שלבי בניית מנגנון שעון מטוטלת מעץ (הדף בבנייה)

מבוא:
עניינו של מאמר זה הוא תכנית עבודה ופירוט שלבי בניית שעון עץ. כמובן, נעסוק כאן בעיקר בבניית המנגנון בעיקר, אבל, נטפל גם בבניית התיבה בסוף המאמר. חשיבותו של מאמר זה נוגעת בעיקר לשיטות העבודה שמופיעות כאן לראשונה בעברית, קהל היעד הוא קהילת אמני וחרשי העץ דוברי העברית. 
אין לי ספק בשלב זה של הכתיבה שאפרסם את המאמר הזה כשהוא לא גמור ואשפר אותו עם הזמן, אחרת לא אפרסם אותו אותם אנשים המעוניינים לבנות שעוני עץ עוד בימינו אנו....
רקע:
שעונים באופן כללי: 
שעונים קיימים בכל - החל במחזור הסיבוב של כדור הארץ וכלה בשעונים הביולוגיים הפועלים בגוף החי, אבל היות ועניינו של מאמר זה הוא בניית שעוני עץ, אצמצם את רוחב היריעה לשעונים מעשה ידי אדם ואתמקד בשעוני מטוטלת.
הצורך למדוד זמן קיים אלפי שנים, תרומתה של מדידת זמן לארגון הפעילות של הפרט והקבוצה היא עצומה. שעוני שמש הם אולי השעונים הראשונים שבני אדם בנו, וחסרונם העיקרי הוא שאין הם מודדים את הזמן בשעות החושך. למרות זאת, שעוני שמש היו השעונים היומיים העיקריים במשך מאות שנים. כמו כן, הומצאו שעוני המים ושעוני החול כנראה במטרה לבצע מדידה של זמן גם בשעות החשיכה. הקושי הטמון במדידות זמן אילו הוא טווחי זמן קצרים במדידה של שעון החול, והסירבול העצום של שעוני המים כמו גם רגישותם לבעיות שונות הקשורות בתנועת זורמים לדוגמא מילוי מים במיכל השעון דורשת מאמץ גדול וככל שהשעון גדול יותר המאמץ גדל בהתאם, בניית שעון מים ליד נחל היא בניית מבנה גדול ומסורבל וככל ששעון המים גדול יותר השגיאה במדידת הזמן גדולה יותר. איש אינו יודע מי המציא את השעון המכני  אבל אנחנו יודעים שהמנגנון שלפני המצאת המטוטלת נקרא Verge and foliot (אין ל מושג איך לתרגם את זה), ואולי אקדיש לשעונים אילו שיחה קצרה ברשומה אחרת. הראשון שחשב על שעון מטוטלת היה גליליאו גליליי(1602)  אלא שהרעיון נשאר על הנייר, כך, זכות הראשונים שמורה לכריסטיאן הויגנס (1656) אשר גם כתב את התאוריה המתמטית הנוגעת למטוטלת המתמטית ב 1673.



המבנה הכללי של המנגנון.
מנגנון השעון אינו אלא מערך תמסורת של גלגלי שיניים, מחגר משקולת, משקולת התורמת את אנרגיית פעולה של השעון, מחגר המתזמן את תנועת גלגל התיזמון ומטוטלת. 
החלקים החשובים ביותר בשעון המטוטלת הם:
1. המטוטלת.
2. המחגר.
3. גלגל התיזמון.
4. המשקולת.


(האיור באדיבות ויקיפדיה/ויקימילון)

למעשה שעון מטוטלת יכול לפעול רק עם חלקים אילו ולמדוד את הזמן מעצם העובדה שהמטוטלת היא קוצב זמן מדויק יחסית.
סדר התנועות:
1. המשקולת מושכת את החוט או הכבל המלופף על תוף עגול המורכב על ציר משותף לגלגל התזמון. כלומר אנרגיית התנועה נתרמת ע"י כוח המשיכה וכל עוד המשקולת באוויר התוף ישאף להסתובב עד כלות החוט או עד הגעת המשקולת לקרקע.

2. גלגל התזמון מונע ע"י תוף המשקולת שכן יש להם ציר משותף אבל תנועתו מוגבלת ע"י המחגר. לגלגל התזמון שיניים עם מרווחים גדולים בינהם והן מהוות סדרת מנופים הדוחפים את הציפורן החוגרת.
3. המחגר מונע ע"י גלגל התזמון מבצע תנועת נדנדה כך שבעוד שציפורן אחת שלו נדחפת לפנים הציפורן הנגדית נמצאת מעל שיני גלגל התזמון ובתנועה הבאה היא יורדת וחוסמת את גלגל התזמון. באופן זה מהווה המחגר גורם מעכב על גלגל התזמון.
4. המטוטלת מחוברת למחגר בציר משותף ובכל נדנוד שלה היא מתנודדת מצד לצד יחד עם המחגר. בדרך כלל מטוטלת חופשית מתנדנדת עד שהיא מפסיקה כשהתנודות הולכות ופוחתות, אבל במנגנון שלנו גלגל התיזמון ממשיך לדחוף את המחגר והמטוטלת ממשיכה בקצב קבוע להתנדנד וקיבלנו מנגנון אוסילציה בסיסי.

מהירותו של גלגל התיזמון צריכה להיות 1 סל"ד ומתקיים יחס בין אורך המטוטלת למסת המשקולת - מטוטלת ארוכה תנוע בקצב איטי אבל תדרוש משקולת כבדה יותר ממטוטלת קצרה. 
אז אם זה כל כך פשוט מדוע אנו רואים כל כך הרבה גלגלי שיניים בשעון המטוטלת? התשובה לכך נעוצה בעובדה שגלגל התזמון ימדוד רק שניות ומהירותו כאמור היא 1 סל"ד. בנוסף לכך קצב ירידת המשקולת בתנאים אילו יהיה מהיר מאוד היות והיא תתזומן ע"י גלגל התזמון, כדי לקבל מדידת של שעות ודקות יש להמיר את מהירותו של גלגל התזמון לגלגלי שיניים שיבטאו את חלוקת המהירות כיחס של מהירותו לכן מועבר כוחו של גלגל התזמון לגלגל שיניים קטן המעביר את כוחות לגלגל שיניים שמספר שיניו 60 והוא שוב מעביר את כוחו לגלגל שיניים קטן אשר מעביר את כוחו לגלגל שיניים נוסף שמספר שיניו 60 ועכשיו קיבלנו חלוקה של מהירות גלגל התזמון (שהוא הגלגל המהיר ביותר בשעון) עד לגלגל שיניים שעושה הקפה בשעה. תוף המטוטלת בשעון מלא בגרסתו המצומצמת מחובר לגלגל האיטי ביותר שכאמור עושה הקפה בשעה. התוף המופעל ע"י המשקולת ומניע למעשה את כל השעון מסתובב בקצב של הקפה בשעה והמשקולת יורדת לאט יחסית (ניתן למדוד את הקצב הירידה בס"מ ולהשוות למדידת הזמן). היות והמשקולת מניעה למעשה את הגלגל האיטי ביותר היא פועל מול התנגדות כל גלגלי השיניים שבשעון (13 במקרה שלי) שחלקם קטנים ומפעילים המון התנגדות - דבר המחייב דיוק רב בחיתוך השיניים ובמיקום הצירים ואיזונם אחרת כל התנגדות קטנה תעצור את השעון. 

מבנה המחגר וגלגל התזמון Escapement
שני חלקי השעון החשובים ביותר ומהווים את ליבו של שעון המטוטלת. הן בספרות הרגילה והן בספרות המקוונת משתמשים במונח Escapement למכניזם המורכב ממחגר וגלגל תזמון כיחידה מתפקדת אחת. לאורך התפתחותם של שעונים בכלל ושעוני מטוטלת בפרט, חלו רוב השינויים בעיקר במכניזם זה בעיקר. אמנם נעשה פיתוח, תכנון ושיפור בכל חלקי השעון, אבל רוב המחקר הטכני של בוני השעונים התמקד במכניזם. אציין כאן את המחגרים היותר משמעותיים בהתפתחות זו ושאר הקריאה תופנה למקורות שונים על פי בחירתו ועניינו של הקורא.
Verge escapement
זהו מחגר שהקדים את שעון המטוטלת ומופיע בשעונים מ 1285. המנגנון הזה מופיע גם כיום אצל בוני שעונים המתעניינים בביצוע עבודות עם גוון הסטורי. לא ידוע מי המציא את המחגר הזה. 

מחגר עוגן Anchor escapement
מחגר שאפיין שעוני מטוטלת הומצא ע"י רוברט הוק ב 1657 ממש אחרי המצאת שעון המטוטלת.

מחגר חגב Grasshopper escapement
הומצא ע"י ג'ון הריסון ב 1722. מחגר זה היה לגולת הכותרת של שעוני המטוטלת ונכתב עליו לא מעט, הן בספרות הרגילה והן המקוונת.

גלגל התזמון  escape wheel 
כמות העיצובים של גלגל זה היא עצומה. גלגל זה הוא בעל שיניים מרווחות וכל שן מהווה מנוף דחיפה מצדה האחד וציפורן חוגרת מצדה האחר. תפקידו לדחוף את המחגר קרי: את המטוטלת מחד ומאידך לבלום ולקצוב את תנועת המטוטלת. למעשה פעולת הקיצוב שהוא מבצע צריכה להיות אפסית או קטנה מאוד, ועיקר משימתו מבטאת בדחיפה של המחגר המורכב על ציר המטוטלת. כדאי כאן להסתכל באיורים שבקישורים ולהתעמק בפעולה זו כי היא מהות פעולתו של השעון. 

העבודה - שיטות וחומרים

חומרים: 
עצים המתאימים למסגרת השעון: למעשה כל סוג עץ מתאים למסגרת השעון - אני ממליץ על עץ קשה או חצי קשה. עצים מומלצים: מהגוני, מייפל, בוק, פוליסנדר, אגוז אמריקאי, אגוז אפריקאי (לימבה). אבל ראיתי מסגרות עשויות סנדביץ' וזה עובד..
עצים המתאימים לשבלונה: אני משתמש בסנדביץ' לבניית שבלונות בכלל ובשעונים בפרט.
עצים לבנייה וחיתוך של גלגלי השיניים והמחגר: אני משתמש בעץ בוק, או מייפל אבל כל עץ קשה מתאים. אני לא ממליץ על אלון כי קשה לשייף אותו בשל נקבוביות גדולות ושבירות יתר במבלטים דקים. אז את גלגלי השיניים אין בעייה לבנות מאלון אבל את את גלגל התזמון.
צירים: הצירים שאני משתמש בהם עשויים ממוטות פלדה 6 מ"מ. קל לחתוך אותם במסור ברזל פשוט, עלותם כ 7 שקלים ל3 מטר, קל ללטש אותם על מחרטת עץ ולהשחיז את קצותיהם על משחזת שולחנית פשוטה, קל לקדוח במקדחת עמוד וקיימים עבורם מסבים 6/10 לשעון הדורש מסבים. אין להשתמש בציר מחומר שעשוי להתעקם או לקבל "בטן" במהלך חיי השעון.
שרוולי מתכת או עץ: ניתן להשתמש בצינור פלדה שקוטרו החיצוני 10 מ"מ או בצינור של מוצרי חשמל שיש לו הברגה חיצונית והוא מגיע עם אומים מתאימים ומחברי מעבר ("מופות"). ניתן לייצר את השרוולים לבד מעץ על מחרטת עץ. הקוטר הפנימי של שרוול חייב להיות  קצת מעל 6 מ"מ אבל 7 מ"מ זה גדול מדי  כלומר דרגת חופש קטנה ככל האפשר עם תנועה חלקה של הציר בתוך השרוול.
כלים:
מסור נימה:  בעזרתו נחתוך את גלגלי השיניים והמחגר. חשוב שיהיה מסור נימה טוב, עם מנוע חזק ואפשרות למסוריות פינים ותופסנית כאחד. חשובה תאורה טוב ומתכווננת ורצוי משקפי הגדלה טובים בפרט כשמשתמשים במסוריות שעוביין מחצית המילימטר.
מסור סרט  : מסור הסרט מתפקד כאן כמו מסור הנימה ויש בוני שעונים שמשתמשים בו עבור רוב התהליך. חסרונו היחיד הוא חוסר יכולתו לתוך בתוך גלגלי השיניים את מוטות הגלגל ללא חיתוך צד שיפגום בשלמות הגלגל. יתרונו בחיתוך גלגלי שיניים עבים המיועדים לשעונים גדולים.
מקדחת עמוד : קשה לתאר את חשיבות הקידוח והדייקנות הדרושה לקדוח ישר ומדוייק את מרכזה הגלגלים או את מיקום הצירים על המסגרת. מקדחת העמוד היא מכשיר חשוב, אבל, מספיקה גם מקדחת עמוד קטנה ופשוטה כל התופסנית אינה "רוקדת" ותנועתה ישרה. כמובן, כל הקידוחים במהירות נמוכה ובמקדחים איכותיים. רצוי שיהיה סט מקדחים העולה בקוטרו כל חצי מילימטר, ומקדח קונוס. חלק מהקידוחים ניתן לבצע במחרטה וכמובן זה קידוח מדויק מאוד.
מחרטת עץ : תפקידה יהיה בחריטת שרוולי עץ, ליטוש צירים, חריטת כפתורי הצמדה או חלקים אחרים של השעון. לא מתאימה לליטוש גלגלי שיניים.
משחזת ציר   :  (בעגת מותגים משובשת "דרמל") כלי זה ישמש לתיקונים קטנים ושיוף ברווחים שבין השיניים וכמובן לליטוש בין השיניים. מתאים לחיתוך קצוות של צירים לאחר הרכבה ראשונה. אני משתמש גם במכשיר זה ככרסום על שולחן ראוטר זעיר מותאם במיוחד לשיוף וליטוש.
כָּרְסּוֹם עץ ( ROUTER) : מתאים עם ג'יג מובנה במיוחד לדיוק היחסים בין מרכז גלגל השיניים להיקף.

תכניות ושרטוטים: אי אפשר להפריז בחשיבותה של תכנית טובה, היות ושעון הוא מנגנון מדויק - חייבים תוכני מדוייקת. אם אתם מתחילים אני ממליץ להתחיל מתכנית מוכחת קרי: כבר בנו שעונים עובדים מתכנית זו. אם הורדתם תכנית כזו בקובץ PDF מהרשת, אתם יכולים להדפיס אותו עם או בלי הגדלה, להדביק את ההדפסות על העץ בעזרת תרסיס דבק, לחתוך את חלקי השעון בדיקנות רבה, להפעיל אקדח חום על פני החלק שחתכתם ולהסיר את שאריות הנייר באופן זה מגלגל השיניים או המחגר, ו..זהו יש לכם החלק חתוך מהתוכנית. קל ונוח. אם אתם יוצרים עיצוב משלכם, אפשר להשתמש בכל CAD דו מימדי או בסולידוורקס שהיא התוכנה הטובה בעולם למשימות כמו זו. 

שירטוט ידני של המחגר ושל גלגלי שיניים:  ניתן כמובן לשרטט את כל חלקי השעון על גיליון נייר ולהדביק על לוחות וכאמור בסעיף הקודם לחתוך ולהדביק. במקרה זה עליך להיות שרטט טוב ממש, היות וחלקי השעון ושירטוטם דורשים יכולת גבוהה לא פחות מבניית השעון וזה לוקח את אותו הזמן (מנסיון אישי).


שלבי העבודה:
1. שירטוט תכנית או הדפסת תכנית קיימת.
אני ממליץ כאן על האתר של BRIAN LAW זהו האתר היחיד שמצאתי שמספק תכניות PDF חינם. הוא מעוניין בתשלום רק עבור CAD. כדאי לכם להוריד את כל תכניות 20 השעונים שהוא מציג שם - כולם מוכחים כעובדים וניתן אחרי נסיון בנייה של כמה שעונים לשנות את העיצובים די בחופשיות. כדאי להתחיל בשעון מס' 1 שלו ואז אחרי שבניתם את הדגם הזה תוכלו "לרוץ חופשי"....2. הדבקת ההדפסות על לוחות העץ בעזרת תרסיס דבק ניתן להסרה.
3. חיתוך החלקים במסור נימה או מסור סרט.
4. איזון גלגלי השיניים וגלגל התזמון על שולחן כרסום או שולחן שיוף.
5. חיתוך וליטוש צירים ושרוולים.
6. בניית מסגרת/שלד שעון וקידוח חורים עבור הצירים.
7. הרכבה ראשונה ומבחן תנועה לגלגל התזמון - הוא צריך להסתובב בנשיפת פה.
8. שיוף וליטוש חלקים וביצוע התאמות קטנות - שים לב! זה שלב לא קצר...
9. הרכבה שנייה והרצה ראשונה - השעון עכשיו פועל וצריך לכוון את אורך המטוטלת
10. הרכבה שלישית והרצה אחרונה לאורך 12 שעות אם אין בעיות השעון מוכן...


מונחים:
מחגר
מחגר עוגן Anchor Clock Escapement
מחגר חגב Grasshopper escapement
VARG AND FOLIOT
מחגר המשקולת (רצ'ט)  
ציפורן חוגרת
מטוטלתPendulum

רשימת ספרות ואתרים מומלצים לפי נושאים
שעון בויקיפדיה העברית (מידע מוגבל יחסית)
שעון בויקיפדיה האנגלית
שעון שמש בויקיפדיה העברית (מידע מוגבל יחסית)
שעון שמש בויקיפדיה באנגלית (מידע רחב)
מחגרים - קישור לספר מצוין שהורדתי למחשב שלי כ קובץ PDF
מחגרים והתפתחותם  - האגודה ההורולוגית הבריטית
מחגרים בויקיפדיה האנגלית - הנושא שם מורחב ומאוייר היטב

אתר תכנת CAD און ליין לתכנון גלגלי שיניים

קישורים נוספים


אין תגובות:

הוסף רשומת תגובה

התגובות מגיעות לדואר האלקטרוני שלי אוטומטית. אם אתם רוצים להגיב בפרטיות אז אפשר לשלוח לדואר aziz@post.bgu.ac.il .
תגובות שנרשמות באתר מופיעות והן זמינות לכל גולש.
ניתן גם להשיג אותי בנייד 0522701654 .
גלישה מהנה..

שים לב: רק חברים בבלוג הזה יכולים לפרסם תגובה.