ساعة ميكانيكية

النابض الرئيسي الذي يُشغّل الساعة، وهو عبارة عن شريط حلزوني من الفولاذ الزنبركي، موجود داخل أسطوانة ، حيث يتصل طرفه الخارجي بها. وتؤدي قوة النابض إلى تدوير الأسطوانة. تحتوي الأسطوانة على أسنان مسننة حولها تُدير العجلة المركزية مرة واحدة كل ساعة - وهذه العجلة مزودة بمحور يمر عبر الميناء. من جهة الميناء، يتم تثبيت ترس الساعة بواسطة آلية احتكاك (مما يسمح له بالانزلاق عند ضبط العقارب)، ويرتبط عقرب الدقائق بترس الساعة. يُشغّل ترس الساعة آلية تخفيض صغيرة بنسبة 12 إلى 1 تُسمى آلية الحركة ، والتي تُدير عجلة وعقرب الساعات مرة واحدة لكل 12 دورة لعقرب الدقائق.

بالنسبة لنفس معدل التذبذب، فإن مدة تشغيل الساعة الميكانيكية أو احتياطي الطاقة فيها تعتمد بشكل أساسي على حجم النابض الرئيسي المستخدم، والذي بدوره يعتمد على مقدار الطاقة المطلوبة والمساحة المتاحة. إذا كانت آلية الحركة متسخة أو بالية، فقد لا تنتقل الطاقة من النابض الرئيسي إلى آلية الميزان بكفاءة. يمكن للصيانة أن تساعد في استعادة مدة التشغيل المتدهورة. تتراوح مدة تشغيل معظم آليات الساعات الميكانيكية بين 36 و72 ساعة. بعض آليات الساعات الميكانيكية قادرة على العمل لمدة أسبوع. تُحسب مدة التشغيل الدقيقة لآلية الحركة الميكانيكية باستخدام الصيغة التالية: ${\displaystyle n_{2}={\frac {n_{1}\cdot z_{1}}{z_{2}}}}$^{[ 10 ]} حيث${\displaystyle z_{1}}$هو عدد أسنان البرميل،${\displaystyle z_{2}}$هو عدد أوراق الترس المركزي،${\displaystyle n_{1}}$هو عدد دورات الأسطوانة، و${\displaystyle n_{2}}$عدد دورات الترس المركزي هو مدة التشغيل.

تُحرّك العجلة المركزية ترس العجلة الثالثة، وتُحرّك العجلة الثالثة ترس العجلة الرابعة. في الساعات التي تحتوي على عقرب ثوانٍ في ميناء فرعي، يقع عادةً فوق موضع الساعة السادسة، تكون العجلة الرابعة مُصممة للدوران مرة واحدة في الدقيقة، ويرتبط عقرب الثواني مباشرةً بمحور هذه العجلة.

تُحرك العجلة الرابعة أيضًا عجلة الميزان في آلية الرافعة . تتشابك أسنان عجلة الميزان بالتناوب مع نتوءين على ذراعي رافعة الرافعة ، مما يؤدي إلى تأرجحها ذهابًا وإيابًا. يحتوي الطرف الآخر للرافعة على شوكة تتعشق مع دبوس دافع رأسي على محور عجلة التوازن . في كل مرة تتأرجح فيها عجلة التوازن عبر وضعها المركزي، تُحرر الرافعة، مما يُحرر سنًا واحدًا من أسنان عجلة الميزان، ويسمح لعجلات الساعة بالتقدم مسافة ثابتة، مُحركًا العقارب للأمام. أثناء دوران عجلة الميزان، يدفع سنها الرافعة، مما يُعطي عجلة التوازن دفعة قصيرة، مُحافظًا على تأرجحها ذهابًا وإيابًا.

تحافظ عجلة التوازن على دقة الساعة. وهي تتكون من عجلة مثقلة تدور ذهابًا وإيابًا، ثم تعود إلى وضعها المركزي بواسطة نابض حلزوني دقيق، يُعرف بنابض التوازن أو "النابض الشعري" . تشكل العجلة والنابض معًا مذبذبًا توافقيًا . تتحد كتلة عجلة التوازن مع صلابة النابض للتحكم بدقة في دورة كل تأرجح أو "نبضة" للعجلة. دورة تذبذب عجلة التوازن T بالثواني، وهي الزمن اللازم لدورة كاملة (نبضتان)، هي

${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {I}{\kappa }}}\,}$

أين${\displaystyle I\,}$عزم القصور الذاتي للعجلة بوحدة كيلوغرام متر ^مربع و${\displaystyle \kappa \,}$هي صلابة ( ثابت الزنبرك ) زنبرك التوازن بوحدة نيوتن متر لكل راديان. تتذبذب معظم عجلات توازن الساعات بتردد 5 أو 6 أو 8 أو 10 نبضات في الثانية. وهذا يعادل 2.5 أو 3 أو 4 أو 5  هرتز على التوالي، أو 18000 أو 21600 أو 28800 أو 36000 نبضة في الساعة. يوجد في معظم الساعات ذراع ضبط على زنبرك التوازن يُستخدم لضبط معدل الساعة. يحتوي هذا الذراع على مسمارين يحيطان باللفة الأخيرة من الزنبرك، مما يُثبّت الجزء خلف المسمارين في مكانه، وبالتالي يُحدد موضع هذين المسمارين طول الزنبرك. يؤدي تحريك ذراع الضبط إلى تحريك المسمارين لأعلى أو لأسفل على طول الزنبرك للتحكم في طوله الفعال. يؤدي تحريك المسمارين لأعلى على طول الزنبرك، مما يُقصر طوله، إلى زيادة صلابته، وبالتالي زيادة دقته.${\displaystyle \kappa \,}$في المعادلة أعلاه، يؤدي تقليل فترة العجلة إلى${\displaystyle T\,}$لذا يتأرجح ذهابًا وإيابًا بشكل أسرع، مما يتسبب في تشغيل الساعة بشكل أسرع.

تقوم مجموعة تروس منفصلة تُسمى آلية التدوير بدون مفتاح بلفّ النابض الرئيسي عند تدوير التاج ، وعند سحب التاج مسافة قصيرة، يُمكن تدوير العقارب لضبط الساعة. يحتوي ساق التاج على ترس يُسمى عجلة القابض أو عجلة القلعة ، بحلقتين من الأسنان تبرزان محوريًا من طرفيه. عند دفع الساق للداخل، تُدير الأسنان الخارجية عجلة السقاطة أعلى برميل النابض الرئيسي، مما يُدير العمود الذي يتصل به الطرف الداخلي للنابض، فيلفّ النابض بإحكام حول العمود. يضغط لسان زنبركي أو نقرة على أسنان السقاطة، مانعًا النابض الرئيسي من الانفكاك. عند سحب الساق للخارج، تتعشق الأسنان الداخلية لعجلة القلعة مع ترس يُدير عجلة الدقائق. عند تدوير التاج، يسمح اقتران الاحتكاك لترس المدفع بتدوير العقارب.

إذا كان عقرب الثواني متحد المحور مع عقرب الدقائق والساعات، أي أنه يدور في مركز القرص، فإن هذا الترتيب يسمى "ثواني مركزية" أو "ثواني كاسحة"، لأن عقرب الثواني يدور حول مسار الدقائق على القرص.

في البداية، كانت عقارب الثواني المركزية تُدار بواسطة العجلة الثالثة، وأحيانًا عبر عجلة وسيطة، مع وجود التروس على السطح الخارجي للوحة العلوية. تُسمى هذه الطريقة في تحريك عقرب الثواني "الثواني المركزية غير المباشرة". ولأن التروس كانت خارج اللوحات، فقد زاد ذلك من سُمك آلية الحركة، ولأن دوران العجلة الثالثة كان يتطلب زيادة سرعة دوران عقرب الثواني مرة واحدة في الدقيقة، فقد كان عقرب الثواني يتحرك حركة ارتعاشية. ^{[ 11 ]}

في عام ١٩٤٨، قدمت زينيث ساعةً ذات نظام تروس مُعاد تصميمه، حيث وُضعت العجلة الرابعة في مركز الحركة، مما مكّنها من تحريك عقرب الثواني المركزي مباشرةً. أما عجلة الدقائق، التي كانت سابقًا في مركز الحركة، فقد نُقلت إلى جانبها، وأصبحت تُحرك عقرب الدقائق بشكل غير مباشر. ويُخفي هذا التغيير في نظام التروس أي اهتزاز ناتج عن الحركة غير المباشرة بفضل الحركة البطيئة نسبيًا لعقرب الدقائق. وقد أدى هذا التصميم الجديد إلى وضع جميع تروس نظام التروس بين الصفائح، مما سمح بتصميم حركة أنحف. ^{[ ١٢ ]}

تؤدي الأحجار الكريمة وظيفتين في الساعة. ^{[ 17 ]} أولاً، يمكن أن يؤدي تقليل الاحتكاك إلى زيادة الدقة. يتسبب الاحتكاك في محامل تروس الساعة وآلية الميزان في اختلافات طفيفة في النبضات المطبقة على عجلة التوازن ، مما يؤدي إلى اختلافات في معدل ضبط الوقت. يقلل الاحتكاك المنخفض والمتوقع لأسطح الأحجار الكريمة من هذه الاختلافات. ثانياً، يمكنها زيادة عمر المحامل. في المحامل غير المرصعة بالأحجار الكريمة، تدور محاور عجلات الساعة في ثقوب موجودة في الصفائح التي تدعم الحركة. تتسبب القوة الجانبية التي يطبقها الترس المحرك في زيادة الضغط والاحتكاك على جانب واحد من الثقب. في بعض العجلات، يمكن أن يؤدي دوران العمود إلى تآكل الثقب حتى يصبح بيضاوي الشكل، مما يؤدي في النهاية إلى تعطل الترس وتوقف الساعة.

في آلية الميزان ، تُستخدم الأحجار الكريمة للأجزاء التي تعمل عن طريق الاحتكاك الانزلاقي: ^{[ 17 ]}

• الصفائح - هي الأسطح المستطيلة المائلة الموجودة على الرافعة والتي تضغط عليها أسنان عجلة الميزان. وهي المصدر الرئيسي للاحتكاك في حركة الساعة، وكانت من أوائل المواقع التي وُضعت عليها الأحجار الكريمة.
• دبوس الدفع - الدبوس غير المركزي الموجود على قرص على محور التوازن والذي يتم دفعه بواسطة شوكة الرافعة، للحفاظ على حركة عجلة التوازن.

يُستخدم نوعان مختلفان من المحامل:

• جواهر الثقب - هذه عبارة عن محامل جلبة على شكل دونات تستخدم لدعم محور (عمود) معظم العجلات.
• أحجار التغطية أو جواهر الغطاء - عندما يكون محور العجلة في الوضع الرأسي، يرتكز كتف المحور على جانب جوهرة الثقب، مما يزيد الاحتكاك. وهذا بدوره يؤدي إلى تغير معدل الساعة عند تغيير وضعيتها. لذا، في المحامل التي يكون فيها الاحتكاك بالغ الأهمية، مثل محاور عجلة التوازن، تُضاف أحجار تغطية مسطحة عند طرفي المحور. وعندما يكون المحور في الوضع الرأسي، يرتكز طرفه المستدير على سطح حجر التغطية، مما يقلل الاحتكاك.

ازداد عدد الجواهر المستخدمة في حركات الساعات على مدى الـ 150 عامًا الماضية مع انخفاض تكلفة ترصيعها وتحسن دقة الساعات. المحامل الوحيدة التي تحتاج إلى ترصيع في الساعة هي تلك الموجودة في مجموعة التروس الرئيسية - وهي مجموعة التروس التي تنقل القوة من برميل النابض الرئيسي إلى عجلة التوازن - لأنها الوحيدة التي تتعرض باستمرار لقوة النابض الرئيسي. ^{[ 21 ]} أما العجلات التي تُحرك العقارب ( آلية الحركة ) وعجلات التقويم فلا تتعرض لأي حمل، بينما تُستخدم العجلات التي تملأ النابض الرئيسي ( آلية التعبئة ) نادرًا، لذا فهي لا تتآكل بشكل ملحوظ. يكون الاحتكاك هو الأكثر تأثيرًا في العجلات الأسرع حركة، لذا فهي تستفيد أكثر من الترصيع. لذلك، كانت محاور عجلة التوازن أول آلية تُرصّع بالجواهر في الساعات، تلتها آلية الميزان . ومع إضافة المزيد من المحامل المرصعة بالجواهر، تم تطبيقها على العجلات الأبطأ حركة، وتطور الترصيع تدريجيًا في مجموعة التروس الرئيسية وصولًا إلى البرميل. تحتوي الساعة ذات الـ 17 جوهرة على جميع محاملها، بدءًا من عجلة التوازن وصولًا إلى محامل محور العجلة المركزية، مرصعة بالجواهر، ولذلك تُعتبر ساعة "مرصعة بالكامل بالجواهر". ^{[ 18 ]} في الساعات عالية الجودة، ولتقليل خطأ التموضع، أُضيفت أحجار غطاء لمحامل الرافعة وعجلة الهروب، ليصل عدد الجواهر إلى 21 جوهرة. حتى محور برميل الزنبرك الرئيسي كان يُرصّع أحيانًا بالجواهر، ليصل المجموع إلى 23 جوهرة. وعندما طُرحت الساعات ذاتية التعبئة في خمسينيات القرن العشرين، رُصّعت عدة عجلات في آلية التعبئة التلقائية بالجواهر، مما زاد العدد إلى 25-27 جوهرة.

من المشكوك فيه أن إضافة جواهر أخرى غير المذكورة أعلاه تُعدّ مفيدة حقًا في الساعة. ^{[ 22 ]} فهي لا تزيد من الدقة، لأن العجلات الوحيدة التي تؤثر على عجلة التوازن، وهي عجلات مجموعة الحركة ، مُرصّعة بالجواهر أصلًا. غالبًا ما تحتوي الساعات البحرية ، وهي أدق الساعات المحمولة، على 7 جواهر فقط. كما أن ترصيع محامل العجلات الإضافية لا يزيد من عمر آلية الحركة؛ فكما ذُكر سابقًا، لا تتعرض معظم العجلات الأخرى للتآكل الكافي الذي يستدعي ترصيعها.

مع ذلك، وبحلول أوائل القرن العشرين، أصبحت حركات الساعات موحدة لدرجة أنه لم يعد هناك فرق يُذكر بين آلياتها، باستثناء جودة الصنع. لذا، جعل مصنّعو الساعات عدد الجواهر، وهو أحد المعايير القليلة التي تميز الساعات عالية الجودة، نقطةً إعلانيةً رئيسية، حيث أدرجوه بشكل بارز على ميناء الساعة. وتعلم المستهلكون، في ظل قلة الخيارات الأخرى، الربط بين كثرة الجواهر وجودة الساعة. ورغم أن هذا كان في البداية مقياسًا جيدًا للجودة، إلا أنه شجع المصنّعين على زيادة عدد الجواهر.

في ستينيات القرن العشرين، بلغ هوس صناعة الساعات بالجواهر ذروته، حيث أنتجت الشركات ساعاتٍ تحتوي على 41 أو 53 أو 75 أو حتى 100 جوهرة. ^{[ 21 ] [ 22 ]} كانت معظم هذه الجواهر الإضافية غير وظيفية تمامًا؛ إذ لم تكن تلامس الأجزاء المتحركة، وإنما أُضيفت فقط لزيادة عدد الجواهر. على سبيل المثال، تتكون ساعة Waltham ذات الـ 100 جوهرة من حركة عادية تحتوي على 17 جوهرة، مع 83 قطعة صغيرة من الياقوت الأحمر مثبتة حول دوّار التعبئة التلقائية. ^{[ 23 ]}

في عام ١٩٧٤، أصدرت المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO) بالتعاون مع منظمة معايير صناعة الساعات السويسرية ( Normes de l'Industrie Horlogère Suisse - NIHS) معيارًا، هو ISO 1112، يحظر على المصنّعين تضمين جواهر غير وظيفية ضمن عدد الجواهر في الإعلانات ومواد المبيعات. وقد أدى ذلك إلى وقف استخدام الجواهر غير الوظيفية تمامًا. مع ذلك، يقول بعض الخبراء إن المصنّعين استمروا في تضخيم عدد الجواهر في ساعاتهم من خلال "إضافة جواهر وظيفية"؛ أي إضافة محامل مرصعة بالجواهر إلى عجلات لا تحتاج إليها فعليًا، مستغلين ثغرات في معيار ISO 1112. ^{[ ٢٢ ]} ومن الأمثلة على ذلك إضافة أحجار غطاء لمحامل العجلة الثالثة والرابعة، وترصيع محامل عجلة الدقائق، وأذرع تروس التعبئة التلقائية . ومن المرجح أن أيًا من هذه الإضافات لا يُحسّن دقة الساعة أو عمرها الافتراضي.