Eine mechanische Uhr bewahrt keine fertige Sekunde in ihrem Werk. Sie erzeugt ihren Takt immer neu. Die Zugfeder treibt das Räderwerk; die Hemmung gibt ihm schrittweise Bewegung frei und führt der Unruh dabei Energie zu. Die Spirale zieht die ausgelenkte Unruh zurück. So entsteht ein Oszillator, dessen Schwingungen die Zeiger unterteilen.
Das Werk auf dem Bild wurde 1682 oder 1683 von Thomas Tompion gebaut. The Met beschreibt darin ein dreirädriges Gehwerk mit Zugfeder, Schnecke, Spindelhemmung, dreiarmiger Unruh und Spirale. Die Bauart ist historisch; das Grundprinzip – gespeicherte Energie wird durch einen mechanischen Taktgeber dosiert – gilt bis heute.
Was bestimmt den Gang?
Im vereinfachten Modell hängt die Schwingungsdauer von zwei Größen ab: vom Trägheitsmoment der Unruh und von der rückstellenden Wirkung der Spirale. Wird eine Schwingung geringfügig kürzer, zählt das Werk in 24 Stunden zu viele; die Uhr geht vor. Wird sie länger, geht sie nach.
Eine wirkliche Unruh-Spirale ist jedoch kein ideales Modell. Die Hemmung setzt Impulse, Lager verlieren Energie, die Spirale ist geformt und befestigt, und die Unruh ist nie mathematisch vollkommen ausgewuchtet. Entscheidend ist deshalb nicht nur eine richtige mittlere Gangzahl, sondern wie stabil die Schwingung unter wechselnden Bedingungen bleibt.
Warum verändert die Lage den Gang?
Die Schwerkraft lässt die Zeit nicht anders vergehen. Sie macht aber kleine mechanische Abweichungen je nach Lage anders wirksam. An den Zapfen der Unruhwelle ändern sich Kontakt und Reibung; eine geringe Unwucht oder eine nicht vollkommen konzentrisch „atmende“ Spirale wirkt horizontal anders als vertikal. Horace A. Bowman zeigte bei Präzisionsmessungen des US National Bureau of Standards, dass Lageunterschiede aus veränderter Reibung und Gravitationseffekten an der Spirale hervorgehen können.
Was tun Temperatur, Kraft und Reibung?
Temperatur verändert Materialmaße und die Elastizität einer Spirale. Ralph E. Gould prüfte für das Bureau of Standards Uhren bei verschiedenen Temperaturen und fand klar messbare Gangkurven; Elinvar-Spiralen und monometallische Unruhen verminderten die damaligen Temperaturfehler deutlich. Moderne Werkstoffe können solche Einflüsse weiter verkleinern, aber die Uhr bleibt ein Körper aus realen Materialien.
Auch die Antriebskraft und damit die Schwingungsweite verändern sich, wenn die Zugfeder abläuft. Ein vollkommen isochroner Oszillator behielte dabei seinen Takt; reale Spiralen und Hemmungen nähern sich diesem Ideal nur an. Gealtertes Öl, Schmutz oder Verschleiß verändern zusätzlich die Reibungsverluste. Daraus folgt keine einfache Regel wie „mehr Reibung heißt immer Nachgang“: Das Ergebnis entsteht aus dem Zusammenspiel von Amplitude, Spirale und Hemmung.
Regulieren heißt, den Gang zu messen und den wirksamen Takt gezielt einzustellen. Fachgerecht beurteilt man dabei mehrere Lagen sowie Gang, Abfallfehler und Amplitude. Verschmutzung oder Verschleiß lassen sich nicht seriös wegregulieren; sie verlangen zuerst eine Wartung. Eine gute mechanische Uhr hebt die Physik nicht auf. Ihre Qualität zeigt sich darin, dass deren Einflüsse klein, wiederholbar und beherrschbar werden.
Quellen
The Metropolitan Museum of Art, Pair-case watch, Thomas Tompion, 1682–83
Ralph E. Gould, Comparative Performance of Watches with Elinvar and with Steel Hairsprings, Bureau of Standards Journal of Research 12 (1934)
Horace A. Bowman, Determination of Very Small Changes in Rate Over Intervals of Several Days in Mechanical Timepieces, Journal of Research of the National Bureau of Standards 45 (1950)