Wie funktioniert ein mechanisches Uhrwerk? Teil 1 – Theorie

Du wolltest schon immer wissen, wie ein mechanisches Uhrwerk funktioniert? Ohne ein bisschen Theorie geht es leider nicht, aber nach dieser schauen wir uns in Teil 2 gleich an, wie es in einem echten Uhrwerk aussieht.

Los geht’s mit einem Bild eines einfachen Taschen- oder Armbanduhrwerkes:

Funktionsweise_Uhr_deutsch
[Originalquelle des Bildes leider unbekannt. Beschriftung selbst eingefügt]

Da ein mechanisches Uhrwerk keine Batterie hat, benötigen wir einen Energiespeicher, der das Uhrwerk antreibt. In diesem Fall ist es eine Zugfeder, die in einem Federhaus eingesperrt wird. Dreht man mit der Hand an der Krone der Uhr, wird über das Kronrad und das Sperrrad die Zugfeder aufgezogen, also unter Spannung gesetzt. Die kleine Klinke am Sperrrad verhindert, dass sich die Feder beim Loslassen der Krone sofort wieder entspannt.

Die Zugfeder sei nun als voll aufgezogen. Um zu verstehen, wie diese die gespeicherte Energie abgibt und damit das Uhrwerk antreibt, schauen wir uns einen Ausschnitt des Bildes an:

Funktionsweise_Uhr_deutsch_Ausschnitt

Auf der linken Seite haben wir das Federhaus mit der Zugfeder, auf der rechten Seite den Anker und die Unruh. Und dazwischen eine Reihe von Zahnrädern.

Stellen wir uns mal vor, des Hemmungsrad würde aus dieser Kette herausgenommen. Was würde passieren? Vom Federhaus bis zum Sekundenrad greifen alle Zahnräder ineinander. Da die Feder gespannt ist, würde sie ihre Energie an dieses Räderwerk abgeben. Alle beteiligten Zahnräder setzen sich also in Bewegung und drehen sich. Wegen der gewählten Übersetzung der Zahnräder drehen sich die Räder vom Federhaus in Richtung Hemmungsrad immer schneller. Sehr schnell! Das ganze dauert nur wenige Sekunden, bis die Zugfeder alle Energie abgegeben hat. Kennst du die alten Spielzeugautos, die man mit der Hand aufziehen konnte? Diese funktionieren nach genau demselben Prinzip!

Gut, wir benötigen also einen Mechanismus, der dazu führt, dass die Zugfeder ihre Energie immer nur in kleinen, genau definierten Portionen abgeben kann. Dazu dient das Trio aus Hemmungsrad, Anker und Unruh (mit einer aufgesetzter Spiralfeder). Das Zusammenspiel dieser drei Teile ist im Detail durchaus kompliziert, daher hier nur die Kurzfassung:
Die Unruh führt sogenannte isochrone Schwingungen aus. Wer in Physik gut aufgepasst hat, weiß vielleicht noch, dass damit Schwingungen gemeint sind, bei denen die Schwingungsdauer unabhängig von der Auslenkung ist. Solche isochronen Schwingungen sind prima als Taktgeber in einer Uhr geeignet!

Bei jeder Halbschwingung der Unruh sorgen die spezielle Form des Ankers und  der Zähne des Hemmungsrades dafür, dass das Hemmungsrad einen einzigen Zahn weiterläuft und dann kurz stehen bleibt.

Halbschwingung

Eine Halbschwingung ist die Bewegung von der Nulllage der Unruh bis zum Umkehrpunkt links oder rechts und wieder zurück zur Nulllage. Eine komplette Schwingung der Unruh besteht also aus zwei Halbschwingungen.

Diese Halbschwingungen führen zusammen mit dem jeweiligen Anschlag des Ankers (genauer der Ankerpaletten) am Hemmungsrad zum berühmten Tick-Tack-Geräusch der Uhr.

Der Uhrmacher Voler Vyskocil hat eine sehr schöne Animation erstellt, die das Zusammenspiel von Unruh, Hemmungsrad und Anker zeigt:

http://uhrentechnik.vyskocil.de/56.0.html

[Quelle: Webseite von Volker Vyskocil]
[Quelle: Webseite von Volker Vyskocil]
Der Anker dient übrigens nicht nur dazu, das Räderwerk nur häppchenweise weiterzuschalten, sondern auch dazu, der Unruh immer wieder eine kleine Portion Energie zuzuführen, um sie in Schwingung zu halten. Wenn die Zugfeder komplett abgekaufen ist, bleibt die Unruh natürlich sehr bald sehen.

Halten wir kurz eines der wichtigsten Prinzipen eines Uhrwerkes fest:
Die Antrieb für das Räderwerk kommt vom Federhaus. Der Gangregler, die Unruh, befindet sich am anderen Ende dieser Kette.

Wie bewegen sich nun die Zeiger einer Uhr?
Ganz einfach:
Das Hemmungssystem und die Zähne des Sekundenrades sind so abgestimmt, dass sich das Sekundenrad in genau 60 Sekunden einmal im Kreis dreht. Wir müssen also nur einen Sekundenzeiger auf die Achse des Sekundenrades stecken. Beim Minutenzeiger funktioniert es nach demselben Prinzip: die Verzahnungen von Sekundenrad, Kleinbodenrad und Minutenrad sind so berechnet, dass sich das Minutenrad in genau 60 Minuten einmal im Kreis dreht. Also kommt der Minutenzeiger auf die Achse des Minutenrades. Na ja, nicht ganz. Um exakt zu sein: auf das Minutenrad wird ein Minutenrohr gepresst, auf dem wiederum der Minutenzeiger sitzt. Dieses Minutenrohr wird u. a. benötigt, um die Zeiger über die Krone stellen zu können (dazu vielleicht irgendwann mehr…).

Wozu ist eigentlich das Kleinbodenrad oben im Bild gut? Es wird nur dafür benötigt, die gewünschten Übersetzungen der Räder im Räderwerk zu erzeugen. Einen Zeiger trägt es also nicht.

Aber he, wo ist der Stundenzeiger? Stundenzeiger? Gibt es nicht im Räderwerk einer Uhr, ätsch! Du willst trotzdem einen Stundenzeiger an deiner Uhr haben? Na gut, schauen wir uns dazu diesen Ausschnitt des Bildes von ganz oben an:

Funktionsweise_deutsch_Stundenzeiger

Das oben schon erwähnte Minutenrohr hat noch eine zweite Funktion. Es treibt das Wechselrad an und dieses wiederum das Stundenrad. Die Achse des Stundenrades ist innen hohl, sodass dieses auf das Minutenrad gestülpt werden kann, damit sowohl Stunden- als auch Minutenzeiger in der Mitte des Werkes liegen. Das Stundenrad trägt also den Stundenzeiger, voilà! Die Übersetzungen der Räder sind nun so gewählt, dass sich der Stundenzeiger einmal in 12 Stunden im Kreis dreht. In dieser Zeit hat sich der Minutenzeiger 12 Mal im Kreis gedreht. Eigentlich ganz einfach…

Du hast bis hier durchgehalten? Prima, dann weißt du jetzt, wo die Energie zum Antrieb eines Uhrwerkes herkommt, wie die Unruh als Gangregler den Takt vorgibt und wo die Zeiger sitzen.

Bald schauen wir uns in Teil 2 die Praxis näher an!

Wenn du noch Fragen oder Anregungen hast, nutz bitte die Kommentarfunktion. Ich werde auf jeden Fall antworten!

3 Gedanken zu „Wie funktioniert ein mechanisches Uhrwerk? Teil 1 – Theorie“

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