ميزان السرعة

وصف المهندس اليوناني فيلو البيزنطي، في القرن الثالث قبل الميلاد، أقدم آلية ميزان تعمل بالسوائل، وذلك في الفصل الحادي والثلاثين من كتابه التقني "علم الهواء المضغوط" ، كجزء من حوض غسيل . ^{[ 7 ]} تقوم ملعقة متوازنة الوزن ، تُغذى من خزان ماء، بالانقلاب في حوض عند امتلائه، مُطلقةً قطعة كروية من حجر الخفاف . وبمجرد أن تفرغ الملعقة، يسحبها الوزن الموازن إلى أعلى، مُغلقًا غطاء حجر الخفاف بواسطة خيط الشد. ومن اللافت للنظر أن تعليق فيلو بأن "بنيتها تُشبه بنية الساعات" يُشير إلى أن آليات الميزان هذه كانت مُدمجة بالفعل في الساعات المائية القديمة. ^{[ 7 ]}

في الصين، قام الراهب البوذي يي شينغ ، من سلالة تانغ ، بالتعاون مع المسؤول الحكومي ليانغ لينغزان ، في عام 723 (أو 725) ميلاديًا، بصنع آلية ميزان الساعة لتشغيل كرة فلكية تعمل بالطاقة المائية ومحرك الساعة ، والتي كانت أول آلية ميزان ساعة ميكانيكية في العالم. ^{[ 8 ] [ 9 ]} وفي القرن العاشر، قام صانعا الساعات تشانغ سيكسون وسو سونغ، من سلالة سونغ ، بتطبيق آليات الميزان في أبراج ساعاتهم الفلكية ، ^{[ 10 ]} حيث كان الماء يتدفق إلى وعاء على محور. إلا أن هذه التقنية شهدت ركودًا وتراجعًا لاحقًا. ووفقًا للمؤرخ ديريك ج. دي سولا برايس ، انتشرت آلية الميزان الصينية غربًا، وكانت مصدرًا لتقنية الميزان الغربية. ^{[ 11 ]}

بحسب أحمد ي. حسن ، فإنّ ميزان الساعة الزئبقي الموصوف في وثيقة إسبانية لألفونسو العاشر عام ١٢٧٧ يعود أصله إلى مصادر عربية أقدم. ^{[ ١٢ ]} وقد انتشرت معرفة هذه الموازين الزئبقية في أوروبا عبر ترجمات النصوص العربية والإسبانية. ^{[ ١٢ ] [ ١٣ ]}

مع ذلك، لم تكن أيٌّ من هذه النماذج آليات ميكانيكية حقيقية، إذ كانت تعتمد على تدفق السائل عبر ثقب لقياس الوقت. في هذه التصاميم، كان وعاءٌ ينقلب كلما امتلأ، ما يؤدي إلى تحريك عجلات الساعة في كل مرة تُقاس فيها كمية متساوية من الماء. وكان الوقت بين كل عملية سحب يعتمد على معدل التدفق، كما هو الحال في جميع الساعات السائلة. يتغير معدل تدفق السائل عبر الثقب بتغير درجة الحرارة واللزوجة، وينخفض ​​مع انخفاض الضغط مع انخفاض مستوى السائل في وعاء المصدر. اعتمد تطوير الساعات الميكانيكية على اختراع آلية تسمح بالتحكم في حركة الساعة بواسطة ثقل متذبذب، يبقى ثابتًا.

استُخدم أول ميزان ميكانيكي، وهو ميزان الحافة ، في جهاز قرع الأجراس المعروف باسم " ألاروم" لعدة قرون قبل أن يُكيّف مع الساعات. ^{[ 14 ]} تزعم بعض المصادر أن المهندس المعماري الفرنسي فيلار دي هونيكور اخترع أول ميزان في عام 1237، مستشهداً برسم لوصلة حبل لتدوير تمثال ملاك ليتبع الشمس، وُجد في دفاتره؛ ^{[ 15 ]} ومع ذلك، فإن الرأي السائد هو أن هذا لم يكن ميزاناً. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

كتب عالم الفلك روبرتوس أنجليكوس عام ١٢٧١ أن صانعي الساعات كانوا يحاولون اختراع آلية ميزان الساعة، لكنهم لم ينجحوا بعد. ^{[ ٢٢ ]} تشير سجلات المعاملات المالية المتعلقة بصناعة الساعات إلى أواخر القرن الثالث عشر باعتباره التاريخ الأرجح لانتقال آليات ساعات الأبراج من الساعات المائية إلى آليات الميزان الميكانيكية. ^{[ ٢٣ ] : ١٠٣-١٠٤ [ ٢٤ ]} تتفق معظم المصادر على أن ساعات الميزان الميكانيكية كانت موجودة بحلول عام ١٣٠٠. ^{[ ٢٥ ] [ ٢٦ ]}

مع ذلك، فإن أقدم وصف متوفر لآلية ميزان الساعة لم يكن لميزان ذي ذراع، بل لنوع مختلف يُسمى ميزان ستروب . وُصف هذا الميزان في مخطوطة ريتشارد من والينغفورد عام 1327 بعنوان "تراكتاتوس هورولوجي أسترونوميسي" (Tractatus Horologii Astronomici) عن الساعة التي بناها في دير سانت ألبانز . يتكون هذا الميزان من عجلتي ميزان على نفس المحور، بأسنان شعاعية متناوبة. كان قضيب الذراع معلقًا بينهما، مع قطعة عرضية قصيرة تدور أولًا في اتجاه ثم في الاتجاه المعاكس مع مرور الأسنان المتداخلة. ^{[ 23 ] : 103-104.} على الرغم من عدم وجود أمثلة أخرى معروفة، فمن المحتمل أن يكون هذا أول تصميم لميزان الساعة. ^{[ 23 ] : 103-104 [ 27 ] [ 28 ]}

أصبحت آلية التوازن ذات الحافة المعيار القياسي المستخدم في جميع الساعات القديمة، وظلت الآلية الوحيدة المعروفة لمدة 400 عام. كان أداؤها محدودًا بالاحتكاك والارتداد، ولكن الأهم من ذلك، أن عجلات التوازن المبكرة المستخدمة في آليات التوازن ذات الحافة، والمعروفة باسم " فوليو" ، كانت تفتقر إلى نابض التوازن ، وبالتالي لم يكن لها "نبض" طبيعي، مما حدّ بشدة من دقة ضبط الوقت. ^{[ 1 ] : ص 514-515 [ 14 ] [ 29 ] [ 23 ] : 124-125}

شهدت دقة آليات ضبط الوقت قفزة نوعية بعد عام 1657، بفضل اختراع البندول وإضافة نابض التوازن إلى عجلة التوازن، ^{[ 29 ] [ 14 ] [ 23 ] : 124-125،} مما جعل أجهزة ضبط الوقت في كل من الساعات واليد مذبذبات توافقية . وقد أتاح التحسن الناتج في دقة ضبط الوقت مزيدًا من التركيز على دقة آلية ضبط الوقت. وشهد القرنان التاليان، وهما "العصر الذهبي" لعلم الساعات الميكانيكية ، اختراع أكثر من 300 تصميم لآليات ضبط الوقت، على الرغم من أن عشرة منها فقط استُخدمت على نطاق واسع في الساعات واليد. ^{[ 30 ]}

أدى اختراع المذبذب البلوري وساعة الكوارتز في عشرينيات القرن العشرين، والتي أصبحت الساعة الأكثر دقة بحلول ثلاثينيات القرن العشرين، إلى تحويل البحث التكنولوجي في ضبط الوقت إلى الأساليب الإلكترونية ، وتوقف تصميم آلية الإفلات عن لعب دور في تطوير دقة ضبط الوقت.

يُطلق على عنصر ضبط الوقت في الساعات الميكانيكية، وهو البندول أو عجلة التوازن ، في الفيزياء اسم المذبذب التوافقي ( الرنان ). ^{[ 1 ] : 515} ويتكون من كتلة تعود إلى موضع اتزانها بفعل قوة استعادة تتناسب مع إزاحتها. وتكمن ميزته في ضبط الوقت في أنه يتذبذب بشكل تفضيلي عند تردد رنين محدد.${\displaystyle f}$أو فترة مستقلة عن عرض (سعة) التأرجح، تعتمد فقط على خصائصها الفيزيائية، وتقاوم التذبذب بمعدلات أخرى. ^{[ 35 ] : 37} يتم تحديد تردد الرنين بواسطة عزم القصور الذاتي للرنان وقوة الاستعادة : في عجلات التوازن مرونة الزنبرك الشعري ، وفي البندولات قوة الجاذبية. ^{[ 1 ] : 516-517}

آلية الميزان هي جهاز تحكم بالتغذية الراجعة ، حيث تُفعَّل قوة الدفع في كل مرة يصل فيها الرنان إلى نقطة محددة في دورته. ^{[ 14 ]} يشكل الرنان ( البندول أو عجلة التوازن) وآلية الميزان معًا مذبذبًا ميكانيكيًا للتغذية الراجعة ، مشابهًا لدائرة المذبذب الإلكتروني في ساعة الكوارتز . ^{[ 35 ] : 39} ويتم تشغيله بواسطة القوة المستمرة ( العزم ) لنابض الساعة الرئيسي أو الأثقال، والتي تنتقل عبر سلسلة التروس . ^{[ 36 ]} تتمثل وظيفة آلية الميزان في تطبيق هذه القوة على شكل دفعات قصيرة (نبضات) على البندول أو عجلة التوازن للحفاظ على حركته التذبذبية، حتى لا يتوقف، مع الحد الأدنى من التأثير على الدورة.

من الصعب فهم آليات الميزان لأنها أجهزة ثنائية الاتجاه: الطاقة (النبضات) للحفاظ على استمرار عمل المذبذب تمر عبر آلية الميزان من مجموعة العجلات إلى المذبذب، لكن إشارات التوقيت، وقفل وإطلاق عجلة الميزان، التي تتحكم في سرعة تقدم مجموعة العجلات وعقارب الساعة، تمر في الاتجاه المعاكس من المذبذب إلى مجموعة العجلات.

يؤدي تفاعل آلية الميزان مع المذبذب حتمًا إلى اضطراب تأرجحه الطبيعي، مما يُغير دورته بشكل طفيف. في الساعات الدقيقة، يُعد هذا غالبًا السبب الرئيسي لعدم الدقة. يجب أن تتفاعل آلية الميزان مع المذبذب لأداء وظيفتين في كل تأرجح: عند تشغيلها عند نقطة معينة في تأرجح المذبذب، تُحرر عجلات الساعة لتتحرك للأمام مسافة ثابتة، وتُطبق قوة دافعة على المذبذب لتعويض كمية الطاقة الضئيلة المفقودة بسبب الاحتكاك في كل دورة. ^{[ 36 ]}

يعتمد مقدار الخطأ الذي تُسببه نبضات آلية الإفلات على منحنى رنين المذبذب . هذا المنحنى ليس حادًا إلى ما لا نهاية، بل له نطاق تردد طبيعي صغير حول تردد رنينه يُسمى عرض الرنين.${\displaystyle W}$^{[ 35 ] : 43-44} أثناء التشغيل ، يمكن أن يتغير التردد الفعلي للمذبذب عشوائيًا ضمن هذا النطاق استجابةً للتغيرات في نبضة الميزان، ولكن خارج نطاق التردد هذا، لا يعمل المذبذب على الإطلاق. ^{[ 35 ] : 47}

يُقاس مدى دقة المذبذب التوافقي كمؤقت بمعامل لا بُعدي يُسمى عامل الجودة (Q) ، ^{[ 35 ] : 41} وهو يساوي تردد الرنين${\displaystyle f}$مقسومًا على عرض الرنين

${\displaystyle Q={f \over W}}$

كلما كان أكبر${\displaystyle Q}$كلما كان العامل أصغر، كلما كان عرض الرنين أصغر كجزء من تردد الرنين، وبالتالي كلما كان المذبذب ينظم معدل الساعة بدقة أكبر.

ال${\displaystyle Q}$يعتمد هذا العامل على مقدار الاحتكاك الذي يتعرض له المذبذب، وعدد التأرجحات التي يقوم بها قبل أن يتوقف عن الدوران عندما يتأرجح بحرية. ^{[ 35 ] : 44-45} كلما قل الاحتكاك زادت قيمة${\displaystyle Q}$. ال${\displaystyle Q}$يساوي 2π مضروبًا في نسبة الطاقة المخزنة في البندول أو عجلة التوازن إلى الطاقة المفقودة بسبب الاحتكاك خلال كل دورة، والتي تساوي الطاقة المضافة بواسطة نبضة الميزان في كل دورة. لذا، كلما زادت قيمة${\displaystyle Q}$أي أنه كلما قلّ فقد الطاقة، قلّت الدفعة التي يجب تطبيقها في كل دورة للحفاظ على تذبذبها، وقلّ الاضطراب الذي يلحق بالحركة الطبيعية للمذبذب . ^{[ 35 ] : 44-45}${\displaystyle Q}$^{يبلغ معامل دقة} عجلات التوازن حوالي 300، بينما يتراوح معامل دقة البندول بين 10³ ^{و10⁵ ،} أما معامل دقة بلورات الكوارتز في ساعات الكوارتز فيتراوح بين ^10⁵ و10⁶ . وهذا يفسر سبب كون عجلات التوازن عمومًا أقل دقة في ضبط الوقت من البندول، الذي بدوره أقل دقة من ساعات الكوارتز.

لو أمكن أن تكون الدفعة التي يُطبقها ميزان الساعة متطابقة وتُطبق عند النقطة نفسها في كل دورة، لكانت استجابة المذبذب متطابقة ودورته ثابتة، ولما تسبب ميزان الساعة في أي خطأ. إلا أن هذا غير ممكن. فهناك اختلافات طفيفة لا مفر منها في قوة الدفع المُطبقة على ميزان الساعة في جميع الساعات، وذلك لأسباب مثل تآكل النابض الرئيسي، وتغير لزوجة مواد التشحيم مع تغير درجة الحرارة، وجفاف مواد التشحيم، وتراكم الأوساخ والتآكل، وتغير الاحتكاك نتيجة التآكل، والتمدد الحراري للأجزاء مع تغيرات درجة الحرارة، و"خطأ الموضع" في الساعات: أي تغير الاحتكاك عند تدوير الساعة وضغط وزن محاور تروسها على أسطح التحميل.

لذا، يهدف تصميم آلية الميزان إلى تطبيق النبضة بطريقة تقلل من تغير الفترة الزمنية مع تغيرات قوة الدفع. وهذا ما يُسمى بالتزامن . ^{[ 36 ]} لا توجد آلية ميزان متزامنة تمامًا، ولكن كلما قلّ تأثير تغير قوة الدفع على المذبذب، زادت دقة الساعة.

حتى لو كانت آلية الميزان متزامنة تمامًا، فإن البندول أو عجلة التوازن نفسها تعاني حتمًا من انحرافات طفيفة متأصلة عن التزامن، نتيجةً لعدم تناسب قوة الاستعادة تناسبًا طرديًا مع السعة. ^{[ 36 ]} في عجلات التوازن، يُعزى ذلك إلى عدم خطية طفيفة في نابض التوازن. أما في البندولات، فيُعزى ذلك إلى الخطأ الدائري ، وهو زيادة طفيفة في دورة التأرجح مع السعة.

في عام 1826، أثبت جورج بيدل إيري أن أفضل موضع لتطبيق الدفعة على المذبذب التوافقي خلال دورته لتحقيق أقصى قدر من التزامن هو موضع اتزانه؛ كما هو الحال في البندول عند أسفل تأرجحه، وفي عجلة التوازن عند مرورها بوضع سكونها المركزي، حيث تكون قوة الزنبرك المُعيدة معدومة. ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 36 ]} في المقابل، يؤدي تطبيق قوة دفع على المذبذب عند أقصى طرفي تأرجحه إلى إحداث اضطراب كبير في حركته. وقد برهن إيري على أنه إذا تم تحريك المذبذب التوافقي المثالي بدفعة متناظرة حول نقطة اتزانه، فإنه يكون متزامنًا؛ إذ يكون دوره مستقلًا عن قوة الدفع وسعة التأرجح. وتُقارب أفضل آليات الإفلات، مثل آلية الارتداد وآلية الرافعة، هذه الحالة.

بما أن قوة الميزان على المذبذب هي مصدر الخطأ في الساعات الدقيقة، فكلما زادت حرية حركة المذبذب أثناء دورته، زادت دقته. تُصنف موازين الساعات حسب مقدار القوة (الدفع) التي يُؤثر بها الميزان على المذبذب خلال دورة حركته.

• في آليات الميزان " الاحتكاكية "، مثل آلية الميزان ذات الحافة والميزان المرساة ، تدفع أسنان عجلة الميزان المذبذب طوال دورته، عن طريق الاحتكاك الانزلاقي على الصفائح. يؤدي هذا إلى اضطراب المذبذب، لذا فهي أقل دقة. ^{[ 39 ] : 144}
• في آليات الإفلات " الاحتكاكية الثابتة "، مثل آلية الإفلات المزدوجة، والأسطوانية، والثابتة ، لا يُدفع المذبذب إلا خلال جزء من دورته، بينما تُجري آلية الإفلات احتكاكًا انزلاقيًا مع المذبذب خلال الجزء المتبقي من الدورة. ^{[ 40 ] : 655} ويمكن أن تكون هذه الآليات أكثر دقة، اعتمادًا على مقدار الاحتكاك.
• في آليات الإفلات " المنفصلة "، مثل آلية ريفلر ، وآلية الرافعة ، وآلية الكرونومتر، لا تتصل وصلة آلية الإفلات بالمذبذب إلا خلال فترة النبضة في منتصف تأرجحها، ولذلك تُعد هذه الآليات من بين أكثر آليات الإفلات دقة. ^{[ 39 ] : 114}

يُعد الاحتكاك بين الأجزاء المنزلقة في آلية الميزان مصدرًا رئيسيًا لعدم الدقة؛ إذ ينزلق سن عجلة الميزان أثناء ضغطه على الميزان. ^{[ 36 ]} في الساعات الدقيقة، تُصنع أسطح الميزان من الأحجار الكريمة، وخاصة الياقوت الصناعي ، الذي لا تتجاوز صلابة أسطحه 10-20% من معامل احتكاك المعدن بالمعدن. وتُشحّم هذه الأسطح لتقليل الاحتكاك بشكل أكبر. أما في آليات الميزان الأكثر دقة، مثل آلية الميزان ذات القفل ، وآلية الميزان المزدوجة ، وآلية الميزان المحورية ، فيتحرك سن عجلة الميزان بشكل شبه موازٍ للميزان أثناء النبضة، مما يقلل الاحتكاك، ولا تتطلب هذه الآليات التشحيم. ^{[ 36 ]}

آلية ميزان الساعة ذات الحافة، موضحة بعجلة التاج (c) وقضيب الحافة (v) والميزانين (p,q). يُظهر الشكل الوضعية المناسبة للاستخدام مع البندول. عند استخدامها مع ميزان الساعة ذي الحافة، تكون العجلة والقضيب في وضع رأسي.

حافة وورق ساعة دي فيك، التي بُنيت عام 1379، باريس

أقدم آلية ميزان ميكانيكية، تعود إلى أواخر القرن الثالث عشر الميلادي، ^{[ 21 ] [ 23 ] : 105،} هي آلية الميزان ذات الحافة ، والمعروفة أيضًا بآلية ميزان عجلة التاج. استُخدمت هذه الآلية في الساعات الميكانيكية الأولى، وكانت تُتحكم في الأصل بواسطة " الفوليو" ، وهو قضيب أفقي مزود بأثقال في طرفيه. تتكون آلية الميزان من عجلة ميزان تشبه التاج إلى حد ما، بأسنان مدببة بارزة محوريًا من جانبها، وموجهة أفقيًا. ^{[ 14 ]} أمام عجلة التاج يوجد عمود رأسي، متصل بالفوليو من الأعلى، يحمل صفيحتين معدنيتين (لوحتين) بارزتين كالأعلام من سارية العلم، متباعدتين بزاوية تسعين درجة تقريبًا، بحيث لا تتعشق إلا واحدة مع أسنان عجلة التاج في كل مرة. عند دوران العجلة، يدفع أحد الأسنان اللوح العلوي، مما يؤدي إلى دوران العمود والفوليو المتصل به. عندما يتجاوز السن اللوح العلوي، يتأرجح اللوح السفلي في مسار الأسنان على الجانب الآخر من العجلة. يعلق سنٌّ على اللوح السفلي، فيُدير العمود في الاتجاه المعاكس، وتتكرر الدورة. من عيوب آلية الميزان أنه في كل مرة يستقر فيها سنٌّ على لوح، تدفع قوة دفع الميزان عجلة التاج للخلف مسافة قصيرة قبل أن تعكس قوة العجلة الحركة. يُسمى هذا الارتداد ، وكان مصدرًا للتآكل وعدم الدقة. ^{[ 14 ]}

كانت آلية التوازن (الفيرج) هي الآلية الوحيدة المستخدمة في الساعات لمدة 350 عامًا. في الساعات التي تعمل بنابض، كانت تتطلب وجود حلقة زنبركية لموازنة قوة النابض الرئيسي . استُخدمت في ساعات البندول الأولى لحوالي 50 عامًا بعد اختراع ساعة البندول عام 1656. في ساعة البندول، كانت عجلة التاج والمحور موجهين أفقيًا، وكان البندول معلقًا من المحور. مع ذلك، تُعد آلية التوازن الأقل دقة بين آليات التوازن الشائعة، وبعد ظهور البندول في خمسينيات القرن السابع عشر، بدأت آليات توازن أخرى تحل محلها، ولم يتم التخلي عنها نهائيًا إلا في أواخر القرن التاسع عشر. بحلول ذلك الوقت، تطلبت موضة الساعات الرقيقة تصغير عجلة التوازن بشكل كبير، مما زاد من آثار التآكل، وعند تعبئة ساعة من تلك الفترة اليوم، غالبًا ما نجدها تتقدم بسرعة كبيرة، وتكسب ساعات عديدة يوميًا.

في عام 1584، اخترع جوست بورغي آلية الميزان المتقاطع، وهي نوع من آلية الميزان التقليدية ذات الشفرتين اللتين تدوران في اتجاهين متعاكسين. ^{[ 42 ]} ووفقًا لروايات معاصرة، حققت ساعاته دقة ملحوظة تصل إلى دقيقة واحدة في اليوم، ^{[ 42 ]} أي أفضل بمرتبتين من الساعات الأخرى في ذلك الوقت. ومع ذلك، يُعزى هذا التحسن على الأرجح إلى آلية الميزان نفسها، وإلى براعة الصنع واختراعه لجهاز إعادة الضبط ، وهو جهاز يعزل آلية الميزان عن تغيرات قوة الدفع. ^{[ 42 ]} فبدون نابض التوازن، لم تكن آلية الميزان المتقاطع لتكون أكثر تزامنًا من آلية الميزان التقليدية. ^{[ 42 ]}

آلية غاليليو هي تصميم لآلية ميزان الساعة، اخترعها العالم الإيطالي غاليليو غاليلي حوالي عام 1637. وكانت أول تصميم لساعة بندولية . ولأنه كان كفيفًا آنذاك، وصف غاليليو الجهاز لابنه الذي رسم مخططًا له. بدأ الابن ببناء نموذج أولي، لكنه توفي هو وغاليليو قبل إتمامه.

اخترع روبرت هوك آلية الميزان (انظر الرسوم المتحركة) حوالي عام 1657، وسرعان ما حلت محل آلية الميزان التقليدية لتصبح آلية الميزان القياسية المستخدمة في ساعات البندول حتى القرن التاسع عشر. وتكمن ميزتها في أنها قللت زوايا تأرجح البندول الواسعة في آلية الميزان التقليدية إلى 3-6 درجات، مما جعل حركة البندول شبه متزامنة ، وسمح باستخدام بندولات أطول وأبطأ حركة، وبالتالي استهلاك طاقة أقل. ^{[ 14 ]} وتُعزى إلى آلية الميزان الشكل الطويل والضيق لمعظم ساعات البندول، كما ساهمت في تطوير ساعة الجد ، وهي أول ساعة مزودة بآلية الميزان تُباع تجاريًا، والتي اخترعها ويليام كليمنت حوالي عام 1680، والذي نازع هوك في الفضل في ابتكار آلية الميزان. ^{[ 14 ]}

يتكون نظام المرساة من عجلة هروب ذات أسنان مدببة مائلة للخلف، وجزء محوري فوقها، يشبه إلى حد ما مرساة السفينة، يتأرجح من جانب إلى آخر، متصلًا بالبندول. تحتوي المرساة على أذرع ذات أذرع مائلة تتشابك بالتناوب مع أسنان عجلة الهروب، متلقيةً النبضات. آلية عملها مشابهة ميكانيكيًا لآلية ميزان الساعة التقليدية، ولكنها تعاني من عيبين من عيوبها: (1) يُدفع البندول باستمرار بواسطة سن عجلة الهروب طوال دورته، ولا يُسمح له بالتأرجح بحرية، مما يُخل بتزامنه، و(2) هو نظام ارتدادي ؛ حيث تدفع المرساة عجلة الهروب للخلف خلال جزء من دورتها. يتسبب هذا في رد فعل عكسي ، وزيادة تآكل تروس الساعة، وعدم دقة. تم التغلب على هذه المشاكل في نظام الميزان ذي النبضات المميتة ، الذي حل تدريجيًا محل المرساة في الساعات الدقيقة. ^{[ 14 ]}

كان ميزان غراهام، أو ما يُعرف بميزان الارتداد، تطويرًا لميزان المرساة الذي ابتكره توماس تومبيون، والذي صممه ريتشارد تاونلي عام 1675، ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} على الرغم من أن الفضل يُنسب غالبًا إلى جورج غراهام ، خليفة تومبيون ، الذي روّج له عام 1715. ^{[ 47 ] [ 14 ]} في ميزان المرساة، يدفع تأرجح البندول عجلة الميزان إلى الخلف خلال جزء من دورته. يُؤدي هذا "الارتداد" إلى اضطراب حركة البندول، مما يُسبب عدم دقة، ويعكس اتجاه سلسلة التروس، مما يُسبب رد فعل عكسي ويُدخل أحمالًا عالية في النظام، مما يؤدي إلى الاحتكاك والتآكل. الميزة الرئيسية لميزان الارتداد هي أنه قضى على الارتداد. ^{[ 14 ]}

في آلية الإيقاع الثابت، تحتوي الرافعات على سطح "قفل" منحني ثانٍ، متمركز حول محور دوران المرساة. ^{[ 14 ]} عند أقصى مدى لتأرجح البندول، يستقر سن عجلة التحرر على سطح القفل هذا، فلا يُحدث أي دفع للبندول، مما يمنع ارتداده. قرب نهاية تأرجح البندول، ينزلق السن من سطح القفل إلى سطح "الدفع" المائل، دافعًا البندول، قبل أن تُحرر الرافعات السن. استُخدمت آلية الإيقاع الثابت لأول مرة في ساعات الضبط الدقيقة، ولكن نظرًا لدقتها العالية، حلت محل المرساة في القرن التاسع عشر. ^{[ 14 ]} تُستخدم هذه الآلية في جميع ساعات البندول الحديثة تقريبًا، ^{[ 31 ]} باستثناء ساعات الأبراج، التي غالبًا ما تستخدم آليات هروب تعمل بالجاذبية.

اخترع لويس أمانت هذا النوع من آلية الميزان ذي النبضات المتباعدة حوالي عام ١٧٤١، وهو يتميز بمتانته العالية. فبدلاً من استخدام الأسنان، تحتوي عجلة الميزان على دبابيس دائرية تُوقف وتُحرر بواسطة مرساة تشبه المقص. وتُعرف هذه الآلية أيضاً باسم آلية أمانت أو (في ألمانيا) آلية مانارد ، وتُستخدم بكثرة في ساعات الأبراج.

أول آلية تحرير آلية التثبيت من تصميم بيير لو روي عام 1748

آلية ميزان إيرنشو، المستخدمة على نطاق واسع في الكرونومترات

استُخدمت آلية التثبيت أو ميزان الكرونومتر في الكرونومترات البحرية ، على الرغم من استخدامها أيضًا في بعض الساعات الدقيقة خلال القرنين الثامن عشر والتاسع عشر. ^{[ 48 ]} وقد اعتُبرت هذه الآلية الأكثر دقة بين آليات ميزان عجلة التوازن قبل بداية القرن العشرين، عندما بدأت كرونومترات ميزان الرافعة تتفوق عليها في المنافسة. ^{[ 49 ]} اخترع بيير لو روي الشكل الأولي لهذه الآلية عام 1748، حيث ابتكر نوعًا من آلية التثبيت المحورية، على الرغم من قصورها النظري. ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]} اخترع جون أرنولد أول تصميم فعال لآلية التثبيت حوالي عام 1775، ولكن مع تثبيت محوري. عدّل توماس إيرنشو هذه الآلية عام 1780، وحصل رايت (الذي كان يعمل لديه) على براءة اختراعها عام 1783؛ ومع ذلك، وكما هو موضح في براءة الاختراع، كانت غير قابلة للتطبيق. صمّم أرنولد أيضاً آلية ميزان زنبركية، ولكن مع تحسين التصميم، سادت نسخة إيرنشو في النهاية، حيث خضعت الفكرة الأساسية لعدة تعديلات طفيفة خلال العقد الأخير من القرن الثامن عشر. ظهر الشكل النهائي حوالي عام 1800، واستُخدم هذا التصميم حتى أصبحت الساعات الميكانيكية قديمة في سبعينيات القرن العشرين.

آلية التثبيت هي آلية ميزان منفصلة؛ تسمح لعجلة التوازن بالتأرجح دون عائق خلال معظم دورتها، باستثناء فترة الدفع القصيرة التي تحدث مرة واحدة فقط في كل دورة (كل تأرجح ثانٍ). ^{[ 50 ]} ولأن سن عجلة الميزان الدافعة يتحرك بشكل شبه موازٍ للميزان، فإن آلية الميزان تتميز باحتكاك ضئيل ولا تحتاج إلى تزييت. لهذه الأسباب، من بين أسباب أخرى، اعتُبرت آلية التثبيت هي الأكثر دقة في ساعات عجلة التوازن. ^{[ 53 ]} كان جون أرنولد أول من استخدم آلية التثبيت مع زنبرك توازن حلزوني (براءة اختراع عام 1782)، وبهذا التحسين، كانت ساعاته أول ساعات جيب دقيقة حقًا، حيث حافظت على الوقت بدقة تصل إلى ثانية أو ثانيتين في اليوم. وقد تم إنتاج هذه الساعات ابتداءً من عام 1783.

مع ذلك، كان لميزان الساعة عيوب حدّت من استخدامه في الساعات: فقد كان هشًا ويتطلب صيانة دقيقة؛ ولم يكن يعمل تلقائيًا، فإذا تعرضت الساعة لاهتزاز أثناء الاستخدام وتوقفت عجلة التوازن، فلن تعود للعمل؛ كما كان من الصعب تصنيعه بكميات كبيرة. لذلك، أصبح ميزان الرافعة ذاتي التشغيل هو السائد في الساعات.

ميزان الأسطوانة. عجلة التوازن متصلة بالأسطوانة (ب).

رسم متحرك لآلية ميزان الساعة الأسطواني يوضح كيفية عمل الجزء الأسطواني.

كانت آلية الميزان الأفقية أو الأسطوانية، التي اخترعها توماس تومبيون عام 1695 ^{[ 54 ]} وأتقنها جورج غراهام عام 1726 ^{[ 55 ]،} إحدى آليات الميزان التي حلت محل آلية الميزان ذات الحافة في ساعات الجيب بعد عام 1700. ومن أهم مميزاتها أنها كانت أرق بكثير من آلية الميزان ذات الحافة، مما سمح بصنع ساعات أنيقة وعصرية. إلا أن صانعي الساعات لاحظوا أنها تعاني من التآكل المفرط، لذا لم تُستخدم بكثرة خلال القرن الثامن عشر، باستثناء بعض الساعات الفاخرة ذات الأسطوانات المصنوعة من الياقوت . وقد حلّ الفرنسيون هذه المشكلة بصنع الأسطوانة وعجلة الميزان من الفولاذ المقوى ^{[ 54 ]} ، ومنذ ذلك الحين، استُخدمت آلية الميزان هذه على نطاق واسع في ساعات الجيب الفرنسية والسويسرية الرخيصة والساعات الصغيرة من منتصف القرن التاسع عشر إلى القرن العشرين.

بدلاً من استخدام الصفائح، يستخدم ميزان الساعة أسطوانة مقطوعة على محور عجلة التوازن، تدخلها أسنان الميزان واحدة تلو الأخرى. ^{[ 54 ] [ 55 ]} يدفع كل سنّ على شكل إسفين عجلة التوازن بالضغط على حافة الأسطوانة عند دخوله، ويُثبّت داخل الأسطوانة أثناء دورانها، ثم يدفع العجلة مرة أخرى عند خروجه من الجانب الآخر. عادةً ما تحتوي العجلة على 15 سنًا، وتدفع عجلة التوازن بزاوية تتراوح بين 20° و40° في كل اتجاه. ^{[ 54 ]} وهو ميزان احتكاكي، حيث تكون الأسنان على اتصال بالأسطوانة طوال دورة عجلة التوازن، ولذلك لم يكن دقيقًا مثل موازين الساعة "المنفصلة" كالميزان ذي الرافعة، كما أن قوى الاحتكاك العالية تسببت في تآكل مفرط واستلزمت تنظيفًا أكثر تكرارًا. ^{[ 55 ]}

اخترع روبرت هوك آلية ميزان الساعة المزدوجة حوالي عام 1700، وطوّرها جان بابتيست دوتيرتر وبيير لو روي ، ووضعها توماس تاير في شكلها النهائي، وحصل على براءة اختراعها عام 1782. ^{[ 56 ]} احتوت النماذج الأولى على عجلتي ميزان. كان صنع آلية الميزان المزدوجة صعبًا، لكنها حققت دقة أعلى بكثير من آلية الميزان الأسطوانية - إذ كانت تضاهي دقة آلية الميزان الرافعة (المبكرة) ، وعند صنعها بعناية، كانت تكاد تضاهي دقة آلية الميزان ذات القفل. ^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]} استُخدمت هذه الآلية في ساعات الجيب الإنجليزية عالية الجودة من حوالي عام 1790 إلى 1860، ^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]} وفي ساعة ووتربري، وهي ساعة أمريكية رخيصة الثمن تُعرف باسم "ساعة الرجل العادي"، خلال الفترة من 1880 إلى 1898. ^{[ 62 ] [ 63 ]}

في آلية الميزان المزدوجة، كما هو الحال في آلية ميزان الكرونومتر التي تشبهها، لا تتلقى عجلة التوازن نبضة إلا خلال إحدى تأرجحاتها في دورتها. ^{[ 59 ]} تحتوي عجلة الميزان على مجموعتين من الأسنان (ومن هنا جاء اسم "مزدوجة")؛ أسنان قفل طويلة تبرز من جانب العجلة، وأسنان دفع قصيرة تبرز محوريًا من الأعلى. تبدأ الدورة بسن قفل مستقر على قرص الياقوت. عندما تتأرجح عجلة التوازن عكس اتجاه عقارب الساعة عبر وضعها المركزي، يحرر الشق الموجود في قرص الياقوت السن. ومع دوران عجلة الميزان، يكون الميزان في الوضع الأمثل لتلقي دفعة من سن الدفع. ثم يسقط سن القفل التالي على بكرة الياقوت ويبقى هناك بينما تُكمل عجلة التوازن دورتها وتتأرجح عائدة في اتجاه عقارب الساعة، وتتكرر العملية. خلال التأرجح في اتجاه عقارب الساعة، يسقط سن الدفع مؤقتًا في شق بكرة الياقوت مرة أخرى ولكنه لا يُحرر.

تُعتبر آلية الميزان المزدوجة تقنيًا آلية ميزان احتكاكية ؛ حيث يُضيف السن المُلامس للبكرة بعض الاحتكاك لعجلة التوازن أثناء دورانها ^{[ 59 ] [ 64 ]} ، ولكنه احتكاك ضئيل للغاية. وكما هو الحال في الكرونومتر، يكون الاحتكاك الانزلاقي ضئيلاً أثناء حركة الدفع نظرًا لحركة الميزان وسن الدفع بشكل شبه متوازٍ، مما يُقلل الحاجة إلى التشحيم ^{[ 65 ]} . ومع ذلك، فقدت هذه الآلية شعبيتها لصالح آلية الميزان الرافعة؛ إذ جعلت دقتها العالية وحساسيتها للصدمات ساعات الميزان المزدوجة غير مناسبة للأشخاص النشطين. ومثل الكرونومتر، فهي ليست ذاتية التشغيل وعرضة للتوقف المفاجئ؛ فإذا أوقفت صدمة مفاجئة عجلة التوازن أثناء دورانها في اتجاه عقارب الساعة، فلن تتمكن من إعادة التشغيل.

ميزان انزلاقي خطي أو سويسري

رسم متحرك لآلية ميزان الرافعة يوضح حركة الرافعة فقط

يُستخدم ميزان الرافعة ، الذي اخترعه توماس مودج عام 1750، في الغالبية العظمى من الساعات منذ القرن التاسع عشر. وتتمثل مزاياه في: (1) أنه ميزان "منفصل"، حيث (على عكس موازين الأسطوانة أو الموازين المزدوجة) لا تتلامس عجلة التوازن مع الرافعة إلا خلال فترة النبض القصيرة التي تتأرجح فيها عبر موضعها المركزي، ثم تتأرجح بحرية بقية دورتها، مما يزيد من دقتها؛ و(2) أنه ميزان ذاتي التشغيل، فإذا توقفت عجلة التوازن بسبب اهتزاز الساعة، فإنها ستعاود الدوران تلقائيًا. كان الشكل الأصلي هو ميزان الرافعة المسننة، حيث كانت الرافعة وعجلة التوازن على اتصال دائم عبر مسنن مثبت على الرافعة. لاحقًا، تبيّن أنه يمكن إزالة جميع أسنان التروس باستثناء سن واحد، مما أدى إلى ظهور ميزان الرافعة المنفصل. استخدم صانعو الساعات البريطانيون ميزان الرافعة المنفصل الإنجليزي، حيث كانت الرافعة متعامدة مع عجلة التوازن. لاحقًا، استخدم المصنّعون السويسريون والأمريكيون الرافعة الخطية، حيث تقع الرافعة على خط مستقيم بين عجلة التوازن وعجلة الميزان؛ وهذا هو الشكل المستخدم في الساعات الحديثة. في عام 1798، اخترع لويس بيرون شكلاً أقل تكلفة وأقل دقة يُسمى ميزان الدبابيس ، والذي استُخدم في ساعات "الدولار " الرخيصة في أوائل القرن العشرين، ولا يزال يُستخدم في ساعات المنبه الرخيصة ومؤقتات المطبخ. ^{[ 66 ]}

مخطط هروب الجراد (1820)

رسم متحرك لأحد أشكال هروب الجراد

من بين آليات الإفلات الميكانيكية النادرة والمثيرة للاهتمام، آلية إفلات الجرادة التي ابتكرها جون هاريسون عام ١٧٢٢. في هذه الآلية، يُحرّك البندول بواسطة ذراعين مفصليين (منصتين). أثناء تأرجح البندول، يعلق طرف أحد الذراعين بعجلة الإفلات ويدفعها قليلاً إلى الخلف؛ مما يُحرر الذراع الآخر الذي يتحرك جانبًا ليسمح لعجلة الإفلات بالمرور. وعندما يعود البندول إلى وضعه الأصلي، يعلق الذراع الآخر بالعجلة، ويدفعها إلى الخلف، ويُحرر الذراع الأول، وهكذا. لم تُستخدم آلية إفلات الجرادة إلا في عدد قليل جدًا من الساعات منذ زمن هاريسون. ولا تزال آليات إفلات الجرادة التي صنعها هاريسون في القرن الثامن عشر تعمل حتى اليوم. تتآكل معظم آليات الإفلات الأخرى بسرعة أكبر، وتُهدر طاقة أكبر بكثير. ومع ذلك، وكما هو الحال في آليات الإفلات المبكرة الأخرى، تدفع آلية الجرادة البندول طوال دورته. لا يُسمح لها بالتأرجح بحرية مطلقًا، مما يُسبب أخطاءً نتيجةً لاختلافات قوة الدفع، ^{[ 67 ]} وقد وجد صانعو الساعات في القرن التاسع عشر أنها غير قادرة على منافسة آليات الميزان الأكثر انفصالًا مثل آلية الميزان الميت. ^{[ 68 ] [ 67 ]} ومع ذلك، مع العناية الكافية في بنائها ، يُمكنها تحقيق دقة عالية. فقد سجلت ساعة تجريبية حديثة من نوع "جراد"، وهي ساعة بورغيس ب، خطأً مُقاسًا قدره 5/8 من الثانية فقط خلال 100 يوم تشغيل. ^{[ 69 ]} وبعد عامين من التشغيل، بلغ خطأها ±0.5 ثانية فقط، بعد تصحيح الضغط الجوي. ^{[ 70 ] [ 71 ]}

تستخدم آلية ميزان الجاذبية ثقلاً صغيراً أو نابضاً ضعيفاً لإعطاء دفعة مباشرة للبندول. يتكون الشكل الأولي من ذراعين مثبتين على محور قريب جداً من نابض تعليق البندول، ذراع على كل جانب. يحمل كل ذراع زنبركاً صغيراً ذا حركة ثابتة، ويتصل به سطح مائل. عندما يرفع البندول أحد الذراعين مسافة كافية، يحرر الزنبرك عجلة الميزان. على الفور تقريباً، يبدأ سن آخر على عجلة الميزان بالانزلاق لأعلى السطح المائل على الذراع الآخر، مما يؤدي إلى رفعه. يصل إلى الزنبرك ويتوقف. في هذه الأثناء، يبقى الذراع الآخر متصلاً بالبندول ويهبط مرة أخرى إلى نقطة أدنى من نقطة انطلاقه. يوفر هذا الهبوط للذراع الدفعة للبندول.

تطوّر هذا التصميم تدريجيًا من منتصف القرن الثامن عشر إلى منتصف القرن التاسع عشر. وأصبح في نهاية المطاف الخيار الأمثل لميزان الساعة في ساعات البرج ، نظرًا لتعرض تروسها لتغيرات كبيرة في قوة الدفع نتيجةً لحركة العقارب الخارجية الكبيرة، وما يصاحبها من تقلبات في أحمال الرياح والثلوج والجليد. وبما أن قوة الدفع في ميزان الساعة الذي يعمل بالجاذبية لا تُحرّك البندول مباشرةً، بل تُعيد ضبط الأثقال التي تُولّد الدفع فقط، فإن الميزان لا يتأثر بتغيرات قوة الدفع.

إنّ "آلية التوازن المزدوجة ثلاثية الأرجل القائمة على الجاذبية" الموضحة هنا هي نوع من آليات التوازن ابتكره المحامي بلوكسام، ثمّ طوّره اللورد غريمثورب لاحقًا . وهي المعيار المعتمد في جميع ساعات الأبراج الدقيقة. في الرسوم المتحركة، يظهر ذراعا الجاذبية باللونين الأزرق والأحمر. كما تظهر عجلتا التوازن ثلاثية الأرجل باللونين الأزرق والأحمر أيضًا. تعمل هذه العجلات في مستويين متوازيين، بحيث تصطدم العجلة الزرقاء بكتلة القفل الموجودة على الذراع الأزرق فقط، وتصطدم العجلة الحمراء بالذراع الأحمر فقط. في آلية التوازن الحقيقية، تُصدر هذه الاصطدامات صوت "دقات" مسموعًا عاليًا (يُشار إليه في الرسوم المتحركة بعلامة النجمة (*) بجانب كتل القفل). تُعدّ دبابيس الرفع السوداء الثلاثة أساسية لعمل آلية التوازن. فهي ترفع ذراعي الجاذبية المثقلتين بمقدار يُشار إليه بالخطين المتوازيين على كل جانب من جوانب آلية التوازن. هذه الزيادة في طاقة الوضع هي الطاقة التي تُمنح للبندول في كل دورة. في ساعة كلية ترينيتي بجامعة كامبريدج  ، تُرفع كتلة تزن حوالي 50 غرامًا مسافة 3  مليمترات كل 1.5 ثانية، ما يُعادل 1  ميلي واط من الطاقة. تبلغ الطاقة الدافعة من الوزن الساقط حوالي 12 ميلي واط، لذا يوجد فائض كبير من الطاقة يُستخدم لتشغيل آلية الميزان. يُبدد جزء كبير من هذه الطاقة في تسارع وتباطؤ "الذبابة" الاحتكاكية المتصلة بعجلات الميزان. أما الساعة الكبيرة في برج إليزابيث في وستمنستر، التي تدق دقات ساعة بيغ بن  في لندن، فتستخدم ميزانًا مزدوجًا ثلاثي الأرجل يعمل بالجاذبية.

ميزان محوري

عرض متحرك لآلية الإفلات المحورية

تم اختراعها حوالي عام 1974 ^{[ 72 ]} وحصلت على براءة اختراع في عام 1980 ^{[ 73 ]} من قبل صانع الساعات البريطاني جورج دانيلز ، وتُعد آلية التوازن المحورية واحدة من آليات التوازن الجديدة القليلة التي تم اعتمادها تجاريًا في العصر الحديث.

يمكن اعتبار أصولها البعيدة مرتبطة بآلية الميزان التي اخترعها روبرت روبن حوالي عام 1792، والتي تُعطي دفعة واحدة في اتجاه واحد. ومع ذلك، وبفضل آلية القفل التي تُحققها رافعات سلبية، ^{[ 74 ]} فإن تصميم آلية الميزان المحورية أقرب إلى آلية فاسولد (وهي نسخة أخرى من ابتكار روبن)، والتي اخترعها وحصل على براءة اختراعها الأمريكي تشارلز فاسولد عام 1859. ^{[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]} تُعطي كلتا آليتي روبن وفاسولد دفعة في اتجاه واحد فقط.

تتميز آلية ميزان فاسولد برافعة ذات انخفاضات غير متساوية، تتعشق مع عجلتي ميزان بأقطار مختلفة. تعمل عجلة الدفع الأصغر على الميزان المفرد في نهاية الرافعة، بينما تُقفل ميزانات الرافعة المدببة على العجلة الأكبر. يتعشق ميزان الساعة مع الرافعة ويُدفع بواسطتها عبر دبوس أسطواني وشوكة رافعة. تُقفل ميزان الرافعة "المثبتة" العجلة الأكبر؛ وعند فتحها، تُدفع ميزان في نهاية الرافعة بواسطة العجلة الأصغر عبر شوكة الرافعة. شوط العودة "ميت"، حيث تقتصر وظيفة ميزانات التثبيت على القفل والفتح فقط، وتُدفع الدفعة في اتجاه واحد عبر ميزان الرافعة المفرد. وكما هو الحال في آلية الميزان المزدوجة، تكون عجلة القفل أكبر لتقليل الضغط وبالتالي الاحتكاك.

مع ذلك، يحقق ميزان دانيلز المحوري دفعًا مزدوجًا باستخدام رافعات سلبية تعمل فقط على قفل وفتح العجلة الأكبر. من جهة، يُعطى الدفع بواسطة العجلة الأصغر التي تؤثر على الرافعة عبر البكرة ودبوس الدفع. عند العودة، تُفتح الرافعة العجلة الأكبر مرة أخرى، مما يُعطي دفعًا مباشرًا على بكرة الدفع الموجودة على محور التوازن.

تتمثل الميزة الرئيسية في تمكين حدوث كلا الدفعين على خط المنتصف أو حوله، مع وجود احتكاك فاصل في كلا الاتجاهين. يُعدّ هذا النمط من الدفع نظريًا أفضل من آلية الرافعة، التي تعتمد على احتكاك فاصل على منصة الدخول. ولطالما اعتُبر هذا الاحتكاك عاملًا مُؤثرًا سلبًا على تزامن حركة الميزان. ^{[ 78 ] [ 79 ]}

لم يعد المشترون يشترون الساعات الميكانيكية في المقام الأول لدقتها، لذلك لم يكن لدى المصنعين اهتمام كبير بالاستثمار في الأدوات اللازمة لتصنيع ميزان الساعة المحوري؛ على الرغم من أن أوميغا اعتمدته في النهاية في عام 1990. ^{[ 79 ]}

بما أن ساعات الكوارتز منخفضة التكلفة تتمتع بدقة تفوق بكثير دقة أي ساعة ميكانيكية، فإن تصميمات ميزان الساعة المحسّنة لم تعد مدفوعة باحتياجات ضبط الوقت العملية، بل أصبحت تُعتبر ابتكارات في سوق الساعات الفاخرة. وفي محاولة لجذب الأنظار، قدّم بعض صانعي الساعات الميكانيكية الفاخرة في العقود الأخيرة موازين ساعة جديدة. ولم يتبنَّ أيٌّ من هذه الموازين أيٌّ من صانعي الساعات الآخرين بعد مبتكرها الأصلي.

استنادًا إلى براءات الاختراع التي قدمتها شركة رولكس في البداية نيابة عن المخترع نيكولاس ديهون، ^{[ 80 ]} تم تطوير آلية التوازن الثابتة بواسطة جيرارد-بيريغو كنماذج أولية عاملة في عام 2008 (كان ديهون آنذاك رئيس قسم البحث والتطوير في جيرارد-بيريغو) وفي الساعات بحلول عام 2013.

المكون الرئيسي في هذه الآلية هو شفرة سيليكونية مثنية تخزن الطاقة المرنة . تُثنى هذه الشفرة إلى درجة قريبة من حالة عدم استقرارها، ثم تُطلق فجأة مع كل تأرجح لعجلة التوازن لإعطاء العجلة دفعة، وبعد ذلك تُعاد تهيئة العجلة بواسطة مجموعة التروس. وتكمن الميزة المزعومة في أنه بما أن الشفرة تنقل نفس مقدار الطاقة إلى العجلة في كل مرة تُطلق فيها، فإن عجلة التوازن تكون معزولة عن التغيرات في قوة الدفع الناتجة عن مجموعة التروس والنابض الرئيسي، والتي تُسبب عدم دقة في الآليات التقليدية.

استفادت شركتا بارميجياني فلورييه، بميزانها جينيكواند، وأوليس ناردين، بميزانها أوليس أنكور، من خصائص النوابض المسطحة المصنوعة من السيليكون. أما شركة دي بيتون، صانعة الساعات المستقلة، فقد طورت مفهومًا يعتمد على مغناطيس يجعل الرنان يهتز بتردد عالٍ ، ليحل محل نابض التوازن التقليدي . ^{[ 81 ]}

في عام ١٨٤٣، ذكر ماتيوس هيب لأول مرة ساعة ميكانيكية بحتة تعمل بمفتاح يُسمى "echappement à palette". ^{[ ٨٢ ]} استُخدمت نسخة مُعدّلة من هذا المفتاح منذ ستينيات القرن التاسع عشر داخل ساعات البندول التي تعمل بالكهرباء، والمعروفة باسم "hipp-toggle". ^{[ ٨٣ ]} منذ سبعينيات القرن التاسع عشر، وفي نسخة مُحسّنة، كان البندول يُحرّك عجلة مسننة عبر لسان على قضيب البندول، وتُحرّك العجلة المسننة باقي أجزاء الساعة للإشارة إلى الوقت. لم يكن البندول يُحرّك في كل تأرجح أو حتى على فترات زمنية مُحدّدة، بل كان يُحرّك فقط عندما ينخفض ​​قوس تأرجحه إلى ما دون مستوى مُعيّن. بالإضافة إلى لسان العد، كان البندول يحمل ريشة صغيرة، تُعرف باسم "Hipp's toggle"، مُثبّتة في الأعلى، وكانت حرة الحركة تمامًا. وُضِعَتْ بحيث تسحبُ على كتلةٍ مثلثةٍ مصقولةٍ ذات أخدودٍ على شكل حرف V في أعلاها. عندما يكون قوس تأرجح البندول كبيرًا بما يكفي، تعبرُ الريشةُ الأخدودَ وتتأرجحُ بحريةٍ على الجانب الآخر. أما إذا كان القوسُ صغيرًا جدًا، فإن الريشة لا تغادرُ الجانبَ البعيدَ من الأخدود، وعندما يتأرجحُ البندولُ عائدًا، تدفعُ الكتلةَ بقوةٍ إلى الأسفل. تحملُ الكتلةُ موصلًا يُكملُ الدائرةَ الكهربائيةَ للمغناطيسِ الكهربائي الذي يُحركُ البندول. ولا يُحركُ البندولُ إلا عند الحاجة.

كان هذا النوع من الساعات يُستخدم على نطاق واسع كساعة رئيسية في المباني الكبيرة للتحكم في العديد من الساعات التابعة. وكانت معظم مقاسم الهاتف تستخدم مثل هذه الساعة للتحكم في الأحداث الموقوتة، مثل تلك اللازمة للتحكم في إعداد المكالمات الهاتفية وشحنها، وذلك عن طريق إرسال نبضات متفاوتة المدة بشكل دوري، مثل كل ثانية.

صُمم مفتاح التزامن وآلية التوازن بالجاذبية عام 1895 على يد فرانك هوب جونز ، وشكّلا أساس معظم ساعات شركة التزامن في القرن العشرين، ^{[ 84 ]} بالإضافة إلى كونهما أساس البندول التابع في ساعة شورت-تزامن ذات البندول الحر . ^{[ 85 ]} يقوم ذراع تجميع متصل بالبندول بتحريك عجلة عدّ ذات 15 سنًا في موضع واحد، مع وجود مزلاج يمنع الحركة في الاتجاه المعاكس. تحتوي العجلة على ريشة تُحرر ذراع الجاذبية مرة واحدة كل 30 ثانية. عند سقوط ذراع الجاذبية، فإنه يدفع لوحة متصلة مباشرة بالبندول. بمجرد سقوط الذراع، يُحدث اتصالًا كهربائيًا يُنشّط مغناطيسًا كهربائيًا لإعادة ضبط ذراع الجاذبية، ويعمل هذا الاتصال كنبضة نصف دقيقة للساعات التابعة. ^{[ 86 ]}

في القرن العشرين، اخترع صانع الساعات الإنجليزي ويليام هاميلتون شورت ساعة بندول حر، وحصل على براءة اختراعها في سبتمبر 1921، وقامت بتصنيعها شركة سينكرونوم، بدقة تصل إلى جزء من مئة من الثانية في اليوم. في هذا النظام، يتأرجح البندول الرئيسي - المصنوع قضيبه من سبيكة خاصة من الفولاذ والنيكل ( إنفار ) والذي لا يتغير طوله إلا قليلاً مع تغير درجة الحرارة - بحرية تامة قدر الإمكان من أي تأثير خارجي داخل حجرة مفرغة من الهواء ؛ فهو لا يبذل أي جهد يُذكر . ويكون على اتصال ميكانيكي مع آلية الإفلات لجزء من الثانية فقط كل 30 ثانية. يقوم بندول ثانوي بتدوير آلية مسننة، والتي بدورها تُشغل مغناطيسًا كهربائيًا كل أقل بقليل من 30 ثانية. يُحرر هذا المغناطيس الكهربائي ذراع الجاذبية على آلية الإفلات فوق البندول الرئيسي. وبعد جزء من الثانية (ولكن بالضبط كل 30 ثانية)، تُحرر حركة البندول الرئيسي ذراع الجاذبية ليسقط لمسافة أبعد. في هذه العملية، يُعطي ذراع الجاذبية دفعةً صغيرةً للبندول الرئيسي، مما يُبقيه متأرجحًا. يسقط ذراع الجاذبية على زوج من نقاط التلامس، مُكملاً بذلك دائرةً كهربائيةً تقوم بما يلي: (1) تنشيط مغناطيس كهربائي ثانٍ لرفع ذراع الجاذبية فوق البندول الرئيسي إلى أعلى موضع له، (2) إرسال نبضة لتفعيل واحد أو أكثر من أقراص الساعة، و(3) إرسال نبضة إلى آلية تزامن تُبقي البندول التابع متزامنًا مع البندول الرئيسي.

بما أن البندول التابع هو الذي يحرر ذراع الجاذبية، فإن هذا التزامن ضروري لعمل الساعة. تستخدم آلية التزامن نابضًا صغيرًا متصلًا بمحور البندول التابع، ومحركًا كهرومغناطيسيًا يلتقط النابض إذا تأخر البندول التابع قليلًا، مما يُقصر دورة البندول التابع لتأرجحة واحدة. تم ضبط البندول التابع ليتحرك ببطء طفيف، بحيث يلتقط المحرك النابض في كل نبضة تزامن تقريبًا. ^{[ 87 ]}

أصبح هذا النوع من الساعات معيارًا للاستخدام في المراصد (تم تصنيع ما يقرب من 100 ساعة من هذا النوع ^{[ 88 ]} ) وكانت أول ساعة قادرة على اكتشاف الاختلافات الصغيرة في سرعة دوران الأرض .