارب. غالبًا ما يُركّب ذراع ضبط ، يُستخدم لتغيير طول النابض الحر، ومن ثم ضبط معدل الساعة. يُعد نابض التوازن عنصرًا أساسيًا لعجلة التوازن، فهو يُسبب تذبذبها ذهابًا وإيابًا. يشكل نابض التوازن وعجلة التوازن معًا مذبذبًا توافقيًا ، يتذبذب بفترة زمنية دقيقة أو "نبضة"، مقاومًا للاضطرابات الخارجية، وهو المسؤول عن دقة ضبط الوقت.

أدى إضافة نابض التوازن إلى عجلة التوازن حوالي عام 1657 على يد روبرت هوك وكريستيان هيغنز إلى زيادة دقة الساعات المحمولة بشكل كبير، محولًا ساعات الجيب المبكرة من مجرد أدوات باهظة الثمن إلى أجهزة قياس وقت عملية. وتُعزى التحسينات التي أُدخلت على نابض التوازن إلى زيادات كبيرة أخرى في الدقة منذ ذلك الحين. تُصنع نوابض التوازن الحديثة من سبائك خاصة ذات معامل حراري منخفض، مثل النيفاروكس، للحد من تأثير تغيرات درجة الحرارة على دقة الساعة، كما تُصمم بعناية لتقليل تأثير تغيرات قوة الدفع مع انخفاض ضغط النابض الرئيسي . قبل ثمانينيات القرن العشرين، كانت عجلات التوازن ونوابض التوازن تُستخدم في جميع أجهزة قياس الوقت المحمولة تقريبًا: ساعات المنبه ، ومؤقتات المطبخ ، وساعات الكرونومتر البحرية ، والأجهزة المنزلية التي تعمل بالوقت مثل الغسالات ، وأقفال خزائن البنوك ، وصمامات التوقيت في الذخائر العسكرية. ولكن في العقود الأخيرة، حلت تقنية قياس الوقت الإلكترونية بالكوارتز محل آلية الساعات الميكانيكية في معظم هذه الأجهزة، وأصبح الاستخدام الرئيسي المتبقي لنوابض التوازن في الساعات الميكانيكية .

ثمة جدل حول ما إذا كان اختراع نابض التوازن قد بدأ في منتصف سبعينيات القرن السابع عشر على يد الفيزيائي البريطاني روبرت هوك أو العالم الهولندي كريستيان هويغنز ، مع ترجيح أن هوك كان صاحب الفكرة، لكن هويغنز هو من صنع أول ساعة عملية تستخدم نابض التوازن. ^{[ 2 ] [ 3 ]} ويُنسب الفضل أيضًا إلى إسحاق الثاني ثوريه ، أحد حرفيي هويغنز ، في صناعة ساعة عملية باستخدام هذه التقنية. ^{[ 4 ]} قبل ذلك، كانت تُستخدم عجلات التوازن أو الصفائح المعدنية بدون نوابض في الساعات، لكنها كانت شديدة الحساسية لتقلبات القوة الدافعة، مما كان يتسبب في تباطؤ الساعة مع انفكاك النابض الرئيسي . وقد أدى إدخال نابض التوازن إلى زيادة هائلة في دقة ساعات الجيب ، من عدة ساعات في اليوم ^{[ 5 ]} إلى 10 دقائق في اليوم، ^{[ 6 ]} مما جعلها أدوات قياس وقت مفيدة لأول مرة. وكانت نوابض التوازن الأولى تحتوي على عدد قليل من اللفات.

احتوت بعض الساعات القديمة على منظم بارو، الذي كان يستخدم آلية دودة ، لكن أول منظم واسع الانتشار اخترعه توماس تومبيون حوالي عام 1680. ^{[ 7 ]} في منظم تومبيون، كانت دبابيس الكبح مثبتة على رف مسنن نصف دائري، وكان يتم ضبطه عن طريق تركيب مفتاح على ترس وتدويره. أما المنظم الحديث، وهو عبارة عن ذراع محوري متمركز حول عجلة التوازن، فقد حصل جوزيف بوسلي على براءة اختراعه عام 1755، لكنه لم يحل محل منظم تومبيون إلا في أوائل القرن التاسع عشر. ^{[ 8 ]}

لضبط معدل التذبذب، عادةً ما يحتوي نابض التوازن على منظم . المنظم عبارة عن ذراع متحرك مثبت على ذراع التوازن أو الجسر، ويدور حول محور الميزان. تتشكل فتحة ضيقة في أحد طرفي المنظم بواسطة مسمارين بارزين للأسفل، يُطلق عليهما مسامير التثبيت، أو بواسطة مسمار تثبيت ومسمار ذي جزء أثقل يُسمى غطاءً. يُثبت طرف اللفة الخارجية لنابض التوازن في مسمار مثبت بدوره على ذراع التوازن. ثم تمر اللفة الخارجية للنابض عبر فتحة المنظم. يبقى الجزء من النابض بين المسمار والفتحة ثابتًا، لذا يتحكم موضع الفتحة في الطول الحر للنابض. يؤدي تحريك المنظم إلى انزلاق الفتحة على طول اللفة الخارجية للنابض، مما يغير طوله الفعال. يؤدي تحريك الفتحة بعيدًا عن المسمار إلى تقصير النابض، مما يجعله أكثر صلابة، وبالتالي زيادة معدل تذبذب الميزان، مما يجعل الساعة تتقدم في الوقت.

يُعيق منظم الحركة حركة الزنبرك بشكل طفيف، مما يُسبب عدم دقة، لذا فإن الساعات الدقيقة مثل الكرونومترات البحرية وبعض الساعات الفاخرة تعمل بنظام الزنبرك الحر ، أي أنها لا تحتوي على منظم حركة. وبدلاً من ذلك، يتم ضبط معدل حركتها بواسطة براغي التوقيت الموجودة على عجلة التوازن.

يوجد نوعان رئيسيان من منظمات زنبرك التوازن:

• منظم تومبيون، حيث تُثبّت دبابيس الكبح على رف قطاعي، ويتم تحريكها بواسطة ترس صغير. عادةً ما يكون الترس الصغير مزودًا بقرص فضي أو فولاذي مدرج.
• منظم بوسلي، كما وُصف سابقًا، تُثبّت فيه الدبابيس على ذراع محوري مع الميزان، ويمكن تحريك طرف الذراع على مقياس مدرج. توجد عدة أنواع تُحسّن دقة تحريك الذراع، منها منظم الحلزون ، حيث يُثبّت الذراع بنابض مقابل حدبة حلزونية قابلة للدوران، والميكرومتر، حيث يُحرّك الذراع بواسطة ترس دودي، ومنظم عنق البجعة أو القصبة ، حيث يُضبط موضع الذراع بواسطة برغي دقيق، ويُثبّت الذراع على البرغي بواسطة نابض على شكل عنق بجعة منحني. اخترع هذا المنظم الأمريكي جورج ب. ريد وحصل على براءة اختراعه، رقم 61867، بتاريخ 5 فبراير 1867.

يوجد أيضًا منظم مصنوع من شعر الخنزير ، حيث توضع ألياف صلبة عند طرفي قوس التوازن لتوقفه تدريجيًا قبل إعادته. وتتسارع الساعة بتقصير هذا القوس. هذا ليس منظم زنبرك التوازن، الذي كان يُستخدم في الساعات الأولى قبل اختراع زنبرك التوازن.

يوجد أيضًا منظم بارو، ولكنه في الواقع أقدم الطريقتين الرئيسيتين لإعطاء الزنبرك الرئيسي "شد الإعداد"؛ وهو الشد اللازم للحفاظ على سلسلة الفيوزيه مشدودة، ولكنه ليس كافيًا لتشغيل الساعة فعليًا. يمكن ضبط ساعات فيرج عن طريق تعديل شد الإعداد، ولكن إذا كان أي من المنظمات المذكورة سابقًا موجودًا، فلا يتم ذلك عادةً.

استُخدمت مواد عديدة في صناعة نوابض التوازن. في البداية، استُخدم الفولاذ، ولكن دون أي عملية تقوية أو تلطيف؛ ونتيجة لذلك، كانت هذه النوابض تضعف تدريجيًا وتبدأ الساعة في فقدان الوقت. استخدم بعض صانعي الساعات، مثل جون أرنولد ، الذهب، الذي يتجنب مشكلة التآكل ولكنه يُبقي على مشكلة الضعف التدريجي. استخدم جون هاريسون الفولاذ المُقسّى والمُعالَج حراريًا لأول مرة ، وظلّ هذا الفولاذ المادة المُفضّلة حتى القرن العشرين.

في عام ١٨٣٣، أجرى إي جيه دينت (صانع الساعة الكبرى في مبنى البرلمان ) تجربةً على زنبرك توازن زجاجي. كان هذا الزنبرك أقل تأثرًا بالحرارة من الفولاذ، مما قلل من التعويض المطلوب، كما أنه لم يكن يصدأ. وكشفت تجارب أخرى على الزنبركات الزجاجية أنها صعبة ومكلفة الصنع، وأنها عانت من اعتقاد شائع بهشاشتها، وهو اعتقاد استمر حتى ظهور الألياف الزجاجية والألياف البصرية. ^{[ ٩ ]} أُدخلت زنبركات التوازن المصنوعة من السيليكون المحفور في أواخر القرن العشرين، وهي غير قابلة للتمغنط. ^{[ ١٠ ]}

يعتمد معامل مرونة المواد على درجة الحرارة. بالنسبة لمعظم المواد، يكون هذا المعامل الحراري كبيرًا بما يكفي بحيث تؤثر تغيرات درجة الحرارة بشكل ملحوظ على دقة ضبط الوقت لعجلة التوازن والنابض المتوازن. وقد لاحظ صانعو الساعات الأوائل المزودون بنابض متوازن، مثل هوك وهيغنز، هذا التأثير دون أن يجدوا له حلاً.

خلال تطويره للكرونومتر البحري، حلّ هاريسون المشكلة باستخدام "مُثبِّت تعويضي"  - وهو في الأساس مقياس حرارة ثنائي المعدن يُعدِّل الطول الفعال لنابض التوازن تبعًا لدرجة الحرارة. ورغم أن هذا التصميم كان فعالًا بما يكفي لتمكين هاريسون من تلبية المعايير التي وضعها قانون خطوط الطول ، إلا أنه لم يُعتمد على نطاق واسع.

في حوالي عام ١٧٦٥، اخترع بيير لو روي (ابن جوليان لو روي ) ميزان التعويض، الذي أصبح الأسلوب القياسي لتعويض تغيرات درجة الحرارة في الساعات والكرونومترات. في هذا الأسلوب، يتم تغيير شكل الميزان، أو تحريك أوزان الضبط على أذرع أو حافة الميزان، بواسطة آلية حساسة للحرارة. يؤدي هذا إلى تغيير عزم القصور الذاتي لعجلة الميزان، ويتم ضبط هذا التغيير بحيث يعوض التغير في معامل مرونة نابض الميزان. أصبح تصميم ميزان التعويض لتوماس إيرنشو ، والذي يتكون ببساطة من عجلة ميزان ذات حافة ثنائية المعدن، الحل القياسي لتعويض تغيرات درجة الحرارة.

يخضع نابض التوازن لقانون هوك : عزم الاستعادة يتناسب طرديًا مع الإزاحة الزاوية . عندما تتحقق هذه الخاصية بدقة، يُقال إن نابض التوازن متزامن ، ويكون زمن التذبذب مستقلًا عن سعة التذبذب. تُعد هذه الخاصية أساسية لضبط الوقت بدقة، لأنه لا يمكن لأي نظام ميكانيكي توفير قوة دافعة ثابتة تمامًا. ينطبق هذا بشكل خاص على الساعات والساعات المحمولة التي تعمل بنابض رئيسي، والذي يوفر قوة دافعة متناقصة مع انفكاكه. سبب آخر لتغير القوة الدافعة هو الاحتكاك، الذي يتغير مع مرور الوقت نتيجة تقادم زيت التشحيم.

توصل صانعو الساعات الأوائل، من خلال التجربة، إلى طرق لجعل نوابض التوازن متزامنة. فعلى سبيل المثال، حصل أرنولد عام 1776 على براءة اختراع لشكل حلزوني (أسطواني) لنابض التوازن، حيث كانت نهايتا النابض ملتفتين إلى الداخل. وفي عام 1861، نشر م. فيليبس دراسة نظرية للمشكلة. ^{[ 11 ]} وقد أثبت أن نابض التوازن الذي يتطابق مركز ثقله مع محور عجلة التوازن يكون متزامنًا.

في الممارسة العامة، تُعدّ طريقة بريغيه الأكثر شيوعًا لتحقيق التزامن هي استخدام اللفة الخارجية للنابض الشعري، والتي تضع جزءًا من اللفة الخارجية للنابض في مستوى مختلف عن باقي النابض. يسمح هذا للنابض الشعري بالتمدد والانكماش بشكل أكثر انتظامًا وتناسقًا مع دوران عجلة التوازن. يوجد نوعان من اللفات الخارجية  : اللفة المتدرجة والانحناء على شكل حرف Z. تُصنع اللفة المتدرجة بإضافة لفتين متدرجتين للنابض الشعري، مما يُشكّل ارتفاعًا إلى المستوى الثاني على نصف محيطه. أما الانحناء على شكل حرف Z، فيتم ذلك بإضافة انحناءين بزاوية 45 درجة متكاملة، مما يُحقق ارتفاعًا إلى المستوى الثاني في حوالي ثلاثة أضعاف ارتفاع أقسام النابض. تُستخدم الطريقة الثانية لأسباب جمالية، وهي أكثر صعوبة في التنفيذ. نظرًا لصعوبة تشكيل اللفة الخارجية، غالبًا ما تستخدم الساعات الحديثة طريقة "الانحناء الحاد" الأقل فعالية، والتي تستخدم سلسلة من الانحناءات الحادة (في المستوى) لوضع جزء من اللفة الخارجية بعيدًا عن مسار باقي النابض.

يشكل نابض التوازن وعجلة التوازن (التي يُشار إليها عادةً ببساطة باسم الميزان ) مذبذبًا توافقيًا . يوفر نابض التوازن عزمًا مُعيدًا يحد من حركة الميزان ويعكسها، مما يجعله يتذبذب ذهابًا وإيابًا. تجعله فترة رنينه مقاومًا للتغيرات الناتجة عن القوى الخارجية، وهذا ما يجعله أداة جيدة لضبط الوقت. صلابة النابض، أو معامل مرونته،${\displaystyle \kappa \,}$بوحدة نيوتن متر/راديان، بالإضافة إلى عزم القصور الذاتي لعجلة التوازن ،${\displaystyle I\,}$بوحدة كجم/م² ^{، تحدد} فترة تذبذب العجلة${\displaystyle T\,}$. تُشتق معادلات الحركة للميزان من الصيغة الزاوية لقانون هوك والصيغة الزاوية لقانون نيوتن الثاني: $${\displaystyle \tau =-\kappa \theta =I\alpha \,\ .}$$

${\displaystyle \alpha \,}$هو التسارع الزاوي ،${\displaystyle d^{2}\theta \,/dt^{2}}$ينتج عن إعادة ترتيب المعادلة أعلاه المعادلة التفاضلية التالية لحركة العجلة: $${\displaystyle {\frac {d^{2}\theta }{dt^{2}}}+{\frac {\kappa }{I}}\theta =0\,}$$

إن حل معادلة الحركة هذه للميزان هو حركة توافقية بسيطة ؛ أي حركة جيبية ذات فترة ثابتة: $${\displaystyle \theta (t)=A\cos \left({\sqrt {\frac {\kappa }{I}}}t\right)+B\sin \left({\sqrt {\frac {\kappa }{I}}}t\right)\,}$$

وبالتالي، يمكن استخلاص المعادلة التالية لدورية التذبذب من النتائج المذكورة أعلاه: $${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {I}{\kappa }}}\,}$$ تتحكم هذه الفترة في معدل الساعة.

• تاريخ أجهزة ضبط الوقت