Das Prinzip des Tourbillons

Doch wie viele Menschen verstehen wirklich, wie dieses bei Uhrenliebhabern und Sammlern so begehrte Juwel der Uhrmacherkunst wirklich funktioniert? Viele Definitionen des Tourbillons bezeichnen es zwar als Konstruktion, die die Auswirkungen der Schwerkraft auf den Gang einer Uhr kompensieren soll, aber die Erklärung geht selten darüber hinaus. Was sind diese Gravitationseffekte? Wie wirken sie sich auf die Funktionsweise einer Uhr aus? Und schließlich: Wie gleicht das Tourbillon diese unerwünschten Effekte aus?

Um die Probleme der Gravitation sowie die Art und Weise zu verstehen, wie der Tourbillonmechanismus zu ihrer Lösung beiträgt, hier zunächst ein kurzer Überblick über die Grundlagen. Taschenuhren und später Armbanduhren entstanden dank der entscheidenden Erfindung der Spiralfeder durch den niederländischen Mathematiker, Physiker und Astronomen Christiaan Huygens anno 1675.

Diese baute auf den Studien von Galileo Galilei auf und ergab sich aus Huygens’ Forschungen über Pendeluhren. Seine Analyse der Physik von Pendeluhren führte zur Spiralfeder, die der Erfinder später für die Konstruktion einer Taschenuhr verwendete. Er stufte die Pendel und Spiralfedern als Oszillatoren ein und konzentrierte sich besonders auf ihre anisochronen Eigenschaften, also die Art und Weise, wie sich ihre Schwingungsperiode oder Kadenz mit der Amplitude der Schwingung verändern würde.

Aufgrund dieser Studien formulierte er eine Theorie über die Wirkungen der Rückstellkräfte von zwei Oszillatorenarten: Pendeln und Spiralfedern. Wird ein Pendel aus dem Zentrum (seiner tiefsten Position) bewegt, wirkt die Erdanziehung als Rückstellkraft auf das Pendel ein, um es zum Zentrum zurückzubringen.

Je größer der Ausschlagwinkel genannte Winkel zwischen der aktuellen Position und jener auf seinem niedrigsten Stand in der Mitte seines Schwingungsbereichs ist, umso stärker ist die Rückstellkraft im Vergleich zu kleinen Winkeln. Stellen Sie sich einen Winkel von 90 Grad vor: In dieser Position zieht die gesamte Schwerkraft das Pendel entlang seines Bogens zurück. Umgekehrt wirkt bei einem sehr kleinen Winkel nur eine kleine Komponente der Gravitationskraft, um das Pendel in seine unterste Position zu befördern.

Mit anderen Worten: Die Rückstellkraft des Pendels ist nicht linear und ändert sich mit dem Winkel. Daher wird die Geschwindigkeit der Hin-und-Her-Bewegung durch den Schwingungswinkel beeinflusst. Bei großen Schwingungswinkeln ist die Geschwindigkeit langsamer als bei kleinen.

Bei einem idealen Oszillator würde sich die Geschwindigkeit nicht dem Winkel entsprechend ändern. Dieser ideale Oszillator wird als „isochron“ bezeichnet. Da sich die Geschwindigkeit der Pendelschwingungen nicht linear mit dem Winkel ändert, ist das Pendel kein isochroner Oszillator. Es nähert sich diesem Ideal eines isochronen Oszillators lediglich an.

Huygens war der Ansicht, eine mit einer Spiralfeder ausgestattete Unruh nähere sich dem Ideal besser als ein Pendel. Bei einer idealen Spiralfeder sollte die Rückstellkraft proportional zum Winkel sein. Mit anderen Worten: Wenn die Unruh um eine bestimmte Gradzahl gedreht wird, sollte das Drehmoment einer idealen Spiralfeder theoretisch proportional zur Gradzahl der Drehung sein. Je größer der Drehwinkel, desto stärker die Rückstellkraft.

Zusammenfassend gesagt könnte eine ideale Kombination aus Unruh und Spiralfeder theoretisch ein perfekt isochroner Oszillator sein, bei dem sich die Frequenz nicht mit dem Drehwinkel ändert (den Uhrmacher als „Amplitude“ bezeichnen).

Dennoch hat der theoretisch perfekte isochrone Oszillator von Huygens einige Unzulänglichkeiten, die sich in der Praxis zeigen und auf die wir zurückkommen werden.

Bei einer modernen Standardkonstruktion ist die Unruh an einer Achse befestigt. Diese Achse dreht sich normalerweise in den Löchern der beidseitigen Rubinlagersteine, die man auch als „Gegenlager“ bezeichnet. Bei einer solchen Konstruktion kann die Unruh frei schwingen, und die Reibung ist minimal.

Verschiebungen des Schwerpunkts können jedoch auch durch Ungenauigkeiten beim Auswuchten der Unruh selbst verursacht werden. Die Auswirkungen entsprechen jenen bei der Verlagerung des Spiralfederschwerpunkts.

Abnutzung/Reibung. Die Unruhachse wird beidseitig durch Loch- und Decksteine (in den vertikalen Positionen sind nur die Lochsteine und nicht die Decksteine für die Reibungsverluste verantwortlich) aus Rubin gestützt. Diese reduzieren zwar die Reibung im Vergleich zu früheren Konstruktionen erheblich, ohne sie jedoch ganz zu beseitigen. Vor allem in einer vertikalen Position der Uhr können verschiedene Faktoren zu einer Veränderung der Reibungsintensität führen, zum Beispiel leichte Verformungen der Achse oder der Zapfen und deren ungleichmäßige Abnutzung. In Positionen mit geringerer Reibung ist die Amplitude größer als in Positionen mit höherer Reibung.

Ölen. Mit der Zeit kann die Verteilung des Öls in den Lagersteinen ungleichmäßig werden. Wie bei der Abnutzung/Reibung kann dies dazu führen, dass die Reibung in einigen vertikalen Positionen höher und in anderen niedriger ist, wiederum mit entsprechenden Auswirkungen auf die Amplitude und die Kadenz.

All diese kleinen Auswirkungen der Schwerkraft auf die Amplitude und Kadenz treten vor allem auf, wenn sich die Uhr und ihre Unruh in einer vertikalen Position befinden, und sie variieren je nach Ausrichtung der Uhr. Aufgrund dieses und anderer Faktoren untersuchen Uhrmacher die Amplitude und Kadenz gewöhnlich in vier vertikalen Positionen: Krone oben, Krone unten, Krone links, Krone rechts.

Das Prinzip des Tourbillons besteht darin, dass sich die Komponenten des Regulierorgans, die den Gang aufrechterhalten – Unruh, Spiralfeder und Hemmung – laufend um 360 Grad drehen, so dass sich kleine Abweichungen gegenseitig aufheben. Mit der Rotation durchlaufen die Elemente Positionen, in denen die Kadenz sowohl schneller (geringere Amplitude) als auch langsamer (größere Amplitude) ist.

Ein Beispiel: Bei den Tourbillons der Marke Breguet variiert das Gesamtgewicht von Käfig, Unruh, Spiralfeder und Hemmung zwischen 0,290 und 0,895 Gramm.

Heutzutage drehen sich fast alle Tourbillons sowie sämtliche Modelle der Breguet-Kollektionen einmal pro Minute. Dies ermöglicht unter anderem, den Drehkäfig mit einem fixen Sekundenzeiger für die Anzeige einer kleinen Sekunde auszustatten.

Theoretisch ist es jedoch nicht notwendig, dass sich das Tourbillon einmal pro Minute drehen muss. Man kann die gewünschte Kompensation der Gangabweichungen auch mit anderen Frequenzen erreichen. So drehte sich etwa das erste Tourbillon von Abraham-Louis Breguet nur einmal alle vier Minuten.

Für Uhrenliebhaber ist es übrigens besonders faszinierend, zu beobachten, wie sich ein Tourbillon in einer Uhr dreht, die auf einer Zeitwaage montiert ist, welche seine Geschwindigkeit in Echtzeit misst. Auf dem Bildschirm der digitalen Zeitwaage ist eine perfekte Sinuswelle zu sehen, die repräsentativ für einen Tourbillonkäfig ist, der bei seiner Rotation Phasen der Beschleunigung und Verlangsamung durchläuft.

Nach der Entwicklung dieses Mechanismus lieferte die Werkstatt von Abraham-Louis Breguet am Quai de l’Horloge in Paris innerhalb von etwas mehr als zwei Jahrzehnten nur 35 Tourbillonuhren aus. Und zweifellos hätte er sich selbst in seinen kühnsten Träumen nicht vorstellen können, was für einen Aufschwung seine Erfindung erleben würde.

Allein die Marke Breguet bietet in ihrer aktuellen Kollektion parallel so viele verschiedene Tourbillonmodelle an, wie sie sein Gründer insgesamt gefertigt hat. Vor allem aber hat die Manufaktur seine Erfindung nicht als Museumsstück behandelt. Stattdessen konzentrierten die Uhrwerk-Konstrukteure von Breguet ihre kreative Energie auf die Grundlagen des Tourbillons und trieben seine Entwicklung voran.

Ein Beispiel dafür ist das extraflache Tourbillon in den Modellen Classique Tourbillon Extra-Plat, Marine Tourbillon Équation du Temps und Classique Tourbillon Extra-Plat Squelette. Um die Höhe des Uhrwerks zu verringern, änderte man die Art und Weise, wie die Energie an den Käfig geliefert wird, indem der Hemmungstrieb in das feststehende Sekundenrad eingreift.

Während bei der Standardanordnung der Käfig über einen unteren Trieb mit dem Räderwerk der Uhr verbunden ist, wird bei der extraflachen Architektur dieser Werke die Energie an einen Zahnkranz auf dem Umfang des Käfigs übertragen, was die Höhe entsprechend verringert, so dass das untere Zahnrad entfällt.

Diese beiden Neuerungen ändern jedoch nichts an den Prinzipien der Funktionsweise des Tourbillons.