איך עובד שעון מעורר
למרות שהוא נמצא כמעט בכל בית, המנגנון שלו כלל לא פשוט וטריוויאלי. עידו גנדל ממשיך במסע המרתק שלו בזמן. חלק ב'
- בעל ברית חדש כנגד הסרטן
- המפץ הגדול של המדע
- הצוללן שהציל את הקתדרלה
- הצוללן שהציל את הקתדרלה
אז זהו, שלא. אילו היה מדובר בתמסורת פשוטה עד כדי כך, כיוונון ידני של השעה היה גורם לסיבוב של מחוג השניות במהירות מסחררת – ואילו בפועל הוא אינו מסתובב כלל. ואיזה מין מנוע חשמלי קטן וזול (זיכרו שמדובר כאן בשעונים שנמכרים בחמישה שקלים) מסוגל להסתובב בשש מעלות בדיוק, כל פעם מחדש?
אך לפני הכל, תיקון טעות: בעקבות הבדיקה הדקדקנית שביצעתי הפעם לכל גלגלי השיניים, גיליתי שבשבוע שעבר התהפכו היוצרות, וגלגל השיניים של מחוג השעות הוצג כאילו הוא שייך למחוג הצלצול (ולהיפך). מבחינה פונקציונלית, בכל אופן, אין שום הבדל.
יש דרכים מכניות להפוך תנועה סיבובית רציפה למקוטעת. זה מה שעושה, למשל, התשלובת המקסימה שמכונה "מנגנון ז'נבה" (יש הסבר ואנימציה בוויקיפדיה). אלא שפתרון כזה יהיה בעייתי עבור השעון המעורר הזול שלפנינו. ראשית, הוא מחייב פעולה רציפה ובזבזנית של המנוע החשמלי; שנית, מכיוון שמנועים חשמליים נוטים להסתובב מהר מאד, הוא יצריך תמסורות עדינות נוספות להפחתת המהירות בדרך למחוג, וזה יגרום לסרבול, חיכוך ורעש. אז איך עוד אפשר להשיג סיבוב מדויק של שש מעלות כל פעם?
החלוקה של המעגל לשלוש-מאות וששים מעלות (ושל הדקה לששים שניות) היא שרירותית, והטבע לא נוטה לשתף פעולה עם מוסכמות שרירותיות, כך שקשה למצוא דרך פשוטה לחלק מעגל לששים חלקים שייצגו את השניות. לעומת זאת, חוקי הפיזיקה מעניקים לנו יופי של פטנט בשביל סיבוב מושלם של מאה ושמונים מעלות: היפוך קטבים של שדה מגנטי. אם נוכל לנצל אפקט זה כדי לסובב גלגל שיניים במאה ושמונים מעלות כל פעם, נצטרך רק תמסורת בסיסית כדי להמיר את הסיבוב ביחס 30:1 ולהניע את מחוג השניות במידה הרצויה.
בתמונה למעלה מוצגים המנועים של השעון המעורר ושל שעון יד, לצד סוללת AA לקנה מידה. גלגל השיניים המניע הקטן (רוטור) מחובר בבסיסו למגנט בצורת גליל, שממוקם בתוך תושבת פלסטיק (לא נראית בתמונה), בין שתי זרועות של פיסת ברזל או פלדה. חלק מפיסה מתכתית זו עטוף בסליל צפוף מאד של חוט נחושת דקיק. אגב, החוט הזה מצופה בציפוי שקוף ועדין, שמבודד אותו חשמלית ומונע מהסליל להיות, בעצם, גוש אחד גדול של נחושת.
כפי שהזכרתי באחד הטורים הקודמים, מעבר של זרם חשמלי דרך סליל שכזה יוצר שדה מגנטי, ומיקום הקטבים של השדה הזה תלוי בכיוון של הזרם: הפכתם את כיוון הזרם, הפכתם את הצפון והדרום המגנטיים. המגנט הקטן של הגלגל המניע, לעומת זאת, הוא מגנט רגיל שאינו יכול להפוך את הקטבים שלו: הוא חייב להתיישר לפי הקטבים של האלקטרומגנט הגדול והחזק. ואיך הוא יתיישר? מכיוון שהוא גלילי ונתון בתוך תושבת עגולה, האופציה היחידה שלו היא להסתובב, במאה ושמונים מעלות בדיוק נמרץ. השבב לא סתם שולח אות חשמלי לסליל כל שניה, אלא הופך בכל פעם את כיוון הזרם ומכריח את המגנט הקטן להסתובב שוב ושוב. הסרט להלן מציג את השפעת השדה המגנטי על הגלגל המניע כאשר מוציאים אותו ממקומו.
בתמונה הבאה מוצגת התמסורת הראשונית, כולל ליבת המתכת של האלקטרומגנט (למטה) אך ללא הסליל. גלגל השיניים שבמרכז התמונה שייך למחוג השניות: המחוג מתלבש מהצד השני ישירות על הציר המתכתי שלו. הגלגל השקוף מימינו הוא זה שמתווך בינו לבין הגלגל המניע הקטן ומתרגם סיבובים של מאה ושמונים מעלות לשש מעלות. הגלגל הגדול משמאל מעביר את התנועה הלאה, אל גלגלי הדקות והשעות שמסתתרים למטה.
שמתם לב ללשוניות שחרוטות בגלגל השניות? בקצה כל אחת מהן, בצד הרחוק מהמצלמה, יש בליטה קטנה, והן משמשות להרחקת הגלגל מהפלסטיק השחור כדי למזער את החיכוך.
התמסורת
נשארנו עם שאלת התמסורת ה"חד-כיוונית": איך זה שכוח המנוע עובר דרך גלגלי השיניים מהשניות לדקות ולשעות, אבל סיבוב ידני לכוונון של השעה משפיע רק על הדקות ועל השעות, ומשאיר את השניות ללא תנועה?
התשובה קשורה לחידה ישנה. כידוע, בעזרת תמסורות אפשר בקלות להמיר סיבוב יחיד של גלגל שיניים א' לעשרה סיבובים של גלגל ב'. תמסורת זהה יכולה לסובב את גלגל ג' מהר פי עשרה, וכך הלאה. אז אם נציב מספיק תמסורות כאלה בשרשרת, מה מונע מהגלגל האחרון להסתובב מהר יותר ממהירות האור?
התשובה היא שהאנרגיה חייבת להגיע ממקום כלשהו, וככל שהגלגל האחרון בשרשרת אמור להסתובב מהר יותר, כך קשה יותר לסובב את הגלגל הראשון – עד כדי כך שאפילו בולדוזר לא יצליח להזיז אותו, הרבה לפני חציית הסף הבלתי-אפשרי של מהירות האור. כל מי שרכב על אופניים עם הילוכים מכיר את הקושי להתחיל נסיעה בהילוך גבוה, מאותה סיבה, וזה גם מה שקורה בתוך השעון המעורר: לגלגל השניות קל מאד לסובב את הגלגלים הבאים, כי הוא זה שמסתובב הכי מהר בשרשרת. גלגל הדקות, לעומת זאת, צריך להשקיע הרבה מאד כוח לסובב את גלגל השניות כי הלה מהיר ממנו פי ששים.
בתמונה למטה מוצגת הנקודה הקריטית בתמסורת: גלגל שיניים צהבהב-עכור, שמוחזק בלחץ על ידי גלגל הדקות. החיבור בין השניים האלה חזק, אך לא קשיח. אם אחד מהם נתפס, השני יכול, עם קצת מאמץ, להתגבר על החיכוך ולהמשיך להסתובב. מחוג הדקות עצמו מחובר לקצה העליון של החלק הצהבהב.
גלגל הכוונון הידני מביא לסיבוב בו-זמני של גלגל השעות (לא מוצג בתמונה) ושל הגלגל הצהבהב. במצב זה, החלק הלבן של גלגל הדקות נשאר סטטי בגלל ההתנגדות של גלגל השניות אליו הוא מחובר, ורצף התמסורת נשבר. לעומת זאת, בפעולה רגילה, גלגל השניות מסובב ישירות את החלק הלבן של גלגל הדקות, וזה "מושך" איתו את הצהבהב ואת המחוג.
כדי להבהיר את כל הבלגן הזה, הנה סרטון נוסף שמציג את התמסורת הנ"ל בפעולה. סיבוב של גלגל הכוונון בעזרת האצבע מסובב בלי בעיה את גלגל הדקות הלבן, וגם אם מחזיקים את גלגל הדקות בכוח, הגלגל הצהבהב מסוגל להסתובב עצמאית ולהניע את המחוג.
ולסיום, החידה השבועית. הסברתי קודם שהיפוך הקטבים בשדה המגנטי של האלקטרומגנט גורם למגנט הקטן של גלגל השיניים המניע להסתובב במאה ושמונים מעלות ולקדם את המחוגים. אבל מה מבטיח לנו שהסיבוב הזה במאה ושמונים מעלות יהיה בכיוון הרצוי, נניח בכיוון השעון, ולא להיפך? (אם התייאשתם, חפשו מידע על Lavet Type Stepping Motor - ותודה לגיא שקד מהטכניון, שהפנה אותי אל התשובה הלגמרי-לא-טריוויאלית).
