Импульсы, сообщаемые внешней силой, по своему значению должны быть равны затратам энергии на преодоление трения. В этом случае груз будет перемещаться между крайними установившимися точками, т. е. будет сохраняться его амплитуда колебания.
Рассмотренные колебания груза, подвешенного на нерастяжимой нити, известны в теории как колебания математического маятника (предполагается, что вес груза сосредоточен в одной точке). Такая схема удобна для анализа сущности процесса и вывода основных зависимостей.
В природе имеют место аналогичные системы с колебаниями тел, называемых физическим маятником. К таким телам, в частности, относятся маятники настенных и напольных часов.
Физическим маятником называется твердое тело, имеющее неподвижную горизонтальную ось (ось подвеса) и могущее под действием собственного веса совершать вокруг этой оси вращательные движения колебательного характера.
Мы будем рассматривать маятник, который колеблется вокруг неподвижной горизонтальной оси в одной плоскости. Такой маятник называют обыкновенным или круговым. Круговые маятники применяются в настенных напольных и отдельных типах настольных часов, т. е. в стационарных приборах времени, и называются регуляторами хода.
Для того чтобы колебания маятника могли служить для целей измерения времени, период их должен быть строго постоянен и не зависеть от амплитуды. Время одного полного колебания при большой и малой амплитудах должно быть одно и то же, т. е. должна сохраняться изохронность колебаний.
Известно, что колебания маятника не строго изохронны, поэтому в часах применяются специальные устройства для того, чтобы, с одной стороны, обеспечить постоянство амплитуды, а с другой — уменьшить влияние изменения ее на период колебаний.
Более подробно о работе маятника в часах будет рассказано в § 6 гл. III. По аналогии с пружинным маятником периодом колебания кругового маятника называется время, которое необходимо на перемещение его из положения равновесия в одну сторону и возвращение его в прежнее положение.
Амплитудой колебания такого маятника называется угол его наибольшего отклонения от положения равновесия.
В часах настенных, напольных и в отдельных типах настольных в качестве регулятора хода применяют маятник.
Маятник, а также некоторые связанные с ним детали играют существенную роль в работе часового механизма.
Если механических часах маятник является только регулятором хода, то в часах с электрическим приводом он, кроме того, является двигателем для механизма, выполняющего функции включения тока.
В зависимости от типа часов маятник на свободном своем конце имеет груз в виде линзы или цилиндрической гири. В отдельных типах часов груз может быть в виде двух цилиндрических гирь. Линзы применяются в целях уменьшения сопротивления воздуха. Стержень маятника часов, как правило, бывает легким, но жестким, груз тяжелым и сосредоточенным.
Маятник, не связанный с двигателем, после вывода из состояния покоя, совершив некоторое количество колебаний, останавливается. В рабочем состоянии маятник получает часть энергии двигателя, за счет чего поддерживается постоянство его колебаний.
Период колебания маятника зависит от амплитуды (размаха). При уменьшении амплитуды период колебания маятника уменьшается, и наоборот. Амплитуда колебания маятника в часах зависит от изменения плотности и влажности воздуха, от температуры окружающего воздуха, от изменения сил трения в самом часовом механизме, вследствие износа зубьев колес и, цапф осей, а также загустевания масла и т. д.
Период колебания маятника определяется его приведенной длиной, т. е. расстоянием между точкой подвеса и центром его качания. Центр тяжести маятника лежит выше центра качания.
Маятник в часах особенно чувствителен к резким изменениям температуры, вызывающим изменение длины стержня маятника. При повышениях температуры маятник удлиняется, период колебания увеличивается, часы отстают, и наоборот. Разность в показаниях между эталоном и проверяемыми часами называется поправкой. Среднесуточное отклонение часов называется вариацией. Чем точнее работают часы, тем меньше их вариация.
В процессе ремонта часов возникает необходимость регулировки их хода. Регулировка, как правило, связана с регулировкой приведенной длины маятника. Изменение приведенной длины производится смещением маятника вверх или вниз в зависимости от результатов их суточных показаний.