שעון המטוטלת הראשון הומצא על ידי כריסטיאן הויגנס, בעקבות מחקרו של גלילאו גליליי. עם הופעתם של שעוני העץ של ג'ון הריסון, שהיה חרש עץ ובנה את שעוניו מעץ (אבל גם מחומרים אחרים), נוצרה מגמת-משנה לבניית שעוני מטוטלת מעץ. עם התפתחות המיכון והוזלת מחירם של כלי העבודה, התרחבה מגמה זו וכמה אלפי אנשים בונים היום שעוני-עץ[דרוש מקור]. יש להבדיל בין שעוני-עץ מלאים, שהתמסורת שלהם (גלגלי השיניים ומנגנון העברת הכוח) עשויים מעץ, משעוני מטוטלת, שהתיבה שלהם עשויה מעץ, והמנגנון בנוי ממתכת.
בדרך כלל, בונה שעונים רוכש את גלגלי השיניים ושאר חלקי השעון מיצרן, לפי תקן מוגדר, בעוד שיוצר שעוני העץ יכול לעצב את המנגנון לפי ראות עיניו, אף שניתן למצוא חריגים לכך. קיומן של האגודות ההורולוגיות מגדיל את מגוון האפשרויות, כי חברי אגודות אלו בונים שעוני עץ ומתכת בעבודת יד. קיומו של האינטרנט הפך את הידע לחופשי ומספר לא מבוטל של חובבי שעונים ועץ הצטרפו לפעילות זו. רוב בוני שעוני-העץ היום נמצאים באנגליה, ארצות הברית וגרמניה, אבל, יש בוני שעונים גם בספרד, ברזיל, ישראל, רומניה ומדינות נוספות. בניית שעון-עץ נתפסת בעיני רבים כביטוי ליכולת ביצוע בעץ, הנדסה ודיוק.
היסטוריה
שעונים נבנו על ידי בני אדם מאז קדמת דנא. אולם, הערך הנוכחי עוסק רק בשעוני עץ שהם שעוני מטוטלת. אם כך, שעוני המטוטלת הראשונים שעוררו עניין מחד, והיו עשויים עץ מאידך, הם שעוניו של ג'ון הריסון. מאז שג'ון הריסון בנה את שעוני העץ שלו (ב-1713 נבנה השעון הראשון), החלה פעילות בנייה ערה של יוצרים, מעצבים ובוני שעונים של שעוני עץ, שתמסורת המנגנון שלהם עשויה עץ. סביב בניית המחגר וגלגל התזמון התפתחה ספרות ענפה, שיועדה לבתי ספר לבניית שעונים בפרט, ולשענים בכלל. לאחר שהריסון פיתח את מחגר החגב, קמה שורה של ממציאים, אנשי מדע ובוני שעונים, שיצרו עיצובים ייחודיים למחגר ולגלגל התזמון. כך קרה, שסימן ההיכר של התפתחות השעונים נמדד לפי עיצובם של שני מרכיבים אלו. לא ידוע מי המציא את המנגנון המכני של שעון המטוטלת. ייתכן שמנגנון זה הומצא על ידי הערבים בתחילת האלף הראשון לספירה.
לוח זמנים כללי של התפתחות שעוני מטוטלת:
המחגר Verge Escapement שימש בשעון של כריסטיאן הויגנס. החלק המשונן נקרא "כתר" בשל צורתו.
ימי הביניים - מחגר לא קיים בצורתו המקובלת, אלא כרכיב שנקרא Verge Escapement (ראו תמונה משמאל).
מחגר גראהם על גלגל תזמון עם עוקצים.
1602 - גליליאו גליליי ממציא את רעיון שעון המטוטלת, אך לא מסיים את התכנון. שעונים אלו עשויים מתכת.
1656 - כריסטיאן הויגנס ממציא את שעון המטוטלת ונבנה השעון הראשון. בשעון זה, המחגר מסוג Verge Escapement.
1657 - רוברט הוק ממציא את מחגר העוגן (Anchor Escapement) וגלגל התזמון מקבל צורה של גלגל עוקצים.
1713 - ג'ון הריסון בונה את שעון העץ שלו ומפתח לאורך הזמן את מחגר החגב.
מחגר חגב אופייני. קיימים דגמים רבים של מחגרי חגב. מחגר החגב הומצא על ידי ג'ון הריסון.
1715 - ג'ורג' גרהאם (George Graham) משפר את מחגר העוגן ואת גלגל העוקצים המהווה גלגל תזמון.
עם הופעת שעוני הכיס, שגם אותם המציא כריסטיאן הויגנס, ולאחר מכן, עם הופעת שעוני הקוורץ פסקה התפתחותם של שעוני המטוטלת ונמצאו דרכים מדויקות יותר למדוד זמן. עם זאת, הצלחתו של ג'ון הריסון לא נשכחה ובמאה העשרים החלו בוני שעונים לבנות שעוני עץ וליצור פיתוחים חדשים.
מבנה כללי של שעון מטוטלת
המטוטלת
מטוטלת השעון בנויה מהחלקים הבאים:
בסיס. עליו מורכב החיבור המתנודד.
חיבור מתנודד. לרוב זו טבעת עץ בעלת שני נקבים. בנקב אחד מושחל פין מושחז בקצהו ובנקב השני מורכבת זרוע המטוטלת. חיבור זה מורכב על בסיס המטוטלת.
זרוע.
משקולת מטוטלת.
המטוטלת היא הגורם המתזמן של השעון. תנודת המטוטלת היא הגורם באמצעותו מכוון בונה השעונים את השעון. כיול זה נעשה באמצעות מיקומה של משקולת המטוטלת על זרוע המטוטלת. בבניית שעוני עץ, המטוטלת עשויה, לרוב, כמו שאר השעון מעץ. סוגי העץ המתאימים לבניית המטוטלת הם עצים קשים, אשר אין משמעות לקצב ההתפשטות (בחום) או ההתכווצות (בקור) שלהם. כך למשל, עץ אשור, שהוא עץ קשה, אבל מקיים משרעת תנועה רחבה (7%–12% שנתי) מתאים לבניית המטוטלת, למרות קצב התפשטות-התכווצות רחב, אבל, לא יתאים לשאר חלקי השעון, כאשר בונים את השעון באקלים חם. הסיבה לחופש היחסי בבחירת עצים למטוטלת נובע מהעובדה שהיא נעה על ציר עצמאי ומתוזמנת על ידי המחגר.
מנוף המטוטלת
מנוף זה מחובר אל ציר המחגר ובקצותיו שני פינים, הלוכדים את זרוע המטוטלת, ובעת תנועת המחגר, מניע המנוף את המטוטלת. את מנוף המטוטלת ניתן לבנות מכל עץ, וכמו המטוטלת, אין משמעות למשרעת ההתפשטות-התכווצות של חלק זה בשעון, בהיותו מורכב על ציר מתכת ומקובע אליו. המחגר מתאם את תנועת המנוף. לרוב, בוני שעוני העץ יבחרו לבנותו מאותו סוג עץ ממנו בנויה המטוטלת מסיבות אסתטיות.
המחגר
מחגר עוגן מתכוונן
המחגר ממוקם, לרוב, מעל גלגל התזמון ומניע את מנוף המטוטלת. חלק זה דורש בנייה, חיתוך וליטוש מדויקים. קיימים סוגים רבים של מחגרים, אבל המחגרים הנפוצים בשעוני מטוטלת מעץ הם מחגר העוגן ומחגר החגב. מחגר העוגן נפוץ יותר בהיותו קל יותר לחיתוך במכשירים כמו מסור נימה. להבדיל מהעבודה הנעשית לרוב בשעוני מתכת, שם יצרני מנגנון מספקים את חלקי השעון לבוני שעונים, בונה שעון העץ יכול ליצור ולעצב את המחגר ככל העולה על רוחו, ואכן, עד היום, בוני שעוני עץ ממשיכים ליצור מחגרים ייחודיים. התוצאה היא, שמגוון מחגרי העץ גדול בהרבה ממגוון מחגרי המתכת. העצים המשמשים לבניית מחגר העץ הם עצים קשים עם משקל סגולי, הנע בין 0.8 ל-1.2. עצים כמו: אלון, אדר, ספלי מהגוני ואגוז, מתאימים לבניית מחגר. לרוב, כדאי לבנות את המחגר מהעץ המשמש לבניית התמסורת. על הציפורן החוגרת (הזיז, שבא במגע עם גלגל השיניים) לעמוד במכות של שיני גלגל התזמון, וקל יותר ללטש עצים קשים. קווים מנחים אלו עומדים בבסיס מערכת השיקולים של בונה שעוני-עץ, בבואו לבנות את המחגר או אף קודם לכן - בבואו לעצב את אופן פעולתו ומראהו.
גלגל התזמון
ממוקם מתחת למחגר ומניע את המחגר. את גלגל התזמון יש לבנות מעץ קשה, שמשרעת התנועה שלו (כלומר, קצב ההתפשטות-התכווצות של העץ) קטנה. בוני שעוני-עץ משלבים שני עצים מודבקים, כאשר כיוון סיבי העץ צולבים (מאונכים זה לזה) (יצירת לביד), ובכך מקטינים מאוד את משרעת התנועה של גלגלי השיניים בכלל, ואת משרעת התנועה של גלגל התזמון בפרט. הקושי הנובע מעבודה בשיטה זו נוצר מהעובדה, שככל שהעץ קשה יותר כך קשה יותר להדביקו. כמו כן, חלק מהעצים הקשים הם שומניים במקצת ודבקים חזקים לא מצליחים להדביקם היטב. לכן, בוני שעוני-עץ רבים מעדיפים עדיין לבנות גלגלי שיניים שאינם עשויים לביד. במאה ה-21, החיתוך של גלגל התזמון נעשה במסור נימה חשמלי, אך בעבר נעשה במקדח ובמסור נימה ידני. עיצוב השיניים וליטושן דורש מידה עצומה של דיוק. לאחר ייצור גלגל התזמון בפרט, או כל גלגל שיניים אחר, יש ללטש ולשייף מחדש את קצות השיניים במלטשת או בגלגל ליטוש על מחרטה, כדי לדייק את היקף הגלגל ולקבל תנועה מעגלית מדויקת. לרוב שיני גלגל התזמון ייחודיות ביחס לשאר גלגלי התמסורת של השעון, והן מהוות סדרת מנופים המניעים את המחגר. הרווח בין השיניים של גלגל התזמון גדול ומאפשר את תנועת הציפורן החוגרת. רווח זה מחושב לתדירות תנועת המטוטלת. העצים המשמשים לבניית גלגל התזמון הם עצים קשים עם משרעת תנועה קטנה. החוזק והעמידות של העץ חשובים במיוחד, היות שכל שן מכה על ציפורן המחגר אלפי פעמים ואסור שתישבר. מתוך כך, בוני שעוני-עץ משקיעים מאמץ רב בתכנון של גלגל התזמון ובמבנה השן. גלגל התזמון מסתובב על צינור עץ, אותו מייצרים במחרטת עץ. צינור עץ זה מהווה מסב עבור גלגל התזמון. חלק מבוני שעוני-העץ, העושים שימוש גם בחלקי מתכת בבניית השעונים, משלבים לפעמים מסבי מתכת בצינור העץ להפחתת החיכוך.
תמסורת
גלגל תזמון
תמסורת השעון היא תמסורת מכנית בדומה לתמסורת המאפיינת תיבת הילוכים, ומורכבת מגלגלי שיניים המניעים את גלגל התזמון. היחס בין גלגלי השיניים בתמסורת מבטא יחסי כוח והנעה, קצב, ומספר השיניים והיקף הגלגלים מושפע מכך. סוגי העץ המשמשים לבניית תמסורת שעון העץ לרוב זהים לאלו המשמשים בבניית גלגל התזמון, אבל, לעיתים משתמשים בסוגי עץ זולים יותר. הקושי הרצוי של העץ מגיע מעצים בעלי משקל סגולי גבוה ומשרעת התפשטות צרה, דהיינו, עצים קשים דיים לבניית גלגלי שיניים דקים, העומדים בעומס הנוצר בין גלגלי השיניים בעת שמשקולת ההנעה מפעילה כוח על מערך התמסורת. לרוב, מעצבים את השיניים בגלגלי התמסורת עם זווית של 20 מעלות, אבל, קיימים שעונים בהם שיני גלגל השיניים מעוצבים כקשת או משלבים כמה עיצובים באותה תמסורת. עיצוב שיני התמסורת חשוב להפחתת החיכוך בין גלגלי השיניים. הגלגלים נחתכים במסור נימה או בשילוב של מסור נימה ומקדח. כל גלגל עובר שיפור דיוק היקף התנועה שלו על מחרטת עץ או מלטשת, כל גלגל עובר ליטוש שיניים משני, שן אחר שן. ככל שזמן פעולת השעון בין דריכות משקולת ההנעה גדל, כך גדל מספר גלגלי השיניים המשתתפים בפעולתו - ומכאן הגידול בחיכוך והצורך בדיוק.
צינורות
גלגלי התמסור וגלגל התזמון מורכבים על צינור, המשמש כמסב לשעונים בכלל, ולשעוני-עץ בפרט. הצינורות מיוצרים על ידי בונה שעון-העץ במחרטת עץ. העץ המשמש לחריטת צינורות אלו הוא, לרוב, עץ קשה, ובדרך כלל, בונה השעונים יבחר אותו מהמלאי של העץ, המשמש לבניית התמסורת. משרעת תנועת העץ של הצינורות דורשת חישוב נוסף ביחס לציר המתכת עליו מורכב הצינור. חלק מבוני השעונים מרכיבים לתוך צינור העץ מסב כדורי להפחתת החיכוך. אולם, בוני שעוני-עץ, המבקשים לבנות שעונים מסורתיים, נמנעים מכך מטעמי שימור המסורת.
משקולת הנעה
משקולת ההנעה תלויה על כבל, המלופף סביב גלגלת המנגנון. המשקולת תורמת את הכוח הדרוש להפעלת השעון. ככל שהחיכוך במנגנון התמסורת גדול יותר, כך תידרש משקולת כבדה יותר. גם אורך זרוע המטוטלת ומסת משקולת המטוטלת יקבעו את מסת המשקולת הדרושה להנעת השעון. לרוב, בונים את המשקולת מגליל עץ, שניתן למלאו בכדורי מתכת ולכוונן את מסת המשקולת המבוקשת.
מסגרת
למסגרת שעון-העץ חשיבות גדולה בבניית השעון, כי היא קובעת את מערך המרווחים בין גלגלי השיניים. כמו כן, מסגרת השעון היא רכיב עיצובי חשוב ותורמת לייחודיות של השעון. את מסגרת השעון ניתן לבנות מכל סוג עץ העולה על הדעת, והקו המנחה הוא בעיקר עיצובי. מסגרות העץ בחלק משעוני-העץ מעוטרות ברכיבים קישוטיים, אבל, מסגרות שלד, המוכנסות לתיבת השעון, פשוטות בהרבה, כי האלמנטים העיצוביים מועברים לתיבת השעון.
אופן הבנייה
תכנון
תכנון של שעון-עץ מושפע במידה רבה מסוגי העצים העומדים לרשותו של בונה השעונים, אבל, שיקולים כמו גודל השעון והמכשירים לחיתוך גלגלי השיניים יקבעו את עיצובו במידה לא מעטה. תכנון גלגלי השיניים יביא בחשבון את אופן החיתוך. בוני שעונים מסוימים חותכים את גלגלי השיניים במסור נימה ואחרים במכונות CNC. אופן חיתוך גלגלי השיניים היה גורם מגביל בעיצוב ובתכנון של שעונים במשך מאות שנים. בימים עברו, בונה השעונים היה משרטט את התוכנית על גיליונות שרטוט באמצעות כלי שרטוט. לאחר מכן, היה מעתיק את השרטוט ללוחות העץ הנבחרים לבניית השעון והיה מוכן לשלב החיתוך. בימינו, בוני שעונים מדפיסים את התוכנית ומדביקים אותה ישירות על לוח העץ בדבק מתאים. לאחר החיתוך, משוחררת שארית השרטוט באקדח חום.
בחירת חומרים
סוגי העץ המשמשים לבניית שעוני-עץ הם עצים קשים, כמו: אלון, אדר, מהגוני אגוז ועוד. על בונה השעונים לבחור בעצים המתאימים לאקלים בו הוא אמור לפעול. ג'ון הריסון השתמש בליגנום ויטה ובוני שעונים בני זמננו בונים אותם גם מעץ אשור. בישראל, עץ האשור פסול לבניית שעונים בשל מקדמי ההתפשטות-התכווצות הגדולים שלו באקלים ים-תיכוני. לעומת זאת, בוני שעוני עץ באנגליה משתמשים בעץ זה בהצלחה, היות שהאקלים בסביבתם אינו כה יבש או חם.
חיתוך ושיוף חלקי שעון העץ
חיתוך גלגלי השיניים ושאר חלקי השעון נעשה במסור נימה. את החיתוך מבצעים על לוח העץ עליו מודבקת התוכנית, וקווי התוכנית משמשים קווי הדרכה לחיתוך. בוני שעונים החותכים את חלקי שעון העץ במכונת CNC, מעבירים את התוכנית למחשב מכונת ה-CNC והמכונה חותכת עבורם את חלקי השעון. במקרה זה, התכנון כולו ממוחשב. לאחר החיתוך, יש לשייף את שיניי גלגלי השיניים וללטש את כל חלקי השעון. כאן נעוץ ההבדל הגדול בין שעונים עשויי עץ לשעונים עשויי מתכת - ניתן לכוונן את השעון, בעזרת שיוף גלגלי השיניים, כוונון סופי.
הרכבה הרצה וכוונון
לאחר חיתוך ושיוף חלקי השעון ניתן להרכיבו על המסגרת ולהכינו להרצת חלקים ולבדיקת תנועות חלקות של גלגלי השיניים ובמיוחד של גלגל התזמון. בשלב האחרון בבניית השעון, בונה השעונים מכוונן את דיוקו בעזרת הנעת משקולת המטוטלת ונעילתה בגובה המתאים על זרוע המטוטלת.
