שעון מטוטלת

שעון מטוטלת (אורלוגין) הוא שעון המשתמש במטוטלת, משקולת מתנודדת, כאלמנט העוקב אחרי הזמן. היתרון של שעון המטוטלת הוא הדיוק - מנגנון שעון המטוטלת מדויק הרבה יותר מכל מנגנון שעון שהיה קיים לפניו. מאז בנייתו ב־1656 על ידי כריסטיאן הויגנס ועד שנות ה־40 של המאה ה־20, שעון המטוטלת היה המכשיר המדויק ביותר למדידת זמן, ולכן זכה לשימוש נרחב. שעון המטוטלת צריך להיות נייח כדי לפעול בדיוק מרבי. טלטול או האצה משפיעים על תנועת המטוטלת וגורמים לאי דיוקים.

שעון מטוטלת. בתחתית התמונה משקולת המטוטלת, כשבינה לבין פני השעון אפשר לראות שלוש משקולות נוספות - אחת מהן מפעילה את השעון עצמו, ושתי האחרות מפעילות את המצילות.
בתחתית המטוטלת ניתן להבחין בחוגה קטנה - זו משמשת לכיול השעון.

איור של התיכון הידוע הראשון לשעון מטוטלת, לפי המצאתו של גלילאו גליליי. את האיור עצמו צייר כנראה תלמיד של גלילאו בשם וינצ'נזו ויוויאני; גלילאו עצמו היה כבר עיוור בזמן שהאיור נעשה. גלילאו לא בנה שעון לפי התיכון הזה. בנו של גלילאו החל לבנות דגם כזה, אך נפטר לפני השלמת המלאכה, והדגם לא נבנה מעולם.

בימינו קיימים שעונים מדויקים יותר וזולים יותר, כדוגמת שעון קוורץ, ועיקר ערכו של שעון המטוטלת הוא בהיותו פריט עיצובי.

היסטוריה

העובדה שתדירות תנודת המטוטלת היא קבועה וכמעט שאינה תלויה במשרעת התנודה ("אמפליטודה") התגלתה על ידי גלילאו גליליי, בחקירותיו החל בשנת 1602. גלילאו (ובנו אחריו) ניסה לתכנן ולבנות שעון מדויק המבוסס על תכונה זו, אך לא השלים תכנון זה. כאמור, ב־1656 הפיזיקאי ההולנדי כריסטיאן הויגנס בנה לראשונה אבטיפוס של שעון מטוטלת מעשי.

למרות המגבלות של שעון המטוטלת, עד לשנות ה־40 של המאה ה־20 היה זה המנגנון המדויק ביותר למדידת זמן בנמצא. למעשה שעון מטוטלת הוא המנגנון הראשון שנבנה המאפשר מדידת זמן מדויקת ואמינה.

הפיתוח הבא במדידת זמן הוא שעון הקפיץ, בו מחליף גלגל מאוזן את המטוטלת התלויה, אם כי עקרון פעולתו דומה מאוד לשעון המטוטלת. החלפת המשקולת בגלגל המאוזן פותרת כמעט לחלוטין את שתי הבעיות הקשות ביותר של שעון המטוטלת: רגישות לטלטולים ותלות בתאוצת הכבידה.

תאוריה

ערך מורחב – מטוטלת מתמטית

מטוטלת מכנית, כל עוד היא מתנודדת בזוויות קטנות יחסית לאנך, מהווה קירוב טוב למטוטלת מתמטית, ותנועתה ניתנת לתיאור בקירוב טוב מאוד כתנועה הרמונית פשוטה. ככזו, תדירות התנודה קבועה ואינה תלויה במשרעת, ולכן יכולה לשמש מכשיר טוב למדידת זמן.

תדירות התנועה של המטוטלת נתונה בקירוב טוב מאוד על ידי הנוסחה:

$f={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {g}{l}}}$

כאשר l מציין את אורך המטוטלת, ו־g את תאוצת הכבידה. כתוצאה מכך, כאשר שעון מטוטלת עובר למקום בו תאוצת הכבידה שונה, יש לכיילו. כיוון שתאוצת הכבידה אינה שווה בדיוק בכל נקודה על פני כדור הארץ (באופן כללי הכבידה גדולה ביותר בקטבים וקטנה ביותר בקו המשווה. כמו כן תאוצת הכבידה קטֵנה עם העלייה בגובה), יש לכייל מחדש שעון מטוטלת כאשר מעבירים אותו ממקום למקום. שעון שכויל לפעולה מדויקת בקומה התחתונה של בניין רב קומות, יפגר בקומה העליונה.

תכונה זו של שעון המטוטלת היא שהביאה לראשונה לגילוי העובדה שכבידת כדור הארץ אינה זהה בכל מקום.

מנגנון

מנגנון מחגר וגלגל שיניים בשעון מהמאה ה-19

אנימציה של פעולת מנגנון המחגר: המטוטלת קוצבת את תנועת גלגל השיניים, וזה מעביר למטוטלת דחיפה קטנה בכל פעימה, המפצה על אבדן אנרגיה כתוצאה מחיכוך והתנגדות האוויר

בלב המנגנון של שעון המטוטלת, בנוסף למטוטלת עצמה פועל מתקן שנקרא מַחגֵּר (Escapement) צמוד לגלגל שיניים. למתקן זה תפקיד כפול:

• להעביר למטוטלת מעט אנרגיה בכל תנודה ותנודה, כדי לפצות על אובדן האנרגיה כתוצאה מחיכוך והתנגדות האוויר.
• לתרגם את תנועת המטוטלת באופן מדויק לתנועה סיבובית, על ידי כך שהמחגר מאפשר לגלגל השיניים להתקדם כדי שן אחת בכל תנודה של המטוטלת. גלגל השיניים מעביר תנועה זו דרך מערכת תמסורת למחוגי השעון.

לחצו כדי להקטין חזרה

לחצו להגדלה

---

תרשים אינטראקטיבי של מנגנון השעון של כריסטיאן הויגנס.

מערכת התמסורת מעבירה אנרגיה פוטנציאלית של משקולת לסיבוב גלגל שיניים, וגלגל השיניים מעביר את האנרגיה למטוטלת דרך המחגר. תוך כדי פעולת השעון יורדת המשקולת בקצב אטי, ואחת לזמן מה (בדרך כלל פעם ביום) יש לשוב ולדרוך את השעון על ידי משיכת שרשרת שמרימה חזרה את המשקולת. יש שעוני מטוטלת בהם מנגנון קפיץ מחליף את המשקולת, דבר התורם לצמצום ממדיו של השעון - למשקולת יש לספק מסלול ארוך דיו בדרכה כלפי מטה.

סוגי שעוני מטוטלת

• אורלוגין: יש שעוני מטוטלת העשויים לצלצל בפרקי זמן קבועים, בדרך כלל צלצול יחיד במחצית השעה, ובכל שעה עגולה מספר צלצולים לפי השעה. שעונים אלו מצוידים בדרך כלל במשקולת נפרדת המניעה את מנגנון הצלצול. שעונים אלו מכונים גם "אורלוגין".
• שעון קוקייה: שעון זה הוא ברוב המקרים טיפוס של שעון מטוטלת. בשעונים אלו, במקום צלצול כל שעה או בנוסף אליו, מתווסף אירוע חזותי, למשל דמות ציפור עשויה עץ יוצאת מדלת העשויה בפני השעון ומבצעת תנועה כלשהי, ובאותו זמן נשמעת שריקת משרוקית המחקה את ציוץ הציפור, או דמות חייל מכה בתוף או מנגן בכלי נגינה נגלית וכן הלאה.
• שעון אסטרונומי: שעונים אלו עשויים במטרה להשיג דיוק מרבי. המנגנון של שעונים אלו נשמר לרוב בסביבה מבוקרת היטב של לחץ וטמפרטורה, ובמקרים מסוימים המטוטלת מתנודדת בריק כדי להפחית כל סיבה חיצונית לאי דיוק. שעוני המטוטלת המדויקים ביותר שנבנו, כמו שעון שורט ("Shortt") השיגו דיוק עם סטייה של פחות משנייה אחת בשנה.
• שעון מטוטלת מעץ: שעון, אשר התמסורת שלו עשויה עץ.

ראו גם

• מטוטלת מתמטית
• כרונומטר
• שעון

לקריאה נוספת

• ג'ון א. קרלסון, "שעון המטוטלת", פי האטום ה־1, דצמבר 1991
• Joela G. Yonder, "Unrolling Time", Cambridge University Press, 1990

קישורים חיצוניים

• שעון מטוטלת, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)