밸런스휠

밸런스 휠(balance wheel) 또는 밸런스(balance)는 기계식 시계와 작은 시계에 사용되는 시계 장치로, 진자 시계의 진자와 유사합니다.밸런스 스프링(balance spring) 또는 헤어 스프링(hair spring)이라고 하는 나선형 토션 스프링에 의해 중심 위치로 되돌아오는 앞뒤로 회전하는 가중 휠입니다.이는 시계 기어 트레인의 회전 운동을 밸런스 휠로 전달되는 충동으로 변환시키는 탈출에 의해 구동됩니다.휠의 각 스윙("틱" 또는 "비트"라고 함)을 통해 기어 트레인이 설정된 양만큼 전진하여 손을 앞으로 움직일 수 있습니다.밸런스 휠과 헤어 스프링은 함께 고조파 발진기를 형성하며, 공진으로 인해 공진 주파수 또는 "비트"와 같은 특정 속도로 우선적으로 진동하고 다른 속도로 진동하지 않습니다.밸런스 휠의 질량과 스프링의 탄성의 조합은 각 진동 또는 "틱" 사이의 시간을 매우 일정하게 유지하여 기계식 시계의 타임키퍼로서 현재까지 거의 보편적인 용도를 설명합니다.14세기에 발명된 이후 1960년대에 튜닝 포크와 쿼츠 움직임이 이용 가능해 질 때까지 사실상 모든 휴대용 타임 키핑 장치는 어떤 형태의 밸런스 휠을 사용했습니다.

개요

1980년대까지 균형 바퀴는 크로노미터, 은행 금고 시간 잠금 장치, 군수품용 타임 퓨즈, 알람 시계, 주방 타이머 및 스톱워치에 사용되는 시간 기록 기술이었지만 석영 기술이 이러한 응용 분야를 대체했으며 현재 남아 있는 주요 용도는 고품질 기계 시계입니다.

현대의 (2007) 시계 밸런스 휠은 보통 니바록스와 같은 낮은 열계수의 탄성 합금의 스프링과 함께 베릴륨, 구리, 철의 낮은 열팽창 합금인 글루키두르로 만들어집니다.^[1]두 합금이 일치하므로 잔류 온도 반응이 상쇄되므로 온도 오차가 더욱 줄어듭니다.휠은 공기 마찰을 줄이기 위해 매끄럽고, 피벗은 정밀 보석 베어링에 지지됩니다.예전의 밸런스 휠은 림 주변에 무게추 나사를 사용하여 자세(밸런스)를 조정했지만, 현대의 휠은 공장에서 컴퓨터 포인션 방식으로 작동하며, 레이저를 사용하여 림의 정확한 피트를 연소시켜 균형을 잡게 합니다.^[2]밸런스 휠은 스윙할 때마다 약 1회 ½ 회전합니다. 즉, 중심 평형 위치의 각 측면에 대해 약 270° 회전합니다.밸런스 휠의 속도는 밸런스 스프링이 통과하는 단부에 좁은 슬릿이 있는 레버인 레귤레이터로 조정됩니다.이것은 스프링의 일부를 슬릿 정지 상태로 유지합니다.레버를 움직이면 슬릿이 밸런스 스프링의 위아래로 미끄러져 유효 길이가 변경되므로 밸런스의 공진 진동 속도가 달라집니다.조절기가 스프링의 작용을 방해하기 때문에, 크로노미터와 일부 정밀 시계는 자이로맥스와 같은 조절기가 없는 '프리 스프링' 균형을 가집니다.^[1]밸런스 림의 중량 나사에 의해 비율이 조정됩니다.

밸런스의 진동 속도는 일반적으로 시간당 비트(틱) 또는 BPH로 측정되지만 초당 비트와 Hz도 사용됩니다.비트의 길이는 방향의 반전 사이에 있는 밸런스 휠의 한 번의 스윙이므로 완전한 주기로 두 번의 비트가 있습니다.정밀 시계의 균형은 손목의 움직임에 덜 영향을 받기 때문에 더 빠른 박자로 설계됩니다.^[3]알람 시계와 주방 타이머는 종종 초당 4비트(14,400BPH)의 속도를 가집니다.1970년대 이전에 만들어진 시계들은 보통 초당 5번의 박자(18,000 BPH)를 가지고 있었습니다.현재 시계의 속도는 6 (21,600 BPH), 8 (28,800 BPH)이며 일부 시계는 초당 10 비트 (36,000 BPH)입니다.Audemars Piguet은 현재 12비트/s(43,200BPH)의 매우 높은 밸런스 진동률을 가진 시계를 생산하고 있습니다.^[4]제2차 세계 대전 동안, 엘긴은 초당 40 비트 (144,000 BPH)로 작동하는 매우 정확한 스톱워치를 생산하여 '지터버그'라는 별명을 얻었습니다.^[5]

손목에 찬 최고의 밸런스 휠 시계의 정확도는 하루에 몇 초 정도입니다.가장 정확하게 만들어진 균형 바퀴 시계는 경도를 측정하는 정확한 시간원으로 선박에서 천체 항해를 위해 사용되는 해양 크로노미터였습니다.제2차 세계대전까지 그들은 매일 0.1초의 정확도를 달성했습니다.^[6]

진동 주기

밸런스 휠의 진동 주기(초)는 휠의 관성 모멘트 I(kg-meter)와 밸런스 스프링 κ의 강성(스프링 상수)(레이디언당 뉴턴-meter)에 의해 결정됩니다.

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

역사

밸런스 휠은 14세기 유럽에서 최초의 기계식 시계와 함께 등장했지만 언제 어디서 처음 사용되었는지는 정확히 알려지지 않은 것 같습니다.이것은 폴리오트의 개선된 버전으로, 중앙에 축이 있고 양 끝에 무게추가 있는 직선형 막대로 구성되어 있으며 앞뒤로 진동합니다.폴리오트 무게는 시계의 속도를 조절하기 위해 막대에 들어가거나 뺄 수 있습니다.북유럽의 첫 시계들은 나뭇잎을 사용한 반면, 남유럽의 시계들은 균형 바퀴를 사용했습니다.^[7]시계가 더 작게 만들어지면서, 처음에는 브래킷 시계와 랜턴 시계로, 그리고 그 다음에는 1500년 이후의 첫 번째 큰 시계로, 대차 바퀴가 엽전을 대신하여 사용되기 시작했습니다.^[8]무게의 더 많은 부분이 축에서 떨어진 림에 위치하기 때문에, 밸런스 휠은 동일한 크기의 폴리오보다 더 큰 관성 모멘트를 가질 수 있고 더 나은 시간을 유지할 수 있습니다.휠 형상 역시 공기 저항이 적었고, 형상은 온도 변화에 따른 열팽창 오차를 일부 보완했습니다.^[9]

밸런스스프링추가

이 초기의 밸런스 휠은 또 다른 필수 요소인 밸런스 스프링이 부족했기 때문에 시간 관리가 까다로웠습니다.초기 밸런스 휠은 탈출에 의해 한쪽 방향으로 밀렸고 탈출 바퀴의 톱니와 맞닿은 가장자리 깃발이 톱니 끝을 지나 미끄러져("탈출") 탈출의 작용이 반대로 일어나 바퀴가 뒤로 밀렸습니다.이러한 "관성" 휠에서는 가속력이 구동력에 비례합니다.밸런스 스프링이 없는 시계나 시계에서 구동력은 휠을 가속하는 힘과 휠을 감속시키고 반전시키는 힘을 모두 제공합니다.구동력이 증가하면 가속과 감속이 모두 증가하여 휠이 앞뒤로 더 빠르게 밀립니다.이것은 탈출에 의해 가해지는 힘에 시간을 강하게 의존하게 만들었습니다.시계에서 시계의 기어 트레인을 통한 탈출에 적용된 메인 스프링의 구동력은 메인 스프링이 풀리면서 시계 작동 기간 동안 감소했습니다.구동력을 균등하게 할 수 있는 수단이 없이 스프링이 힘을 잃으면서 와인딩 사이의 주행 기간 동안 시계 속도가 느려져 시간을 낭비했습니다.이것이 모든 프리 밸런스 스프링 시계가 메인 스프링에서 탈출구에 도달하는 힘을 동일하게 하여 최소한의 정확도를 달성하기 위해 퓨즈를 필요로 하는 이유입니다.^[10]이 장치들을 사용하더라도 밸런스 스프링 이전의 시계는 매우 부정확했습니다.

밸런스 스프링의 아이디어는 스프링성이 있는 돼지 털 억제 장치가 바퀴의 회전을 제한하기 위해 추가되어 정확도를 높인다는 관찰에서 영감을 얻었습니다.^[11][12]로버트 훅은 1658년에 금속 스프링을 처음으로 균형에 적용했고 장 드 오트푀유와 크리스티안 하위헌스는 1674년에 현재의 나선형으로 개선했습니다.^[9][13][14] 스프링이 추가되어 밸런스 휠은 모든 현대 시계의 기본이 되는 고조파 발진기가 되었습니다.이는 휠이 고유 공진 주파수 또는 '비트'로 진동하고 마찰 또는 구동력 변화로 인한 진동 속도 변화에 저항하는 것을 의미합니다.이 중요한 혁신은 시계의 정확도를 하루에^[15] 몇 시간에서 하루에 10분 정도로 크게 높였고,^[16] 값비싼 참신함에서 유용한 타임키퍼로 변화시켰습니다.

온도오차

밸런스 스프링을 추가한 후, 온도 변화의 영향은 여전히 중요하게 남아 있는 부정확성의 원인이었습니다.초기 시계에는 평강으로 만든 밸런스 스프링과 놋쇠나 강철로 된 밸런스 스프링이 있었는데, 온도가 이 비율에 미치는 영향이 눈에 띄게 영향을 미쳤습니다.

온도가 상승하면 열팽창으로 인해 밸런스 스프링과 밸런스의 치수가 증가합니다.용수철의 강도는 용수철의 폭과 두께의 세제곱에 비례하고 길이에 반비례합니다.온도 상승은 물리적 치수에만 영향을 준다면 실제로 스프링을 더 강하게 만들 것입니다.그러나 평강으로 제조된 밸런스 스프링에서 훨씬 더 큰 효과는 스프링의 금속 탄성이 온도가 증가함에 따라 크게 감소하고, 평강 스프링이 온도가 증가함에 따라 약해지는 순 효과입니다.온도가 상승하면 강철 또는 황동 밸런스 휠의 직경도 증가하여 회전 관성, 관성 모멘트가 증가하여 밸런스 스프링의 가속이 어려워집니다.스프링과 밸런스의 물리적 치수에 대한 온도 상승의 두 가지 효과, 밸런스 스프링의 강화와 밸런스의 회전 관성 증가는 서로 상반된 효과를 가지며 어느 정도 서로 상쇄됩니다.^[17]온도가 시계의 속도에 영향을 미치는 가장 큰 영향은 온도가 높아짐에 따라 밸런스 스프링이 약화된다는 것입니다.

온도의 영향을 보상받지 않는 시계에서, 약한 스프링은 밸런스 휠을 중앙으로 다시 되돌리는 데 더 오래 걸리므로, '비트'가 느려지고 시계는 시간을 잃게 됩니다.페르디난트 베르토우드는 1773년에 60°F(33°C)의 온도 상승을 받는 평범한 황동 밸런스와 강철 헤어스프링이 393초를 잃는다는 것을 발견했습니다.하루 6+1⁄2분), 그 중 312초는 스프링 탄성 저하에 의한 것입니다.

온도 보상 밸런스 휠

항해 중 천체 항해를 위한 정확한 시계의 필요성은 18세기 영국과 프랑스에서 균형 기술의 많은 발전을 이끌었습니다.해상시계에서 하루에 1초의 오차라도 발생하면 2개월 동안 항해한 후 선박의 위치가 27km/17마일의 오차가 발생할 수 있습니다.존 해리슨은 1753년에 쌍금속 '보상 연석'을 사용하여 처음으로 온도 보상을 평형 바퀴에 적용했습니다. H4와 H5 해상 크로노미터가 처음으로 성공했습니다.이것들은 하루에 1초의 정확도를 달성했지만,^[16] 보상 연석은 복잡하기 때문에 더 이상 사용되지 않았습니다.

1765년경 Pierre Le Roy에 의해 더 간단한 해결책이 고안되었고, John Arnold와 Thomas Earnshaw: Earnshaw 또는 보상 균형 바퀴가 개선되었습니다.^[19]밸런스 휠의 크기를 온도에 따라 변화시키는 것이 관건이었습니다.밸런스가 따뜻해질수록 직경이 줄어들 수 있다면 관성 모멘트가 작아지면 밸런스 스프링의 약화를 보완하여 진동 주기를 동일하게 유지할 수 있습니다.

이것을 달성하기 위해, 균형의 바깥 테두리는 두 개의 금속으로 된 '샌드위치'로 만들어졌습니다. 안쪽의 강철 층은 바깥쪽의 놋쇠 층과 융합되었습니다.이 쌍금속 구조물의 스트립은 따뜻해질 때 강철 쪽으로 휘어지는데, 이는 황동의 열팽창이 강철보다 크기 때문입니다.림은 바퀴의 스포크 옆에 있는 두 지점에서 잘려져 있으므로 두 개의 원형 쌍금속 '암'이 있는 S자 모양(그림 참조)과 유사했습니다.이 바퀴들은 때때로 "Z-밸런스"라고 불립니다.온도가 올라가면 팔이 휠 중심을 향해 안쪽으로 휘어지는데, 질량이 안쪽으로 이동하면 빙상 선수가 팔을 잡아당겨 관성 모멘트를 줄일 수 있는 것과 유사하게 균형의 관성 모멘트가 줄어듭니다.이러한 관성 모멘트의 감소는 밸런스 스프링의 약화로 인해 발생하는 토크 감소를 보완했습니다.보상량은 암의 이동 가능한 무게에 따라 조정됩니다.이러한 균형을 유지하는 해양 크로노미터는 넓은 온도 범위에서 하루에 3~4초 정도의 오차가 있었습니다.^[20]1870년대에 이르러서는 시계에 보상된 잔액이 사용되기 시작했습니다.

중온오차

표준적인 Earnshaw 보상수지는 온도 변화에 따른 오차를 획기적으로 줄였지만, 이를 제거하지는 못했습니다.J. G. 울리치가 처음 설명한 것처럼, 주어진 낮은 온도와 높은 온도에서 정확한 시간을 유지하기 위해 조정된 보상된 균형은 중간 온도에서 하루에 몇 초 정도 빠릅니다.^[21]그 이유는 균형의 관성 모멘트가 보상 암의 반지름의 제곱에 따라 달라지므로 온도에 따라 달라지기 때문입니다.하지만 스프링의 탄성은 온도에 따라 선형적으로 달라집니다.

이 문제를 완화하기 위해 크로노미터 제조사들은 다양한 '보조 보상' 제도를 채택했는데, 이 제도는 하루 오차를 1초 미만으로 줄였습니다.이러한 방식은 예를 들어 밸런스 휠 안쪽에 부착된 작은 쌍금속 암으로 구성되었습니다.이러한 보상기는 밸런스 휠의 중심을 향해 한 방향으로만 휘어질 수 있지만, 바깥쪽으로 휘어지는 것은 휠 자체에 의해 차단될 것입니다.움직임이 막히면 비선형 온도 반응이 일어나 스프링의 탄성 변화를 약간 더 잘 보상할 수 있습니다.1850년에서 1914년 사이에 매년 실시된 그리니치 천문대 시험에서 처음으로 나온 크로노미터의 대부분은 보조 보상 설계였습니다.^[22]보조 보상은 시계가 복잡하기 때문에 절대 사용되지 않았습니다.

더 좋은 재료

쌍금속 보상 밸런스 휠은 야금학의 발전으로 20세기 초에 더 이상 쓸모가 없게 되었습니다.샤를 에두아르 기욤(Charles Edouard Guillaume)^[23]은 1896년 열팽창이 매우 낮은 니켈강 합금 인바르(Invar)와 넓은 온도 범위에서 탄성이 변하지 않는 엘린바르(Elastité 불변의 '불변한 탄성'에서 나온)의 발명으로 노벨상을 수상했습니다.Elinvar의 스프링이 있는 견고한 Invar 밸런스는 온도에 크게 영향을 받지 않으므로 조정하기 어려운 쌍금속 밸런스를 대체했습니다.이로 인해 밸런스 및 스프링용 저온 계수 합금이 개선되었습니다.

Elinvar를 개발하기 전에 Guillaume은 또한 음의 2차 온도 계수로 양금속 수지의 중간 온도 오차를 보상하는 합금을 개발했습니다.아니발이라는 이름의 이 합금은 인바를 약간 변형한 것입니다.강철 헤어스프링의 온도 효과를 거의 완전히 제거했지만 여전히 기욤 밸런스 휠로 알려진 바이메탈 보상 밸런스 휠이 필요했습니다.이 디자인은 나중에 엘린바르 스프링과의 단일 금속 Invar 균형에 유리하게 사용되지 않게 되었습니다.2차 계수는 재료의 팽창 방정식에서의 위치에 의해 정의됩니다.^[24]

${\displaystyle \ell _{\theta}=\ell _{0}\left(1+\alpha \theta +\beta \theta^{2}\right)\,}$

여기서:

${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle 0_{}}$ ${\displaystyle \scriptstyle \ell _{0}}$은 일부 기준 온도에서 샘플의 길이입니다.

${\displaystyle }${\$displaystyle \scriptstyle \theta$}은$($는) 참조 위의 온도입니다.

${\displaystyle {}_{}{}_{}}$ θ$${\$displaystyle \scriptstyle \ell _{\theta}$은 온도 $\theta$ {\$displaystyle \scriptstyle \theta}$에서 샘플의 길이입니다.

${\displaystyle \alpha }$ ${\$는 확장의 선형 계수입니다.

${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle$ \$scriptst$beta }은(는) 확장의 2차 계수입니다.

각주

참고문헌

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외부 링크

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• Oliver Mundy, 시계 캐비닛 1710년부터 1908년까지 많은 다양한 종류의 저울을 보여주는 골동품 시계들의 개인적인 컬렉션 사진들.