איך עובד שעון מעורר?
מכירים את הדבר הזה שאתם מכבים בבוקר בשביל לגנוב עוד 10 דקות שינה? לא הסלולרי, השעון הגדול שנמצא לידו - איך הוא עובד? חלק א'
את המכשיר שנפרק ונחקור הפעם כמעט אין צורך להציג. לפני עשרים שנה, בערך, הוא היה אחד הגאדג'טים הנפוצים והשנואים ביותר, ורבים מבני דורו קיפחו את חייהם בהתקפות זעם של משתמשים מנומנמים. הטלפונים הסלולריים החכמים גרמו אמנם להיעלמותם של דברים רבים שקיבלנו כמובנים מאליהם, כגון שעוני יד, יומנים ופרטיות, וגם השעונים המעוררים הורדו מגדולתם; עם זאת, עדיין אפשר למצוא מבחר דגמים בחנויות ובשמונציות, והדגם שבתמונה לפניכם הוא אחד הפופולריים: שעון מחוגים פלסטי, מרובע ופשוט, עם סוללה ומנגנון קוורץ.
שעון מעורר ארור. המחוג הצהוב שקשה לראות, בשעה שש, הוא מחוג הצלצול(צילום: עידו גנדל)
רגע, מה זה בעצם מנגנון קוורץ?
בתמונה למטה מוצג מעגל אלקטרוני, שנשלף מתוך מנגנון של שעון יד זול עם מחוגים. גודלו של המעגל (בחלק הרחב ביותר) הוא 1.2 סנטימטרים, והרכיב הכי גדול ובולט בו הוא גליל כסוף ומסתורי. רכיב כזה בדיוק נמצא בכל שעוני הקוורץ, והוא מכיל גביש של סיליקון דו-חמצני, המוכר גם בשם קוורץ ומהווה את המרכיב העיקרי של חול.
מעגל אלקטרוני של שעון יד עם מחוגים, מוחזק בפינצטה(צילום: עידו גנדל)
לגביש הקוורץ, כמו לכמה גבישים אחרים, יש תכונה מעניינת: כאשר עובר בו זרם חשמלי, הצורה הפיזית שלו מתעוותת קצת. שינוי הצורה משנה בתורו את זרימת החשמל בגביש (מה שמכונה בשם "אפקט פיאזואלקטרי"), וכך נוצר מחזור של שינויים פיזיים וחשמליים, או במילה אחת – רטט. ומה הקצב של הרטט הזה? תלוי במספר גורמים, ביניהם הגודל והצורה של הגביש. אם ניקח גביש קוורץ בגודל וצורה מאד ספציפיים, כמו זה שבתוך הגליל הכסוף שבתמונה למעלה, נקבל קצב רטיטה של 32,768 פעמים בשניה. המספר הזה נראה שרירותי ומכוער למדי – אלא אם אתם חושבים בבסיס בינארי.
בסיס בינארי, למי שאיכשהו עוד לא מכיר, הוא הדרך שבה היינו סופרים אם היו לנו רק שתי אצבעות במקום עשר. בשיטה הרגילה, העשרונית, אנחנו משתמשים בעשר ספרות שונות (0-9), ומציינים מספרים גדולים מתשע בעזרת "עשרות", "מאות" וכו'. אותו הדבר בדיוק מתבצע בבסיס בינארי, פרט לכך שיש לנו כאמור רק שתי ספרות: 0 ו-1. כדי לציין בבסיס בינארי את המספר העשרוני 2 צריך להוסיף ספרה ("ביט" בשפה המקצועית) ולכתוב "10". המספר 3 ייכתב כ-"11", ואילו 4 יקפיץ אותנו אל ביט נוסף, כך: "100". בבסיס בינארי, המספר העשרוני 32,768 הוא עגול ויפה, עם 16 ביטים לתפארת: "1000000000000000".
כל המחשבים (הפרקטיים) שקיימים כיום מבוססים על ייצוג בינארי של מספרים, מכיוון שקל מאד להתייחס למצב של יש/אין זרם חשמלי כאל הספרות 1 או 0, ולבצע כך כמויות אדירות של חישובים במהירות בלתי נתפסת. מספרים בינאריים עגולים הם נוחים במיוחד. למעשה, השבב הזעיר מהתמונה למעלה צריך רק למנות את הרטיטות של הגביש ולהשגיח על הביט ה-16 (השמאלי): ברגע שהוא משנה את מצבו מ-0 ל-1 או להיפך, סימן שעברה שניה אחת בדיוק – אשאיר לכם להבין למה – ואפשר לשלוח פקודה למחוג השניות להתקדם בצעד אחד. על האופן המדויק בו מתבצעת הפקודה הזו נדבר בשבוע הבא. הפעם אני מבקש לעסוק בנושא אחר: מנגנון הצלצול המעורר.
כוונון שעת הצלצול בשעון מחוגים נעשית באמצעות חוגה שנמצאת בצד האחורי, ושולטת במחוג ייעודי. אם נציב את המחוג הזה, למשל, בחצי הדרך בין סימוני השעות שלוש וארבע, השעון יצלצל פחות או יותר בשלוש וחצי: ברגע שמחוג השעות יגיע לזווית של מחוג הצלצול יישמע מין קליק מכני, ומיד אחריו יתחילו הצפצופים המרגיזים שיימשכו משהו כמו חמש דקות, אלא אם נפסיק אותם בלחיצה על המפסק בחלקו העליון של השעון. איך נראה כל התהליך הזה מבפנים?
המעגל האלקטרוני ואלמנט הצלצול של השעון המעורר (צילום: עידו גנדל)
בתמונה למעלה מוצג השעון המעורר אחרי פתיחה וסילוק של הרכיבים הלא-רלוונטיים. מימין נמצא המעגל האלקטרוני (חום וזהוב), עם הרמקול (הגליל השחור הגדול) ומתנד גביש הקוורץ הקל לזיהוי. שימו לב, בצדו השמאלי של המעגל, לשני מגעים זהובים גדולים יחסית. אלו הם מגעי הצלצול. אם תחברו ביניהם בעזרת חוט חשמל או פיסת מתכת, הרמקול יצפצף.
במצב פעולה רגיל, מה שמחבר בין המגעים בשעת הצורך הוא גשר המתכת שבתמונה, שמקובע לגוף הפלסטיק השחור בצדו השמאלי. הנטיה הטבעית של הגשר היא להיות שטוח ולחבר בין המגעים, אך גלגל השיניים הלבן שמתחתיו מרים אותו רוב הזמן ומונע את הצפצוף. רק כשמחוג השעות ומחוג הצלצול נמצאים באותה זווית, הגלגל צונח פתאום למטה בלחץ הגשר, נצמד לזה שמתחתיו ומאפשר את החיבור. הצניחה של הגלגל, אגב, היא מה שמשמיע את הקליק המכני המוכר שהזכרנו קודם.
בליטות ותעלות בגלגלי השיניים של מנגנון הצלצול(צילום: עידו גנדל)
בתמונה למעלה מוצג המנגנון המפורק. בתמונה הפנימית מימין מוצג גלגל השיניים של מחוג הצלצול: שימו לב לבליטות המשולשות שיוצאות ממנו. בגלגל התחתון, ששייך למחוג השעות, יש חורים משולשים תואמים. רוב הזמן הבליטות אינן תואמות לחורים, כך שהגלגל העליון נשען עליהן ונשמר רווח בין שני הגלגלים. רק בשעה היעודה, כאשר גלגל מחוג השעות מגיע לזווית הנכונה, נוצרת התאמה: הבליטות מתיישבות בבת אחת בחורים, הגלגלים נצמדים, הגשר יורד והצפצוף מתחיל.
כעבור זמן-מה, עם המשך הסיבוב של מחוג השעות, הבליטות נדחקות שוב החוצה והצפצוף מפסיק מעצמו. אם תסתכלו טוב על התמונה למעלה תראו שיש בגלגל התחתון שלושה חורים (ויש כמובן שלוש בליטות תואמות), ושמיקום החורים אינו סימטרי. חוסר הסימטריה מבטיח שההתאמה תתרחש רק פעם אחת בכל שתים-עשרה שעות, ומספר הבליטות מבטיח שתהיה לגלגל העליון מספיק תמיכה לסיבוב יציב יחסית.
התאמה בין הגלגלים. מזכיר קצת את הסיפור עם לחצן העט הכדורי, לא? (צילום: עידו גנדל)
ומה לגבי המפסק? בניגוד למה שאפשר היה לחשוב, זהו אינו מפסק חשמלי אלא סתם חתיכת פלסטיק שנוסעת הלוך ושוב על מסילה. בקצה חתיכת הפלסטיק הזו יש לשונית קטנה במיקום אסטרטגי: כשהמפסק סגור (במצב של אי-צפצוף), הלשונית נתחבת בין המגעים שעל הלוח לבין גשר המתכת שמנסה לחבר ביניהם ומונעת את החיבור. זו גם הסיבה לכך שהקליק שנשמע בעת התכנסות המחוגים חלש יותר כשהמפסק סגור. באמת!
מפסק דמיקולו, אבל עובד(צילום: עידו גנדל)
נעבור לחידה השבועית, והפעם – מכיוון שפתרתם את הקודמות בקלות כזו – חידה קשה במיוחד. הסתכלו שוב על איור ההתאמה בין הגלגלים. לכאורה, אפשר לכוון את מחוג הצלצול בכיוון אחד בלבד (הפוך לכיוון הסיבוב הרגיל של מחוג השעות), כי ברגע שהבליטות ישקעו בתוך החורים, הן יוכלו לצאת משם רק בהחלקה על הצד המשופע. ואכן, בדגמים אחרים של שעונים, זה בדיוק המצב. עם זאת, בשעון שהצגתי כאן דווקא אפשר לסובב את מחוג הצלצול בחופשיות לשני הכיוונים. איך זה יכול להיות? רמז: אל תסתמכו על התמונות שהוצגו כאן, הן לא מציגות את כל המידע הדרוש לפתרון.
צריך לקום ולקרוא איך זה עובד
צילום: shutterstock
