Bản Replica Hoạt Động của Helio-Chronometer Pilkington & Gibbs (đầu TK 20)

Tóm tắt

Heliochronometer của Pilkington & Gibbs được xem là đỉnh cao kỹ thuật của các loại đồng hồ mặt trời thời kỳ cận hiện đại, kết hợp sự tinh xảo cơ khí với khả năng canh giờ thực dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Việc tích hợp hiệu chỉnh vĩ độ, kinh độ và Phương trình Thời gian (Equation of Time) thông qua cụm cam cơ khí giúp người dùng suy ra giờ trung bình (mean time) với độ chính xác rất ấn tượng so với thời đó; tức < 1 phút.

                                          Hình 1:  Quảng cáo Helio-chronometer Pilkington & Gibbs (bản gốc)

Thiết kế và chức năng

Heliochronometer hoạt động như một đồng hồ mặt trời “universal”, có thể chỉnh theo vĩ độ, kinh độ và Phương trình Thời gian hằng năm (EoT). Một cơ cấu cam sẽ áp dụng phần hiệu chỉnh này, cho phép đổi từ giờ mặt trời sang giờ trung bình mà không cần tính nhẩm. Bản replica có kích thước 210 x 210 x 300mm (Dài x Rộng x Cao) và mô phỏng rất sát thiết kế gốc về đặc trưng và dáng vóc. Với kết cấu PETG, tổng khối lượng khoảng 730 gram.

Các bộ phận chính và cách vận hành

• Đĩa và tay quay (Rotating Discs and Arms): Đĩa lớn có vạch giờ, đĩa nhỏ chỉnh theo các tháng. Ánh sáng đi qua các lỗ trên Sight và khi canh thẳng với Screen sẽ cho biết thời điểm chính xác trên mặt số giờ chính;

• Chỉnh vĩ độ (Latitude Adjustment): Thông qua một cung chia góc (quadrant) ở đế để đặt đúng độ ngẩng của đĩa trên. Type-1 dùng bệ dạng bát (bowl mount), còn Type-5 là bệ dạng lưỡi liềm (crescent mount). Cả hai biến thể đều được cung cấp trong thiết kế này;

• Canh theo kinh tuyến chuẩn (Meridian Alignment): Khi đặt đúng hướng theo kinh tuyến chuẩn của múi giờ, đồng hồ sẽ chỉ đúng Greenwich hoặc Local Mean Time.

                                   Hình 2:  Phân rã các bộ phận chính của bản gốc với Type-1 Bowl Mount

• Hệ chỉnh EoT gồm cam, cam follower & cơ cấu lò xo: Hệ này áp dụng các hiệu chỉnh theo mùa và khác biệt kinh độ. Cam là giải pháp cơ khí thay cho đường cong analemma thường được khắc trên các heliochronometer điển hình.

                                  Hình 3: Ảnh X-ray cho thấy cam EoT nằm bên dưới mặt số tháng.

Lịch sử

George James Gibbs (1866 – 22 tháng 2, 1947) là nhà thiên văn học, kỹ sư, nhà phát minh và giảng viên khoa học đại chúng. Năm 1906, Gibbs nộp đơn xin bằng sáng chế cho một thiết kế đồng hồ mặt trời mới—Universal Equinoctial Mean Time Helio-chronometer (hay Heliochronometer), thường được biết đến là Gibbs Heliochronometer—có khả năng chỉ Greenwich Mean Time với sai số khoảng một phút ở bất kỳ vĩ độ nào và vào bất kỳ mùa nào. Thiết bị này giải quyết một nhu cầu thực tế nảy sinh sau khi thời gian được tiêu chuẩn hóa vào thập niên 1880, một vấn đề chỉ thật sự được giải quyết triệt để khi tín hiệu giờ vô tuyến (radio time signals) phổ biến vào thập niên 1920. Do không đủ vốn để tự thương mại hóa, Gibbs hợp tác với người chủ của mình là William Renard Pilkington; cả hai thành lập Messrs. Pilkington & Gibbs Ltd. Helio-chronometer được bán với giá từ £7 10s đến £15 15s và được tiếp thị cho nhóm khách hàng thượng lưu, trong đó tài liệu quảng bá có nhắc tới các đơn đặt hàng từ những người bảo trợ nổi bật, bao gồm HM The King.

Các thiết bị này được quảng bá vừa như máy đo thời gian chính xác vừa như vật trang trí cho các điền trang lớn, rất hợp với xu hướng thiết kế cảnh quan đầu thế kỷ 20 và xuất hiện trong những khu vườn do các nhân vật như Mawson và Lutyens thiết kế. Về sau, trong quan hệ hợp tác phát sinh căng thẳng khi Pilkington tìm cách xin bằng sáng chế cho các thiết bị tương tự vào các năm 1911 và 1913, khiến Gibbs ghi nhận rằng các nỗ lực đó nhằm tránh trả tiền bản quyền cho ông. Việc sản xuất dừng lại khi Thế chiến thứ nhất bùng nổ năm 1914, và không có bằng chứng cho thấy quan hệ hợp tác còn tiếp tục sau năm 1923. Dù trước chiến tranh đã sản xuất khoảng 1.000 helio-chronometer, nhiều chiếc về sau bị thất lạc do các chiến dịch thu gom tái chế kim loại trong Thế chiến thứ hai. Đáng tiếc, hiện chỉ biết còn khoảng 50 chiếc tồn tại, và trong số đó ước chừng chỉ khoảng 30 đến 38 chiếc có khả năng hoạt động (hoặc có thể làm cho hoạt động lại) ngày nay.

Nguyên lý của P&G Helio-Chronometer

(Tham khảo Hình 4) Gắn trên một bệ đỡ, nhưng có thể trượt xoay quanh trên đó, là mặt plate A, trên đó có hai tay dựng đứng gọi là sight và screen tương ứng tại E và F. Trên sight E có hai lỗ nhỏ, và dụng cụ được đặt sao cho mặt trời luôn chiếu một tia sáng đi qua một trong các lỗ này (tùy theo mùa) lên screen F. Trên vành của plate có khắc các giờ, và plate B nhỏ hơn, lắp trên A, mang thang tháng. Phút và ngày lần lượt nằm trên các sector cố định là C và D.

Cách đọc giờ

(Tham khảo Hình 4) Cách xem giờ tương đối đơn giản. Xoay plate B đến khi ngày trong tháng hiện đúng tại sector D. Sau đó xoay plate A lớn để tạo một chùm sáng đi qua một trong các lỗ ở sight E và rọi đúng lên đường tâm khắc trên screen F. Khi đốm sáng được chia đôi (bisected), ta đọc được giờ đồng hồ đúng tại sector C, là thang Vernier phóng đại theo bước 5 phút, độ phân giải 30 giây.

                                     Hình 4:  Sơ đồ nhìn từ trên xuống của Heliochronometer (bản gốc)

Định nghĩa:

• A — mặt số giờ chính;

• B — mặt số tháng bên trong (xoay được);

• C — sector phút cố định ở vành ngoài;

• D — sector ngày cố định trên mặt số chính;

• E — sight di động với hai lỗ kim theo mùa;

• F — screen cố định có khắc đường chia đôi.

Tia nắng đi qua E và tạo một đốm sáng trên F. Nhiều vị trí mặt trời theo mùa được chỉ ra và gắn nhãn theo mùa; ví dụ: summer, equinox, winter, với các tia hội tụ về screen lỗ kim E, minh họa cách các góc cao mặt trời khác nhau vẫn tạo được ảnh chiếu sáng hữu dụng.

Cài đặt in (Printer Settings)

Lưu ý: Dials & crescents có hai lựa chọn in, cụ thể:

1. Với các chi tiết in hai màu như dials & crescents, dùng file 3MF. Các file này chồng (superimpose) mặt số chính và phần chữ như các object riêng để bạn gán màu khác nhau khi in;

2. Nếu bạn thích kiểu khắc chìm (engraved), chỉ cần dùng các part chính (các file STL) mà không dùng các part chữ tách riêng;

3. Infill: 15–20% là đủ, ngoại trừ alidade arm, cam follower & spring nên để 100% để tăng độ bền và độ cứng;

4. Layer Height: 0.20mm là đủ;

5. Infill: mẫu Grid;

6. Vật liệu: PETG. Để tăng khả năng chịu ngoài trời, cân nhắc phủ sơn bảo vệ trong suốt chống UV. Nếu bạn bị delamination, quá nhiều stringing hoặc blobs, thử dùng các thông số sau:

Hướng dẫn lắp ráp

Xem hướng dẫn đi kèm trong phần file.

Hướng dẫn cố định & căn chỉnh Helio-chronometer

(Nguyên văn từ manual của P&G, kèm thêm hướng dẫn canh chỉnh từ tài liệu tham khảo 1)

Lắp đặt bệ (Pedestal Installation)

1. Đảm bảo pedestal P (xem Hình 5) cân bằng và vững chắc, và rag bolt R ở giữa (không gắn đai ốc) được cố định chắc vào pedestal. Nếu rag bolt thấy lỏng, gắn lại bằng keo epoxy 2 thành phần, đồng thời bảo vệ ren bằng băng keo cách điện trong quá trình này. Dùng thước thủy cân chất lượng kỹ thuật để kiểm tra các hướng chính (cardinal directions) trên pedestal.

                                                          Hình 5: Mặt cắt lắp đặt pedestal (bản gốc)

2. Dùng 3 lỗ trên các gân (webs) của base plate G phía dưới bố trí cách nhau 120° (xem Hình 6), chuẩn bị ba con grub screw inox M5 x dài 15 mm.

                                                 Hình 6:  Vị trí grub screw trên lower base plate (replica)

3. Lắp lower base plate G lỏng trên rag bolt và chỉnh ba grub screw tỳ lên các miếng đồng (hoặc đồng xu cũ) cho đến khi base plate cân bằng hoàn toàn. Thực tế thì grub screw sẽ gần như ngang mặt trên của base plate để tránh vướng khi lắp upper base plate. Lắp đai ốc rag bolt và siết cẩn thận: kiểm tra độ cân bằng và dùng vít chỉnh để hiệu chỉnh lại. Đây là cách cân bằng chính xác với khả năng kiểm soát tốt, hơn hẳn việc chêm shim vốn dễ trượt khi siết lần cuối. Nếu đây là lắp đặt cố định lâu dài, đánh dấu vị trí góc của base plate trên pedestal rồi tháo ra. Bảo vệ ren rag bolt và sáu lỗ ren kẹp bằng băng keo cách điện ở cả hai phía. Chuẩn bị một ít vữa cứng hoặc tốt hơn là epoxy, đặt lượng phù hợp vào các vị trí cần thiết trên pedestal, rồi lắp lại lower plate đúng vị trí đã đánh dấu, ấn xuống đến khi chạm các vít cân bằng và miếng đệm. Lắp đai ốc rag bolt và siết cẩn thận, đồng thời kiểm tra độ cân. Đảm bảo epoxy hoặc vữa không bám/đóng trên các bề mặt gia công nhìn thấy được. Khi epoxy bắt đầu đông, vặn thêm một chút sẽ chuyển tải trọng từ các vít cân bằng sang diện tích epoxy lớn hơn.

Thiết lập & canh chỉnh (Setting up & Alignment)

1. Đặt pedestal hoặc bệ đỡ cố định ở vị trí nhận nắng tối đa. Hai đến ba tiếng quanh buổi trưa là giá trị nhất, và cần lưu ý để nắng thấp mùa đông không bị che;

2. Đặt upper base clamp cùng dụng cụ lên base plate G và lắp sáu con ốc nối cả hai ở trạng thái lỏng để dụng cụ có thể xoay tự do;

3. Chỉnh độ ngẩng của dụng cụ theo vĩ độ nơi lắp đặt;

4. Chỉnh month dial B (xem Hình 4) đến đúng ngày hiện tại và chỉnh hour circle A theo giờ đồng hồ thật, rồi xoay cả cụm quanh base clamp cho đến khi mặt trời tạo một đốm sáng đi qua một trong các lỗ ở sight E, đúng ngay đường tâm của screen F. Siết chặt sáu con ốc để cố định upper base clamp.

Tài liệu tham khảo:

1.     British Sundial Society Bulletin, Volume 18(ii), June 2006, A REVIEW OF THE HELIOCHRONOMETERS BY PILKINGTON & GIBBS, Part 1. The design and accuracy of the Gibbs Helio-Chronometer, GRAHAM ALDRED.

2.     British Sundial Society Bulletin, Volume 18(iv) December 2006, MAKING REPLACEMENT SPRINGS FOR A PILKINGTON & GIBBS HELIO-CHRONOMETER, TONY MOSS.

3.      Photographs from:  https://equation-of-time.info/cams