Was ist das höchste Maß an Genauigkeit bei der Bewegungssteuerung, das eine viktorianische Gesellschaft erreichen könnte?

TL; DR: Sie können mit ziemlicher Sicherheit nicht besser als ein Zehntausendstel Zoll (~ 2,5 μm) auskommen.

Die Länge und Tiefe des Schnitts Ihrer hypothetischen Säge könnte möglicherweise auf diesen Maßstab genau sein. Die Herstellung einer Säge, die eine so feine Schnittbreite erzeugen könnte, ist für Ihre Viktorianer wahrscheinlich unpraktisch, wenn auch nur aus Materialgründen. Es ist jedoch theoretisch möglich, dass Diamant- oder Rubingravurspitzen der Aufgabe gewachsen sind.

Ihre Frage ist immer noch etwas schlecht spezifiziert, aber das allgemeine Problem der viktorianischen Präzision und der mechanischen Toleranzen sollte immer noch beantwortbar sein.

Beweisstück 1: Endmaße , speziell die von Carl Johannson . Er hat sie offenbar um 1896 erfunden und erhielt 1901 ein schwedisches Patent, wenige Monate nach Victorias Tod (gerade aus der eigentlichen viktorianischen Ära herausgeschlichen). Sein Kombinationsendmaßsatz umfasste 49 Blöcke mit Dicken von 1,01 mm bis 1,49 mm ( Quelle , PDF). Diese stellen nicht den Höhepunkt der Maßgenauigkeit dar, aber sie sind Dinge, die wiederholbar und zuverlässig hergestellt und als praktisches und beliebtes Handelsprodukt verkauft werden könnten.

Beweisstück 2: Mikrometer . Die mechanischen Prinzipien davon gab es schon lange, bevor Victoria auftauchte, aber Mikrometer zum Messen der Größe von Objekten anstelle der Winkel zwischen Sternen erschienen etwa zur Zeit ihrer Regierungszeit oder kurz davor. Henry Maudslay , der uns Schraubendrehmaschinen gab, hatte einen Mikrometer , der bis auf ein Zehntausendstel Zoll (~2,54 Mikrometer) messen konnte. Joseph Whitworth hatte 1844 ein Gerät mit ähnlichen Fähigkeiten, aber so gebaut, dass es etwas weniger empfindlich und praktischer für den allgemeinen Werkstattgebrauch war.

(Vielleicht erkennen Sie den Namen Whitworth auch aus dem British Standard Whitworth , einer Spezifikation für Schraubengewinde. Nicht so wichtig für die ultrafeine Bearbeitung, aber die wiederholbare Herstellung hochwertiger Teile ist ebenfalls wichtig, und Whitworth-Gewinde waren ein Teil davon wurde in der viktorianischen Ära gemacht)

Beweisstück 3: Whitworth hatte um 1830 auch eine Technik entwickelt , um Oberflächenplatten (eine bestimmte Art von Referenzebene ) auf eine Ebenheit von weniger als einem zehntausendstel Zoll zu bringen. Richtplatten sind für die Herstellung von hochpräzisen Werkzeugen von großer Bedeutung, da sie unter anderem die Möglichkeit bieten, hochwertige Winkellehren herzustellen.

Bei sorgfältiger Verwendung dieser drei Elemente sollten Sie in der Lage sein, mit Ihrer hypothetischen Säge sehr präzise mechanische Bewegungen auszuführen. Die Frage, wie man eine Säge herstellt, die der Aufgabe gewachsen ist, so feine Schnitte zu machen, bleibt dem Leser als Übung überlassen!

Die viktorianische Materialwissenschaft war einfach nicht annähernd so gut wie unsere. Ohne unsere ausgefeilte Metallurgie- und Keramiktechnologie wäre die Herstellung robuster Schneidwerkzeuge in dieser Größenordnung äußerst schwierig. Gravieren von Merkmalen in dieser Größenordnung könnte mit einer Diamant- oder Rubinspitze möglich sein, da bei allem anderen Materialverschleiß Ihre Präzision sehr schnell ruinieren würde. Ich kann jedoch nicht genug Details über die viktorianische Mikrogravur finden, um mehr darüber zu sagen, was in dieser Hinsicht möglich gewesen sein könnte oder nicht.

Weitere Informationen zu diesem Thema im Allgemeinen und nicht zum viktorianischen Ingenieurwesen im Besonderen finden Sie in The Foundations of Mechanical Accuracy (PDF, Originalbuch, gedruckt in den 70er Jahren).

Millimeter- und möglicherweise Submillimetergenauigkeit war bei normaler Herstellung möglich.

In wissenschaftlichen Experimenten wurde viel genauer gemessen , aber das entspricht nicht der Herstellung und insbesondere den Fräs- und Maschinenprozessen.

Hier wären meine Kandidaten für gängige Hochpräzisions-Fertigungsverfahren dieser Zeit.

Die Janvier Reduktionsmaschine

Eines der genauesten Instrumente, von denen ich gehört habe (bei der üblichen Herstellung im Gegensatz zu speziellen einmaligen wissenschaftlichen Experimenten), wäre ein Gerät, das bei der Münzherstellung (und einigen anderen Bereichen) verwendet wird und eine Hochpräzisionsdrehmaschine steuert, um eine wahre zu erzeugen Größe Münze durch mechanisches Scannen einer viel größeren Designform.

Hier ist ein Link zu einer Seite über diese Geräte: http://www.1881o.com/reduction.html

Diese würden eine Schablone von der Größe eines Esstellers (vielleicht eines großen Esstellers) auf eine Standardmünzengröße reduzieren. Die resultierende Münze würde verwendet, um Münzen auszustanzen. Diese Maschinen waren bis vor relativ kurzer Zeit täglich in derselben Rolle im Einsatz (und werden meines Wissens nach noch irgendwo verwendet :-) ).

Sie ermöglichten es Ihren geliebten Regierungen, komplizierte Münzdesigns (die von Gaunern schwer zu fälschen sind) herzustellen, und erschweren es, gefälschte Münzen zu passieren.

Messschieber/Skala

Dies sind schöne (und immer noch verwendete) Geräte, die vor der viktorianischen Ära existierten und hochpräzise (und vor allem konsistente ) Messungen von Objektgrößen ermöglichen. Wikipedia kann mehr darüber erklären. Diese Gadgets werden von Ingenieuren überall gleichzeitig geliebt und gehasst, geliebt wegen ihrer Präzision und gehasst, weil sie manchmal schlechte Nachrichten bringen :-) .

Die gemeinsame Schraube

So seltsam es scheinen mag, die Industrielle Revolution hing genauso sehr von der genauen und konsistenten Herstellung von Schrauben in ausreichender Größe (einschließlich ihrer Gewinde) ab wie von jedem der glamouröseren Motoren und Geräte. Wikipedia hat eine Seite zu diesen Geräten.

Es hängt davon ab, wie Sie Präzision definieren, und auch davon, ob Sie mehr Wert darauf legen, was im viktorianischen Zeitalter eine kommerziell tragfähige Technologie für die Massenproduktion wäre, oder was die besten innovativen Herstellungsverfahren wären, die den besten Wissenschaftlern und Instrumentenbauern der Ära zur Verfügung stehen. Würden zum Beispiel Computerchips oder LIGO die beste Präzision unserer Zeit darstellen?

Im letzteren Fall wäre die Antwort wahrscheinlich "bemerkenswert gute Präzision".

Ich denke, das Beste, was ich tun kann, ist, die fortschrittlichsten Instrumente der Ära herauszupicken, um als Beispiele zu dienen. So:

1. Beugungsgitter-Lineal-Engines.

Dies sind ein klassisches Beispiel für Maschinen, die an die Grenzen der mechanischen Präzision gehen, und sie passen auch direkt zu Ihrer Definition von "ein Werkzeug kontrolliert und messbar bewegen, z. B. eine Säge, mit der ich eine Nut x breit und y tief schneiden kann". Bis zum Ende der viktorianischen Ära hatte Henry Joseph Grayson Linealmaschinen gebaut, die Gitter mit 4700 Linien pro mm (dh 212 nm Abstand; jede Rille kann ungefähr als etwa 100 nm tief angenommen werden) schreiben konnten. Frühere Regelmotoren waren auch schon ziemlich gut.

2. Michelson-Interferometer

Das Michelson-Morley-Experiment wurde in den 1880er Jahren durchgeführt und stellt eine der ersten und wichtigsten Anwendungen des Interferometers dar, das noch heute zu den empfindlichsten Messinstrumenten gehört. Ihr Weißlicht-Interferometer wurde auf einem Sandsteinblock gebaut, der auf Quecksilber schwimmt, was sich gut mit den Aufbauten in den heutigen akademischen Spitzenlabors messen würde (wegen der Präzision, wenn nicht wegen der Sicherheit). Obwohl sie mit festen Spiegeln nach Änderungen der optischen Weglänge aufgrund von Ätherwind suchten, wäre ihr Interferometer empfindlich genug gewesen, um die Spiegelbewegungen um nur 2-3 nm zu erkennen.

3. Whitworths Komparator

Genaue Mikrometer für den Einsatz in Maschinenwerkstätten wurden bereits in der viktorianischen Ära hergestellt, aber zweifellos war der König dieser Instrumentenkategorie Whitworths Komparator, der 1871 gebaut wurde und Unterschiede in der Länge von Objekten mit Submikron-Genauigkeit messen konnte.

4. Chemisches Ätzen

Die kleinsten Teile könnten eher durch chemische als durch reine Bearbeitungstechniken hergestellt werden. Beispielsweise wurde Anfang des 19. Jahrhunderts Platindraht mit einem Durchmesser von etwa 1,5 Mikron, bekannt als Wollaston-Draht, hergestellt. Es wird zuerst in Silber eingebettet, dann heruntergezogen, dann wird das Silber chemisch aufgelöst. Wenn Sie in der viktorianischen Ära Zahnräder in der Größe von Staubkörnern herstellen wollten, könnten Sie versuchen, dies auf diese Weise zu tun. (Übrigens, ein mikroskopisch kleines Uhrwerk macht Ihre Uhren kleiner, aber wahrscheinlich nicht besser darin, die Zeit zu halten ...)

5. Beschichtungsverfahren

Obwohl dies nicht direkt mit der Bewegungssteuerung zusammenhängt, ist es auch für die Herstellungsfähigkeiten relevant. Die Galvanisierung wurde während der viktorianischen Ära zu einer ausgereiften Technologie, und andere Dünnschicht-Abscheidungstechniken wie Vakuumsputtern wurden in dieser Zeit erfunden. Das Galvanoformen wurde 1840 erfunden. Diese additiven Fertigungstechniken ermöglichen die Herstellung extrem dünner und gleichmäßiger Filme und filigraner dünnwandiger Strukturen. Eine Silberbeschichtung auf einem Glassubstrat könnte weniger als einen Mikrometer dick gemacht werden. Galvanogeformte dünnwandige Metallgegenstände könnten mehrere zehn Mikrometer dick sein.

6. Bonus: Teilung des Kreises

Neben der Länge ist eine weitere wichtige Sache die Genauigkeit der Winkel. Wenn Sie beispielsweise Zahnradzähne haben, wie gleichmäßig sind diese verteilt? Die Viktorianer hätten hier wenig Schwierigkeiten gehabt. Bereits im vorviktorianischen 18. Jahrhundert hatte Jesse Ramsden Divisionsmotoren mit einer Genauigkeit von einer Bogensekunde gebaut.

Wie viele Nullen in Ihrem Scheckheft und wie viel Zeit haben wir?

Wie stellen Menschen präzisere Werkzeuge mit weniger präzisen Werkzeugen her? Genau wie Sie sagten: „Menschen“ haben es von Hand gemacht (manchmal buchstäblich mit den Fingern poliert). "Sie" speziell können das wahrscheinlich nicht, weshalb die Uhrmacherei schon immer ein angesehener Beruf war und der Büchsenmacher es immer noch ist.

Alle gut gefertigten Schusswaffen werden von Hand nachbearbeitet, um die erforderlichen Toleranzen zu erreichen. Dazu ziehen Sie eine Datei über das Teil und vergleichen es dann mit seinem Gegenstück. Immer und immer wieder, bis die „Feile“ mit der kleinsten Körnung einfach ein flaches Stück eines härteren Metalls ist; Schleifmittelzahl : +3000. Deshalb sollten Sie überprüfen, ob alle Seriennummern der Teile übereinstimmen, da jedes von ihnen kundenspezifisch an die jeweilige Waffe angepasst wurde.

Es stellt sich die Frage, wie fein Sie eine Kante an Ihrem Schneidwerkzeug schärfen können, die weit über die Grenze der menschlichen Geschicklichkeit hinausgeht, um sie vollständig einzusetzen, egal wie gut Sie sind. Um es realistisch zu halten, würde ich nach den kleinsten Toleranzen suchen, die jemals in der Produktion erreicht wurden, nicht nach dem, was möglich gewesen wäre , denn das wird durch Geschick, Geschicklichkeit, Zeit und die „Anzahl der Nullen“ bestimmt, bis wir über die mikroskopische Ebene hinaus sind .

Und dann tauchen alle möglichen Probleme auf, wie zum Beispiel eine Einschaltdauer von einer halben Sekunde oder die Anfälligkeit für selbst geringfügige Temperatur-, Druck- oder Feuchtigkeitsschwankungen und die Oxidation von Materialien, von denen allgemein angenommen wird, dass dies nicht der Fall ist (das einzige ist Gold , das zu weich ist, um Teile herzustellen). Und es schleift sich selbst ab. Wenn Sie sich Gedanken über den Casimir-Effekt machen müssen; du bist viel zu weit gegangen.

Bewegungssteuerung ist einfach: Getriebeuntersetzung. Aber in der Lage sein zu wollen, es am Handgelenk zu tragen und es tatsächlich länger als eine halbe Sekunde ( genau! ) Funktionieren zu lassen (auch bekannt als Miniaturisierung), ist das Problem, denn selbst wenn Sie es schaffen können , bedeutet das nicht, dass es so ist wird funktionieren . Irgendwann wird es so klein, dass der Regler aufgrund der Größe der Luftmoleküle nicht mehr zuverlässig ist.

Bei analogen Uhren geht es letztlich darum, wie klein man eine Unruh machen kann (erfunden im 14. Jahrhundert, der entscheidende Fortschritt, der "endlich genaue Taschenuhren möglich machte"), bis in den 1960er Jahren die Elektronik (Stimmgabel und Quarzwerk) aufkam verfügbar.

TL; DR: so klein und genau, wie Sie bereit sind zu zahlen und zu warten, bis zu dem Punkt, an dem die Physik oder Materialwissenschaft nein sagt . Wenn Sie Großbritannien sind, das versucht, das Längengradproblem auf See zu lösen, ist das gestern , also hier sind drei Millionen Pfund für jeden, der kann. Das ist in bereinigten Dollars und es war John Harrison , Erfinder des Schiffschronometers : „eine Uhr, die präzise und genau genug ist, um als tragbares Zeitnormal verwendet zu werden“.

Haben Sie eine Nachfrage, seien Sie bereit, dafür zu zahlen, und Sie können Ihren Kuchen haben und ihn auch essen ... in vernünftigem Rahmen , wie es die Gesetze des Kosmos vorschreiben. Vergessen Sie nur nicht, Ihre Uhr aufzuziehen und „immer eine Nummer höher zu wählen“ .