Wie wir im bisherigen gesehen, sind die Pendeluhren trotz des
wissenschaftlich richtigen und interessanten Prinzips praktisch
doch noch immer sehr unvollkommen; dieser Uebelstand blieb so
lange bestehen, als es nicht gelang, eine bessere Hemmung und
zweckdienlichere Aufhängung des Pendels zu ersinnen. (Unter Hemmung
versteht man im allgemeinen eine Vorrichtung, welche die Aufgabe hat,
im Verein mit dem Pendel oder der Unruhe das gleichmäßige Ablaufen des
Räderwerkes zu erzielen). Diese und andere Verbesserungen ließen nun
nicht mehr lange auf sich warten, denn einerseits waren gegen Ende
des 17. Jahrhunderts die Uhren Gegenstand reger wissenschaftlicher
Studien und Untersuchungen von seiten hervorragender Mathematiker und
Astronomen, anderseits erwarben sich auch die Uhrmacher rasch jene
Kenntnisse, welche zur Erzielung eines Fortschrittes auf dem Gebiete
der eigentlichen Uhrmacherkunst erforderlich waren.
Bei der Spindelhemmung, wie sie Huygens benutzte, sind große
Schwingungsweiten unvermeidlich; man erkannte aber bald, daß kleine
Schwingungsbögen mehr isochron sind, d. h. eher in gleicher Zeit
durchmessen werden, als große. Die Gleichzeitigkeit wurde nun
ermöglicht durch die Erfindung der Ankerhemmung, oder des sogenannten
englischen Hakens, welcher für einfache Pendeluhren bis heute in
Gebrauch geblieben ist. Man unterscheidet _dreierlei Hemmungen_: die
zurückfallende, die ruhende und die freie Hemmung. Die _zurückfallende_
ist jene, bei welcher der Zahn der Hemmung genötigt ist, der Richtung
zu folgen, nach welcher das Pendel oder die Unruhe schwingt. Er muß
also, bevor dem Pendel oder der Unruhe ein neuer Antrieb gegeben werden
kann, wieder zurückgehen. Hieher gehören die Hemmung mit Steigrad und
Spindel bei Pendel- und Taschenuhren, ferner bei ersteren der bereits
genannte englische Haken.
[Illustration: Fig. 34.]
Fig. 34 stellt die ursprüngliche Hemmung des Engländers Clement vor
(ca. 1680). ~P~ ist die Pendelstange, an deren Aufhängung ~G~ der
Anker ~AB~ befestigt ist. Er ist gekrümmt und trägt bei ~A~ einen
Ansatz, welcher ungefähr die gleiche Krümmung besitzt, wie die Zähne
des Hemmungsrades. Auf diese wirken nun in leichtverständlicher Weise
die Ankerarme ~A~ und ~B~. Ursprünglich saß das Pendel direkt auf der
Ankerachse, wie z. B. beim geradlinigen Balancier, es wurde aber später
für sich aufgehängt und steht nun durch eine Gabel mit dem Anker in
Verbindung. Clement ersetzte den Seidenfaden durch eine biegsame Feder,
und Julien le Roy verwendete zuerst deren zwei.
Die _ruhende_ Hemmung stellt einen weiteren Fortschritt dar und wurde
von Graham eingeführt. (Fig. 35).
[Illustration: Fig. 35.]
Georg Graham, geb. im Jahre 1675 zu Horsgills in der Grafschaft
Cumberland, kam als Lehrling zu dem ausgezeichneten Uhrmacher Tompion
in London. Bald zeichnete er sich durch Geschicklichkeit und eine
große Erfindungsgabe aus. Er studierte zuerst die Störungen, welche
Temperaturunterschiede im Gang von Pendeluhren hervorbringen und suchte
sie durch Anwendung eines hölzernen Pendels zu beseitigen, weil, wie
er gefunden, Holz sich in der Richtung der Fasern nur wenig ausdehnt.
Durch Kochen in Oel oder durch Ueberzug von Firnis sollte auch der
Einfluß der Luftfeuchtigkeit ausgeschaltet werden. Die Ergebnisse
langer Studien waren das Rostpendel (soll eigentlich von dem Engländer
Harrison, 1726, erfunden worden sein) und die Quecksilberkompensation.
Graham erfand auch die Zylinderhemmung für Taschenuhren. Als
ausgezeichneter Mechaniker verfertigte er auch astronomische und
physikalische Instrumente, wie er ebenfalls in diesen Zweigen praktisch
tätig war. Im Jahre 1721 wählte ihn die Innung der Londoner Uhrmacher
zu ihrem Vorsteher; 1728 wurde er Mitglied der königl. Akademie der
Wissenschaften. Graham starb 1751 und ist in der Westminsterabtei, in
der Gruft seines Lehrmeisters Tompion beigesetzt.
[Illustration: Fig. 36.]
Einen _Graham-Anker_ zeigt Abbildung 36. Die Wirkungsweise ist ähnlich
wie bei der Clementʼschen Hemmung, man unterscheidet aber hier Ruhe-
und Arbeitsflächen. Die Ruheflächen sind nach einem Kreise um das
Ankermittel gekrümmt; wenn der Zahn des Steigrades auf ihnen liegt, ist
der Anker in Ruhe. Arbeit wird auf ihn nur übertragen, wenn der Zahn
(des Steigrades) auf den kleinen, ebenen Flächen, den Arbeitsflächen,
sich befindet. Diese Hemmung wird bei feinen Uhren noch vielfach
angewendet; bei Turmuhren ist sie oft etwas abgeändert und tritt als
sogenannte „_Stiftehemmung_” auf (Fig. 37). Hier sind die Zahnspitzen
des Graham-Ganges durch Stifte ersetzt, welche im Hemmungsrade mit der
Radwelle laufen. Die Paletten (Flächen) des Ankers liegen ganz nahe
beieinander und lassen die Stifte von einer gleich zur andern gehen.
Es werden auch Stiftehemmungen konstruiert, bei denen das Rad auf
beiden Seiten Stifte aufweist; die Radscheibe geht dann zwischen den
Ankerarmen hindurch und die Stifte der einen Seite berühren bloß den
zugekehrten Ankerarm.
Es ist aber leicht einzusehen, daß auch bei dieser ruhenden Hemmung die
Reibung noch ziemlich bedeutend ist. Deswegen kamen mehrere Künstler,
so z. B. 1748 Pierre le Roy (der Sohn des oben genannten Julien le Roy)
u. a. auf den Gedanken, das Hemmungsrad nicht vom Regulator (Pendel)
selbst, sondern von einem besonderen Einfall aufhalten zu lassen,
welcher vom Regulator ausgelöst wird. Hiedurch verringert sich die
Reibung auf ein Minimum, der Gang wird möglichst leicht. Die Unruhe
schwingt zum größten Teil frei, macht also viel größere Schwingungen,
als bei der Zylinderhemmung. Dieses ist das Prinzip der _freien_
Hemmungen, welche namentlich bei Präzisionsuhren angewendet wird. Als
besonders geistreiche und originelle Ausführungen der freien Hemmung
sei hier das Mannhardtʼsche Pendel sowie die Rieflersche Hemmung
genannt, von denen noch näher die Rede sein soll.
[Illustration: Fig. 37.]
Mit welch großer Mühe und Scharfsinn die alten Turm- und Kunstuhren
auch ausgeführt sein mochten, so waren sie doch nicht geeignet,
eine genaue Messung der Zeit zu ermöglichen, weil sowohl die
Werkzeuge, als auch die Kenntnis der hier besonders in Betracht
kommenden verschiedenen Widerstände noch sehr mangelhaft waren.
Bei Turmuhren ist es besonders die große Reibung im Werke selbst,
die Zeigerleitungen, die Hemmung des Windes u. s. w., welche die
Genauigkeit beeinträchtigen. Ließ man, um diese Uebelstände etwas
auszugleichen, die Uhr mit großem Kraftüberschuß gehen, so mußte das
Pendel einen großen Weg machen, was wieder andere Uebelstände zur Folge
hatte. Es mußte also der Antrieb, den das Pendel erhält, oder den das
Steigrad auf den Anker ausübt, nur gering sein.
[Illustration: Fig. 38.]
Die Anordnung, durch welche das erreicht wird, heißt Hemmung mit
„konstanter Kraft” und besteht darin, daß das Gewicht des Laufwerkes
der Uhr alle Minuten nur einige wenige Sekunden lang wirkt; das
Steigrad und damit das Pendel erhalten ihren Antrieb durch einen
besonderen Hilfsmechanismus, welcher alle Minuten aufs neue aufgezogen
wird. Infolge dieser Einrichtung bewegt sich der Minutenzeiger
sprungweise. Diese Erfindung, schon länger bekannt, wurde nun erst
durch die Mannhardtʼsche Ausführung so recht praktisch.[79] Das
sogenannte „freie Pendel” bezeichnet einen wichtigen Abschnitt in der
Großuhrenfabrikation, indem hier die freie Hemmung mit konstanter Kraft
sehr sinnreich verwirklicht ist. Fig. 38 gibt eine Vorderansicht der
Mannhardtʼschen Konstruktion.
Das Laufwerk der Uhr besteht aus dem Bodenrad (~a~), dem Laufrad (~b~)
und dem Windfang (~c~). Das Gewicht des Laufwerkes ist ohne jeden
Einfluß auf den direkten Antrieb des Pendels. Dieses erhält ihn nämlich
in ganz gleicher Größe alle Minuten einmal, so daß die Schwingungen
ebenfalls gleich sind. Die geniale Art dieses Antriebes, sowie die
Auslösung des Laufwerkes sind im folgenden dargestellt. Das Pendel
~A~, welches in zwei Federn hängt, trägt nahe dem Aufhängepunkt ein
Rädchen ~e~, welches ebensoviele Zähne hat, als das Pendel in einer
Minute Doppelschwingungen vollführt. Am festen Ständer ~B~ ist ein
Sperrhaken ~i~ angebracht, der das Rädchen um einen Zahn vorwärts
schiebt, wenn das Pendel von rechts nach links schwingt; es macht also
alle Minuten eine Umdrehung, und ebenso oft stößt ein auf der Achse
desselben fest angebrachter Haken ~f~ an das Auslösungsstück ~lmn~.
Hiedurch wird das Laufwerk frei und macht der Windfang eine Umdrehung.
Auf der Achse des Windfanges sitzt der Arm ~gh~, welcher nach
vollendeter Drehung angehalten wird durch den Haken des Auslösungshebel
~lmn~.
Ferner sitzt auf der Windfangachse noch die exzentrische Scheibe ~K~,
welche die Rolle ~p~ sanft auf die am Pendelrahmen angebrachte schiefe
Ebene ~ss~ auflegt. Diese Rolle übt nun beim Heruntergleiten durch
ihr Eigengewicht einen Druck aus, welcher dem Pendel den erlittenen
Kraftverlust ersetzt. All das vollzieht sich fast ohne Reibung und ohne
Stoß, was sonst bei keiner Hemmung erreicht wird. Der Exzenter ~K~ hebt
nun die Rolle wieder auf, so daß während der nächsten Minute das Pendel
tatsächlich ganz frei schwingt, und erst am Ende dieser Zeit einen
neuen Antrieb erhält.
Es mag noch bemerkt werden, daß Mannhardt bei der Antriebrolle und dem
Sperrrädchen jede Oelschmierung vermeidet, indem die feinst polierten
Zapfen in Büchsen laufen, welche mit Graphit ausgekleidet sind. Eine
besonders angebrachte Vorrichtung, in Art einer Bremse verhindert, daß
das Sperrrädchen während der Zwischenzeit sich bewege.
Die Vorzüge dieses ausgezeichneten Systems sind derart, daß die
Mannhardtʼschen Turmuhren sich rasch überall hin verbreiteten und
hohe Anerkennung fanden. Die Werkstätte selbst besteht heute noch
unter der Firma: J. Mannhardtʼsche Turmuhrenfabrik in München (Inhaber
G. Hartmann).
Wären die Widerstände, welche das Pendel durch seine Verbindung
mit dem Räderwerk der Uhr erfährt, gleichbleibend, so hätten sie
keinen schädlichen Einfluß auf dessen Gang; da es aber unmöglich ist,
alle Ungleichheiten zu beseitigen, so muß man darnach trachten, sie
möglichst gering zu machen. Es ist sehr wichtig, daß der Antrieb,
welchen das Pendel von Zeit zu Zeit erhalten muß, im rechten Moment
der Schwingung und an der rechten Stelle des Pendels, endlich auch
in richtiger Weise erfolge. Die richtige Zeit für einen Antrieb ist
offenbar dann gegeben, wenn das Pendel die größte lebendige Kraft
besitzt, also, wenn es die Ruhelage passiert, weil dann etwaige
Ungleichheiten des Antriebes die Regelmäßigkeit der Schwingungen am
wenigsten beeinflussen können. Soll der Schwingungsbogen und damit die
Schwingungszeit nicht geändert werden, so muß der Anstoß möglichst nahe
der Achse des Pendels erfolgen. Auf die beste Weise endlich erfolgt
der Antrieb, wenn er rasch und ohne Stoß vor sich geht, was wiederum,
wenigstens in bezug auf das erstere, beim Passieren der Mittellage der
Fall ist.[80]
Genauere Untersuchungen haben nun dargetan, daß die Grahamhemmung alle
diese Erfordernisse nur unvollkommen erfüllt; unter den zahlreichen
bereits konstruierten Hemmungen ist diejenige von Herrn S. Riefler
unstreitig eine der besten. Eigentümlich und neu ist hier, daß der
Antrieb in die Pendelfeder verlegt wird, also nicht am Pendel selbst
erfolgt.
[Illustration: Fig. 39.]
Unsere Abbildung Fig. 39 zeigt die Rieflerʼsche Hemmung in
Vorderansicht; Fig. 40 von der Seite. Wie man sieht, sind hier statt
eines Steigrades deren zwei angebracht. Das hintere (Fig. 40), ~H~,
ist das Hebungsrad, das vordere, ~R~, das Ruherad; beide sitzen auf
derselben Achse fest. Der Anker (~A~) dreht sich nicht um einen
Zapfen, sondern der geringeren Reibung halber um Schneiden. An ihm
befinden sich 2 Hebestifte (~S S′~) aus Stein, deren Querschnitt rund,
beziehungsweise halbkreisförmig ist. Das Pendel selbst ist einzig durch
Federn mit dem Anker verbunden und zwar so, daß die Schwingungsachse
der Federn und die Schneidenachse des Ankers zusammenfallen. Die
Wirkungsweise der Rieflerʼschen Hemmung ist nun folgende:
[Illustration: Fig. 40.]
Angenommen ist, das Pendel schwinge gerade von rechts nach links (Fig.
39), wobei vorderhand der Zahn ~r~ des Ruherades ~R~ noch auf der
ebenen Fläche des Stiftes ~S~ aufruht. Die Pendelfeder ~ii~ bleibt noch
gerade (Fig. 40) und der Anker dreht sich um seine Schneiden ~aa~, bis
die Spitze des Ruheradezahnes ~r~ von der ebenen Fläche der Palette
~S~ herabfällt. Jetzt ist die Zylinderfläche der Palette ~S^1~ an den
Hebezahn ~h~ des Heberades (~H~ in Fig. 40) gelangt, die beiden Räder
drehen sich nach rechts herum, bis der Ruhezahn ~r^1~ auf der ebenen
Fläche des Stiftes ~S^1~ aufliegt; der Hebezahn ~h~ drängt die Palette
~S^1~ zurück, wodurch das Pendel einen zu seiner Schwingungsrichtung
entgegengesetzten Antrieb erhält. Durch diese Drehbewegung des Ankers
erfährt die Pendelfeder ~ii~ eine kleine Spannung, welche den nötigen
Antrieb erteilt. Zunächst zwar schwingt das Pendel noch nach links um
die Biegungsachse der Feder, bei ruhendem Anker. Bei der Rückkehr nach
rechts wird der Zahn ~r^1~, der unterdessen auf ~S^1~ ruhte, frei, und
der Zahn ~h^1~ des Heberades bewirkt eine neue Hebung u. s. f.
Die Hemmung ist so vorzüglich, daß astronomische Uhren, an deren
gleichmäßigen Gang die größten Anforderungen gestellt werden, durch
sie einen außerordentlichen Grad von Genauigkeit erlangen. Diese
Instrumente sind außerdem noch mit Quecksilber- oder Nickelstahlpendel
versehen. Riefler fertigt zwei Arten derselben: die eine in
Glasgehäuse montiert, welches aus zwei Teilen besteht, die luftdicht
zusammengeschliffen sind. Vergl. Abbildung 41. Die Uhr ist mit einem
Mikroskop versehen, um die Schwingungen des Pendels genau zu messen,
und mit einer Luftpumpe, um die Luft zu verdünnen; ebenso sind
ein Barometer und Hygrometer angebracht, um alle hier in Betracht
kommenden äußeren Einflüsse bestimmen und so das Werk möglichst genau
regulieren zu können. Ein elektrischer Sekundenkontakt vermittelt den
Anschluß an die Nebenuhren. Der Druck im Inneren des Glasgefäßes wird
geringer gehalten als außen, dadurch kann die Uhr reguliert werden.
Geht sie nämlich etwas vor, so läßt man Luft einströmen, wodurch der
Reibungswiderstand des Pendels vermehrt wird, sie geht also langsamer;
umgekehrt wird verfahren, wenn sie eine Kleinigkeit nachgeht. Die
grobe Regulierung geschieht wie bei den übrigen Uhren durch eine
Regulierschraube, bezw. durch Zulagegewichte. Nach den Angaben ~Dr.~
S. Rieflers bringt eine Verminderung des Luftdruckes um ein ~mm~
Quecksilbersäule eine wöchentliche Gangdifferenz von 1/10 Sekunde
hervor. Der luftdichte Verschluß schützt die Uhr gegen Schwankungen
des Barometerstandes.
[Illustration: Fig. 41.]
Eine billigere, aber noch immer sehr gute Uhr wird vom gleichen
Fabrikanten in Holzgehäuse geliefert. Die Schwankungen des Luftdruckes
werden hier durch ein am Pendel angebrachtes Aneroidbarometer
ausgeglichen. Dasselbe trägt nämlich auf dem oberen Boden ein Gewicht,
welches sich hebt und senkt, und dadurch den Abstand des Schwerpunktes
ändert, und also den Gang reguliert. Der Preis eines astronomischen
Rieflerschen Regulators beträgt 1400 bis 3000 Mk. Es ist dies eine
relativ mäßige Summe, wenn man bedenkt, daß diese Zeitmesser jetzt wohl
das vollkommenste darstellen, was geboten werden kann. Auch Turmuhren
werden in Rieflers Werkstätte gebaut, nach gleichem System, wobei die
Verhältnisse natürlich entsprechend größer sind.