Pendeluhr

Die Pendeluhr ist eine Uhr, deren Schwingungsvorgang ein mechanisches Pendel ist. Sie wurde um 1640 von Galileo Galilei erdacht, aber erst von seinem Sohn Vincenzo gebaut.

Kurze Geschichte

• 1657 läßt Christiaan Huygens eine Hemmung patentieren, die den Gang auf 10 Sekunden pro Tag verbessert.
• In den 1680ern werden Haken- und Ankerhemmung erfunden und die Pendelaufhängung am Faden durch eine dünne Stahlfeder (Pendelfeder) ersetzt. Formeln für den Einfluss der Amplitude werden bekannt.
• 1720er entwickeln George Graham (Erfinder der Spiral-Unruh) und John Harrison unabhängig das temperaturkompensierte Pendel, was die Uhren auf 1 Sekunde/Tag verbessert.
• 1843 wird das elektromagnetisch angetriebene Pendel patentiert - eine etwa 10-fache Verbesserung und der erste Schritt zur Elektro-Uhr.
• Um 1930 Entwicklung des Shortt-Pendels (Tagesfehler unter 0.01 s) und Erfindung der damals ähnlich genauen Quarzuhr.

Genauigkeit der Schwingung

Hängende, stabil gebaute Pendel, die um eine horizontale Achse schwingen, besitzen eine höhere Genauigkeit im Gang als viele andere Pendelschwingungen. Solche ungenaueren Vorgänge sind beispielsweise das vertikal oszillierende Federpendel (siehe "Harmonische Schwingung") oder ein einfaches Fadenpendel. Diese übertreffen nur schwer Genauigkeiten von 0.01 Prozent, während ein abgeschirmtes Kompensatorpendel mindestens 0.0001 Prozent (10^-6 oder ±0.1 Sekunden pro Tag) erreichen kann. Spezialkonstruktionen kommen sogar in den Bereich einiger ­ms pro Tag.

Bei klassischen Pendeluhren wird die Schwingung über die Ankerhemmung in ein schrittartiges Drehen des "Steigrades" umgewandelt, das durch ein Gewicht angetrieben

• über ein Räderwerk (wie bei anderen mechanischen Uhren)
• einerseits die Zeiger antreibt,
• andererseits einen dosierten Impuls für eine konstante Amplitude (Schwingungsweite) des Pendels gibt.

Das elektromagnetisch gesteuerte Pendel erhält seine dosierte Energie durch eine Weicheisen-Spule, die im richtigen Moment über Pendelkontakte mit Strom versorgt wird. Die Einsparung mechanischer Teile bei solchen Uhren verbessert den Gang merklich.

Am präzisesten ist die von Störungen befreite Shortt-Uhr. In der Hauptuhr schwingt ein fast freies Pendel im Vakuum, während die synchrone "Slave"-Uhr alle anderen beweglichen Teile enthält, welche die Hauptuhr beeinträchtigen würden. Deren Genauigkeit (Millisekunden pro Tag) wurde erst um 1950 von Quarzuhren übertroffen.

Astronomische Pendeluhren

haben (beziehungsweise hatten) meist Sekundenpendel, die etwa 1 Meter lang sind. Die Schwingungsdauer T hängt mit der Pendellänge L und der Erdbeschleunigung g über die Formel

$T=2\pi {\sqrt {L\,/\,g}}$ zusammen.

Der Sekundenschlag erlaubt(e) bei Messungen von Sterndurchgängen - etwa im Fernrohr eines Meridiankreises - die genaue Korrelation der Zeit mit dem durchs Gesichtsfeld ziehenden Stern (bis 15"/s). Mit der so genannten Auge-Ohr-Methode können Zeitmessungen auf 0,05 bis 0,1 Sekunden genau durchgeführt werden.

Die Gangregulierung erfolgt durch feine Stellschrauben an der Pendellänge und durch Gewichtsplättchen, die Temperaturkompensation mittels Dreistabpendel oder Quecksilberpendel.

Private Pendeluhren

haben meistens Pendellängen von 15 bis 25 cm; letzteres entspricht etwa 0,5 s einfacher Schwingungsdauer. Sie erreichen etwa eine Gangkonstanz von Sekunden pro Tag. Horizontales Schwingen bei Zieruhren (oft mit Messingkugeln) ist noch ungenauer, wird aber heute oft mit in der Mechanik versteckten Quarzuhren gesteuert.

Noch kürzere, vor dem Zifferblatt schwingende Pendel haben die sog. Zappler. Sie sind Tisch- oder kurze Wanduhren, deren Gehäuse nur auf der Schauseite geschlossen ist. Ihre Genauigkeit liegt bei Zehntelminuten pro Tag.

Reversionspendel für Gravimetrie

Ein Pendel, das umgedreht werden kann und um beide Achsen (meist Achatschneiden) dieselbe Schwingungsdauer hat, heißt Reversionspendel. Diese Technik erlaubt die genaue Messung der Pendellänge und daher mittels obiger Pendelformel auch der Schwerkraft g.

Auf ähnliche Art erforschte man schon im 18. Jahrhundert das Erdschwerefeld. Durch Kombination von Gravimetrie und geometrischer Gradmessung wurde die Form der Erde bestimmt und das Meter definiert.

Heutige Zeitmess-Technik

Heute verwendet man dafür hochpräzise Federwaagen, die sogenannten Gravimeter. Die Zeitmessung im wissenschaftlichen Bereich wird hingegen seit etwa 1960 kaum mehr mit mechanischen Schwingungen von Pendeln oder Chronometern durchgeführt, sondern mit Kristall- und Mikroschwingungen von Quarz- und Atomuhren.

Quarzuhren sind inzwischen in alle Mobiltelefone und fast alle Taschenrechner eingebaut, während Satelliten oft Atomuhren oder Wasserstoff-Maser tragen. Bei GPS (Global Positioning System) erlaubt erst diese genaue Laufzeitmessung eine Navigation im Meterbereich.

Siehe auch

Astronomie, Astrogeodäsie, Sonnenuhr, Uhrzeit, Zeitsignal, Isochronismus, Uhrenhemmung

Weblink

• http://www.phaenomen.de/deutsch/geschichte/html/neuzeit__galilei_und_huygens.html (Pendeluhren im 16. Jhdt und Zeitsystem)
• http://www.uhrenhanse.org/sammlerecke/elektro/eu_viredaz/eu_viredaz1.htm#Klassifizierung (mechanisch und elektrisch angeregte Präzisionspendel)