Die galvanische Pendeluhr; von M. H. Jacobi in St. Petersburg.

Obgleich ich schon in der Sitzung vom 2 Dec. 1853 der physikalischmathematischen Classe der kais. Akademie der Wissenschaften die detaillirte Beschreibung und Zeichnung einer von mir construirten galvanischen Pendeluhr mitgetheilt hatte, so gestatteten mir theils anderweitige Beschäftigungen, theils Verbesserungen, die ich noch zu machen für nothwendig fand, erst jetzt die Publication dieser Beschreibung, die ich in veränderter Form der Classe hiermit von neuem vorzulegen die Ehre habe.

Auf Tab. IV ist diese Pendeluhr in natürlicher Größe, mit Weglassung einiger unwesentlichen oder bekannteren Theile, dargestellt.

In Fig. 1 ist A die unten mit einer schweren Linse und einer Art Compensation versehene stählerne Pendelstange, welche oben das Querstück a, a und die Plattform b, b trägt, c, c; sind Winkelstücke, an welchen die beiden Elektromagnete B, B' angeschraubt sind; d ist eins der Lager für die Zapfen des Ankers C, in dessen Mitte ein mit den Schraubenwindungen g versehener Stahldrath e eingeschraubt ist, der oben das Querstück f, f trägt. Ein kleines Gewicht g' dient zur Regulirung der Amplituden und kann auf der Schraube g höher oder niedriger gestellt werden. h, h sind zwei kleine, auf der Plattform b, b befestigte messingene Säulchen, in deren obern Hülsen die verstellbaren Schrauben i, i befestigt sind, die zur Begränzung des Ankerganges und zum Theil ebenfalls zur Regulirung der Amplituden dienen. k, k sind zwei andere, zwischen den Schenkeln der Elektromagnete stehende Säulchen, welche das Querstück l, l mit dem Kloben m tragen, in welchem die zur Suspension des Pendels dienende Stahlfeder n befestigt ist. D, D, D, D ist eine starke am Pendelgehäuse befestigte Platte, mit den schrägen Vorsprüngen E, E, auf deren Y-Lagern die stählerne Achse F, F ruht, welche vermittelst der, mit dem andern Ende am Kloben o, o befestigten Stahlfeder n, das ganze Pendelsystem trägt. p, p' sind zwei durch Elfenbein-Hülsen isolirte Stücke und q, q' zwei ebenfalls isolirte Klemmschrauben, an denen die respectiven Enden der um die Elektromagnete B, B' gewickelten Drähte befestigt sind. Die andern Enden dieser Drähte sind bei r gemeinschaftlich an die Pendelstange geschraubt, p und q, so wie p' und q' sind durch zwei sehr dünne elastische Messingdrähte mit einander verbunden, welche, da sie der Stahlfeder n beinahe parallel sind, die Bewegung des Pendels nicht beeinträchtigen. Bei p, p' sind die zum Uhrwerke Fig. 6 führenden Drähte s etc. und s' etc. befestigt. Ein anderer Draht t geht von der Platte D aus direct zu einem Pole der Batterie Nro. 12.

Bei einem erst neuerdings construirten galvanischen Rostpendel haben die Aufhängungen und einige andere unwesentliche Theile eine von der gegenwärtigen Zeichnung etwas verschiedene Anordnung erfahren.

Fig. 2 ist die Seitenansicht der Pendelstange und des an sie durch die Schraube a stark angeklemmten Klobens b, b', in dessen Seitenstücken b, b, c, c seine Zapfenlöcher befindlich sind, zur Aufnahme der Achse des stählernen Rädchens u, u, welches in der Vorderansicht ebenfalls sichtbar ist.

In Fig. 3 ist der Stromunterbrecher dargestellt; man ersieht, daß jedesmal beim Durchgange des Pendels durch die Verticale das Rädchen u auf den stählernen Stift v drückt und durch Entfernen des Hammers w vom Amboße x den Strom unterbricht, der nach einem kleinen durchlaufenen Theil der Amplitude wieder geschlossen wird, indem w auf x herabfällt und durch die verstellbare Feder y festgehalten wird. Amboß und Hammer sind von einer Platingold-Legirung angefertigt, die der Einwirkung der Funken besser widerstehen soll, wie reines Platin. Zu bemerken ist, daß der Amboß durch die Schraube x höher oder niedriger gestellt werden kann, um die Kette während einer längern oder kürzern Periode geöffnet zu erhalten.

Obgleich ein ähnlicher Unterbrecher, mit der Pendelstange eines gewöhnlichen Regulators verbunden, dessen Zeit auf ein anderes Uhrwerk übertragen wurde, Monate lang mit großer Sicherheit und ohne den mindesten Fehler gewirkt hatte, so sah ich mich doch durch anderweitige Erfahrungen veranlaßt, den stumpfen Schluß zwischen Hammer und Amboß durch einen schleifenden oder gleitenden zu ersetzen, und dem Unterbrecher eine Einrichtung zu geben, wie sie in Fig. 4 abgebildet ist. Der aus einer Platin-Legirung bestehende keilförmige Amboß x ist hier auf der Stahlfeder y befestigt, die ihm eine durch die Stellung der drei Regulirungsschrauben z, z', z'' bedingte Elasticität ertheilt. Der Hammer oder Stift w ist, wie der frühere, an dem Hebel v, w befestigt, der aber für diese Einrichtung, die einen größern Gang erfordert, gleicharmig ist.

Fig. 5 stellt die früher von mir angewandte der Lamont'schen ähnliche Einrichtung dar. A ist die Pendellinse, a, b sind zwei mit Quecksilber gefüllte Glasröhren, in welchen Platindrähte eingeschmolzen sind, die mit den isolirten Stücken c, d in Verbindung stehen, an denen die Drähte f, g befestigt sind, die längs der Pendelstange zu den Elektromagneten B, B (Fig. 1) führen. e ist ein Platinrädchen, dessen Stellung durch die Schrauben C, D regulirt wird und das bei jeder Oscillation des Pendels abwechselnd mit dem einen oder mit dem andern Quecksilber-Meniscus in Berührung tritt. Die Schraube B dient zur höhern oder niedrigem Stellung der Linse.

Fig. 6 und Fig. 7 sind eine Abbildung des galvanischen Uhrwerks, ebenfalls in natürlicher Größe. Es steht, wie wir sehen werden, mit dem Pendel in wesentlichem Zusammenhange und hat die doppelte Aufgabe zu erfüllen, die Pendelschläge zu registriren und zugleich den Gang des Pendels zu unterhalten. Hierdurch wird der ganze Apparat complicirter. Das Lamont'sche Pendel ist einfacher und ganz unabhängig vom Uhrwerke. Die größere Complication der von mir getroffenen Einrichtung war aber durch anderweitige Umstände bedingt und konnte nicht umgangen werden. A, A, A, A, A, A sind Platinen, an welchen der Elektromagnet B, B und die andern Theile befestigt sind. Der Anker C, der um den Zapfen a beweglich ist und auf die gewöhnliche Weise durch die Feder b stärker oder schwächer gestellt werden kann, trägt einen langen Arm c, d, der mit einem Sperrkegel e und einem Stifte f versehen ist. Beide greifen in das auf der Achse des Secundenzeigers befestigte, mit 60 Zähnen versehene Sperrrad g. Der Sperrkegel e schiebt beim jedesmaligen Anziehen des Ankers das Sperrrad um einen Zahn vorwärts, der Stift f, der sich zugleich zwischen zwei Zähne desselben legt, hemmt das Weitergehen des Rades und die schwache Feder h die Rückbewegung desselben. i ist ein Aufhälter, der die Rückbewegung des Arms C, D begränzt. Ich fand es später, der größern Sicherheit des Ganges wegen, für zweckmäßig, auf der Achse des Secundenzeigers noch ein zweites Sperrrad zu befestigen. Dasselbe ist nur in der Zeichnung Fig. 8 bei g' sichtbar, und ist ebenfalls mit 60, aber in entgegengesetzter Richtung geschnittenen Zähnen versehen, in welche der am Arme c, d befestigte Zahn m, Fig. 8, greift, und vollständiger wie der erwähnte Stift f das Ueberspringen eines oder mehrerer Zähne verhindert. Da der Schlag der Uhr ungemein laut und hart war, so wurde später dem Arme c, d die aus Fig. 8 ersichtliche Einrichtung gegeben, deren Zweckmäßigkeit sich vollkommen bewährt hat. Der Arm besteht nämlich aus zwei Theilen, die durch das Scharnier k und die Feder l, l mit einander verbunden sind; er erhält so eine gewisse Elasticität, welche die Stöße des Sperrkegels auf die Zähne des Sperrrades mildert und sie auf das zum Fortschreiten dieses Rades nöthige Maaß beschränkt. Außerdem wurde noch der Aufhälter i mit einer dicken Platte aus geschwefeltem Kautschuk belegt. Die aus einem dünnen Drahte bestehende Feder n dient dazu, dem leichten Sperrkegel beim Abfallen eine größere Lebendigkeit zu ertheilen. Die Bewegung des Minuten- und Stundenzeigers wird von der Secundenachse aus auf die gewöhnliche Weise vermittelt. Auf dieser Secundenachse aber sitzt noch das mit 30 besonders geformten Zähnen versehene Rad o. Man sieht, daß die an den ungleicharmigen Hebeln p, p und p', p' befestigten Stifte q, q' beim jedesmaligen Fortschreiten des Sperrrades abwechselnd durch die Zähne des Rades o gehoben werden oder zwischen dieselben einfallen. Es versteht sich daß, um dieses zu erreichen, die Stifte q, q' nicht diametral einander gegenüber stehen dürfen. An dem kurzen Hebelarme befinden sich die Platinstifte r, r', welche auf diese Weise mit den vom ganzen Gestelle isolirten Schrauben s, s' abwechselnd in metallischen Contact treten und so die Kette schließen oder öffnen. Auf der Fläche des Rades o bemerkt man den Stift t, welcher bei jedem Umgange des Rades einmal mit den Federn u, u' in Verbindung tritt. Es werden hierdurch zwei andere in verschiedenen Etagen befindliche, nur mit Minuten- und Stundenzeigern versehene, gewöhnliche galvanische Uhrwerke in Bewegung gesetzt, deren Gang mit dem der Hauptuhr genau übereinstimmt und nur um eine constante Secundenzahl von derselben differirt. Zur Bewegung dieser Uhrwerke kann entweder eine besondere Batterie oder, nach Umständen, die Batterie Nro. 1 benutzt werden, wo dann die ElektromagneteEkektromagnete der erwähnten Uhren momentan als Verzweigungen eintreten. An den isolirten Stücken w, w' sind die zu diesen Uhren führenden Drähte befestigt.

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Batterie Nro. 1, der Unterbrecher Fig. 3 und der Elektromagnet B, Fig. 6, das eine System; die Batterie Nro. 2 mit den beiden Rheotomen r, s, r', s' und den beiden an der Pendelstange befestigten Elektromagneten B, B' Fig. 1 aber ein zweites System bilden. Beim jedesmaligen Durchgange des Pendels durch die Verticale wird das System 1 geöffnet; der Anker C (Fig. 6) durch die Feder b vom Elektromagneten entfernt, der Sperrkegel e zurückgezogen, bis bei einer gewissen Amplitude des Pendels Stift und Rädchen (Fig. 1) sich verlassen, der Schluß der Kette wiederhergestellt, der Anker angezogen und das Sperrrad durch den Sperrkegel um einen Zahn vorwärts geschoben wird. Hierdurch und durch Vermittlung eines der correspondirenden Hebel p, p oder p', p' tritt derjenige Elektromagnet B oder B', Fig. 1, in die Kette, welcher auf der Seite liegt, nach welcher das Pendel schwingt; der Anker C wird angezogen und schlägt, da er als Bascule wirkt, mit seinem Uebergewichte nach derselben Seite plötzlich über, wodurch das Pendel den zur Unterhaltung seiner Bewegung erforderlichen Impuls erhält. Beim Rückgange des Pendels tritt der andere Elektromagnet in Wirksamkeit und läßt den Anker nach der andern Seite überfallen.

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Von allen bis jetzt zu meiner Kenntniß gelangten wirklichen galvanischen Pendeln erfüllt, meines Erachtens nach, das von Hrn. Prof. Lamont in München im Jahre 1851 construirte Pendel allein die Bedingung einer, von der Stärke des galvanischen Stromes durchaus unabhängigen Bewegung.

Die Beschreibung dieses Pendels befindet sich in einer unter dem Titel: Beschreibung der an der Münchener Sternwarte zu den Beobachtungen verwendeten neuen Instrumente und Apparate (München 1851) erschienenen Schrift S. 75.

Indem Hr. Lamont zwei Elektromagnete unveränderlich mit der Pendelstange verband und abwechselnd auf einen, mit einem verstellbaren Gewichte versehenen Anker wirken ließ, kann am Ende jeder Oscillation des Pendels eine Verrückung des Schwerpunktes des ganzen Systems, bald nach der einen, bald nach der andern Seite bewirkt werden, welche hinlänglich ist die durch Widerstand der Luft und Reibung verloren gegangene lebendige Kraft wieder zu ersetzen. Bald nach Publication der erwähnten Schrift – das Pendel selbst hatte ich im Jahre 1851 in München gesehen – ließ ich in dem unter meiner Aufsicht stehenden Atelier ein dem Lamont'schen ähnliches Pendel mit einigen Modificationen construiren, gewahrte aber bald die Nachtheile, welche mit der Anwendung des Quecksilbers zum Schließen und Oeffnen der Kette auf die Dauer verknüpft sind und welche, weil meist bekannt, hier keiner weitern Erörterung bedürfen. Die von Hrn. Lamont getroffenen Vorsichtsmaßregeln zur Beseitigung einiger dieser Nachtheile schienen mir nicht in dem Maaße genügend, um sie zur Anwendung zu bringen. Eine andere Einrichtung, die ich traf, um den Schluß der Kette, mit Hülfe starrer elastischer Metalle, am Ende jeder Oscillation zu bewirken, mußte ebenfalls verworfen werden, weil der Einfluß dieser Einrichtung auf die Größe der Amplituden und sogar direct auf den Gang des Pendels bedeutend hervortrat. Im Uebrigen ist auch bei der Lamont'schen Einrichtung ein solcher Einfluß, wenn auch in geringerem Grade, bemerkbar. Jedes, nur um ein geringes verändertes Eingreifen des Rädchens e (Fig. 5) in den Quecksilber-Meniscus, jede geringe Oxydation der Oberfläche des letztern wirkt auf die Amplituden und beeinträchtigt den Gang des Pendels. Ueberhaupt ist es einleuchtend, daß der Durchgang des Pendels durch die Verticale, wo es die größte lebendige Kraft besitzt, der geeignetste Zeitpunkt ist, um demselben die, wenn auch nur geringe Arbeit des Schließens und Oeffnens der Kette, ohne wesentliche Störungen im Gange desselben aufzuerlegen. Bei der angewandten, sehr wohl überlegten Construction des Unterbrechers besteht die zur Activirung desselben nöthige Arbeit meist nur in unbedeutenden Zapfenreibungen, die viel geringer sind als die Widerstände, die das erwähnte Rädchen im Quecksilber erleidet. Die Masse des Hebels v, w (Fig. 3) und die Arbeit, welche seine kaum sichtbare Bewegung erfordert, können bei der ansehnlichen Schwere der Pendellinse kaum zur Berücksichtigung kommen. Ein interessanter Beweis dafür, daß außer den gewöhnlichen, nur die erwähnten Widerstände auf das Pendel wirken, liegt darin, daß durch größeres oder geringeres Anspannen der Spiralfeder y (Fig. 3), bis auf eine gewisse Gränze, die Amplituden nicht im Mindesten verändert werden. Die Kraft, welche das Herunterdrücken des Hebels und das Spannen der Spiralfeder erfordert, wird dem Pendel genau wieder restituirt. Die einmalige Regulirung der durchaus constant bleibenden Amplituden hat man durch Stellen der Schrauben i, i (Fig. 1) oder durch Verschieben des Gewichts g', aber nur durch diese Mittel, ganz in seiner Gewalt. Bei unserm Pendel betragen diese Amplituden nicht mehr als etwa 1°5' auf jeder Seite. Der Ueberfall der Bascule geschieht kurz bevor das Ende der Oscillationen erreicht ist.

Um die wesentlichste Bedingung: einen von mechanischen Störungen möglichst befreiten Gang des Pendels zu erhalten, nicht aufgeben zu müssen, zog ich es vor, lieber dem Uhrwerke, bei dem nicht so wichtige Rücksichten zur Sprache kommen, die schon oben erwähnte größere Complication zu geben. Das Oeffnen der Kette, das bei jeder vollen Oscillation des Pendels nur einmal und zwar in der Verticalen stattfindet, kann, ohne andere Uebelstände herbeizuführen, auf keine Weise zur abwechselnden Bewegung der Bascule direct benutzt werden. Es ist daher, wie wir oben gesehen haben, das abwechselnde Schließen und Oeffnen der Kette, für den einen oder den andern der Elektromagnete B, B (Fig. 1) dem Uhrwerke und zwar dem, auf der Secundenachse befestigten Rade o (Fig. 6) übertragen worden. Die größere Arbeit, die hierdurch dem Elektromagneten B erwächst, kommt bei den ansehnlichen Dimensionen desselben nicht in Betracht. Erwähnen will ich hier, daß bei meinem neuesten Apparate die Schlußstellen für die partiellen galvanischen Kreise der Elektromagnete B, B' (Fig. 1) nicht mehr bei r, s und r', s' sind, sondern daß der abwechselnde Contact unmittelbar zwischen den Platinstiften q, q' und den Zähnen des Rades o hervorgebracht wird. Es versteht sich, daß eine entsprechende Isolirung der Hebel p, p' von einander und von dem Gestell hat vorgenommen werden müssen.

Zur Activirung des zum Uhrwerke gehörigen Elektromagneten bediene ich mich zweier und für die beiden kleinen Elektromagnete B, B' nur eines kleinen Daniell'schen Elements von gewöhnlicher Construction. Ich werde diese Elemente später durch andere ersetzen, die nach der von Hrn. Professor Buff in Gießen angegebenen Modification construirt sind, und die, wie ich durch eigene Versuche bestätigt gefunden habe, sich durch ihre Beständigkeit vor allen andern Hydroketten vortheilhaft auszeichnen.

Da eine sorgfältig gearbeitete galvanische Pendeluhr gewiß nicht billiger herzustellen ist als ein astronomischer Regulator, und die Unterhaltung der Batterie immer einige Mühe und Kosten verursacht, so dürfen dergleichen Pendeluhren allerdings keine ökonomischen Vorzüge zugestanden werden. Wenn aber einerseits diese Anwendung der galvanischen Kräfte und die Ueberwindung der dabei vorgekommenen Schwierigkeiten schon an und für sich Interesse gewährt, so ist auch andrerseits nicht zu verkennen, daß, wie es auch Hr. Professor Lamont hervorhebt, auf diese Weise ein von allen mechanischen Einflüssen unabhängigeres und somit richtigeres, zur Controle astronomischer Uhren dienendes Pendel hergestellt werden kann. Da hier der Gang des Pendels nur durch ein periodisch wirkendes Uebergewicht unterhalten wird und die Anziehungen zwischen Anker und Hufeisen, so wie die vorkommenden Stöße sich gegenseitig aufheben, so ist das zur Erhaltung der lebendigen Kraft angewandte Princip, ungeachtet der scheinbar größern Complication des Apparats, auf seinen einfachsten Ausdruck zurückgeführt. Daß Pendel und Uhrwerk ganz von einander getrennt und in verschiedenen Localen aufgestellt werden können, daß man sich an beliebigen Punkten absolut übereinstimmende Secundenzähler verschaffen kann, wird gewiß manche praktische Vortheile gewähren. Hat man aber durch länger fortgesetzte Erfahrungen erst ein gewisses Zutrauen zu dem galvanischen Pendel erlangt, so wird man dasselbe in ein hermetisch verschlossenes Metallgehäuse einschließen, dasselbe in einem, wenn auch unzugänglichen Locale von constanter Temperatur aufstellen, und so das für die Wissenschaft so wichtige Desideratum, ein Pendel erhalten, das dem veränderlichen Barometerstande entzogen ist und das keiner Compensation und keines Glaubens an deren Unfehlbarkeit weiter bedarf.