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Hemmungen
Die Hemmung hat die Aufgabe, den Ablauf des Räderwerkes in definierte, zeitgleiche Abschnitte einzuteilen. Die Hemmung besteht im allgemeinen aus dem Ankerrad (Hemmrad, Steigrad), dem Anker und dem Pendel oder der Unruhe. Es gibt aber auch Konstruktionen, die auf einen Anker verzichten.
Die Hemmungen werden in drei große Gruppen eingeteilt, die rückführenden, die ruhenden und die freien Hemmungen.
In diesem Aufsatz soll nur auf die wichtigsten Vertreter der jeweiligen Gruppen eingegangen werden.
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Hemmungen für Großuhren
Rückführende Hemmung
In der Gruppe der rückführenden Hemmungen sind die wichtigsten Vertreter sicherlich die Hakenhemmung, die Spindel- und die Rollenhemmung. Bei dieser Art Hemmung wird der Radzahn zurückgeführt, während das Pendel seinen Ergänzungsbogen schwingt. Der Ergänzungsbogen ist der Weg, den das Pendel nach dem Abfallen des Ankerrades (Fall) noch weiterschwingt, bis es seinen Umkehrpunkt erreicht hat. Der Ergänzungsbogen ist zur Sicherung des Falls nötig. Die „Rückführung“ ist ein Nachteil, weil das Pendel den Zahndruck überwinden muß und dadurch in seinen Schwingungen beeinflußt wird. Trotzdem bietet die Hemmung aber auch Vorteile. Die Vorteile der Hakenhemmung liegen neben ihrer leichten Herstellung auch in ihrer Unempfindlichkeit. Sie ist in heutigen einfachen Großuhren noch immer weit verbreitet. Der Ablauf in einer „rückführenden Hemmung“ ist:
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Hebung – Fall – Rückführung
Hebung – Fall – Rückführung
Die Auswirkung der Kräfte auf die Pendelschwingungen zeigt die Abbildung. Von 0 bis 1 wirkt die zusätzliche Hebung, von 1 bis 3 die Hebung, von 3 bis 4 wirkt der Zahndruck der Rückführung dem Ausschwingen des Pendels entgegen und beeinträchtigt die Schwingungen. Von 4 bis 5 wirkt wieder die zusätzliche Hebung, von 5 bis 7 die Hebung und von 7 bis 8 wieder die Rückführung.
Die Schwingungsdauer des Pendels ist also sowohl von der Antriebskraft als auch von der veränderlichen Kraft abhängig, die z.B. durch Fehler in Eingriffen entstehen können.
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Die Spindelhemmung
Die älteste Hemmung ist die Spindelhemmung, die schon mit Erfindung der Räderuhr geschaffen wurde. Sie hat sich bis Ende 1700 bewährt. Da sie heute nur noch in historischen Uhren vorkommt, soll sie nur am Rande erwähnt werden. Auf einer Achse, der Spindel, sitzen um 90° versetzt die Spindellappen. Auf der Achse sitzt je nach Konstruktion die Waag bei Waagbalkenuhren oder später die Ankergabel bei Großuhren mit Pendel. Bei Taschenuhren aus dieser Zeit sitzt eine Unruhe auf der Spindelachse. Da das Hemmrad nicht wie heute üblich flach, sondern quer zu den anderen Rädern eingebaut ist, ergibt sich daraus die große Bauhöhe der frühen Taschenuhren.
Die Kraftübertragung erfolgt über das Hemmrad auf den Spindellappen auf der Eingangseite und setzt somit die Spindel in Bewegung. Fällt der Hemmradzahn nun vom Spindellappen ab, so rückt das Hemmrad weiter bis der nächste Zahn auf auf den zweiten Spindellappen auf der Ausgangsseite auftrifft. Durch die weitere Bewegung des Pendels oder der Unruh wird nun das Hemmrad ein kleines Stück gegen die eigentliche Ablaufrichtung gedrückt, bis das Pendel umkehrt (Ergänzungsbogen) und der Vorgang sich auf der anderen Seite wiederholt. Wegen der kleinen Bewegung des Hemmrades gegen die Ablaufrichtung zählt diese Hemmung zu den „rückführenden Hemmungen
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Hakenhemmung
Nach der Einführung des Pendels erfand der Engländer Clement 1680 die erste Hakenhemmung, die ebenfalls eine Rückführende Hemmung ist.
Grundsätzliches zur Mechanik der Hemmungen:
Die Aufgabe, das Räderwerk vor dem freien Ablauf zu hemmen und die Antriebskraft auf den Gangregler zu übertragen übernimmt der Anker. Bei diesem Vorgang fällt der Zahn des Hemmrades gegen einen der Ankerarme, z.B. den Eingangsarm. Dadurch wird das „Hemmen“ erreicht. Die dabei dem Anker vermittelte Kraft wird von diesem über die Ankergabel dem Gangregler (Pendel) zugeführt. Bei der nächsten Halbschwingung des Pendels wiederholt sich dieser Vorgang am Ausgangsarm. Da dabei der Gangregler die Freigabe des Zahnes steuert, ist ein gleichmäßiger Ablauf des Räderwerks sichergestellt. Das „Hemmen“ ist also ein recht einfacher Vorgang. Schwieriger ist der Vorgang der Kraftübertragung. Diese erfolgt dadurch, daß die Radzahlspitze über eine keilförmige Fläche (Hebefläche) des Ankerarmes entlanggeleitet und mittels der Triebkraft des Zahnes dem Anker eine Drehkraft (Drehmoment) überträgt. Diese wird dem Gangregler über die Ankergabel zugeleitet. Um die Reibungsverluste möglicht gering zu halten, müssen die als Keile wirkenden Hebeflächen gut poliert sein. Weiter muß die Kraft des Ankerrades möglichst weit ausgenutzt werden, also muß der „Fall“ (der Weg, den das Ankerrad nach verlassen der Hebefläche bis zum Auftreffen auf der nächsten Hebefläche zurücklegt) so gering wie möglich sein.
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Außerdem soll der Drehpunkt des Ankers in der Tangente des Kopfkreises des Ankerrades liegen, da sich die Kraft der Zahnspitze in die Richtung rechtwinklig zum Halbmesser des Hemmrades ergibt. Legt man den Drehpunkt des Ankers auf diese Tangente, erfolgt der Zahndruck genau auf die Achsenmitte. Dadurch entsteht in diesen Teil der Hemmung die geringste Reibung. Am Ausgangsarm ist der Vorgang der gleiche, mit dem Unterschied, daß sich der Zahndruck hier als Zug am Anker äußert.
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Die Rollenhemmung
Die Rollenhemmung führt ihren Namen nach der aus einer runden Scheibe (Rolle) entstandenen Ankerform. Sie wird in Verbindung mit kurzen Pendellängen verwandt. Der kleine Anker, der nur über 2 ½ Zähne greift, läßt eine hohe Pendelfrequenz zu. Wegen der hohen Schwingungszahl der kurzen Pendel hat das Hemmungsrad viele Zähne. Sie ist eine halb rückführende und halb ruhende Hemmung. Am Eingang hat sie keine Hebung.
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Hier fällt der Ankerradzahn auf eine kreisbogenförmige Fläche, deren Mittelpunkt im Drehpunkt des Ankers liegt. Der Zahn bleibt also in „Ruhe“ stehen. Nur am Ausgangsarm befindet sich eine Hebefläche und damit der Antrieb. Die Pendelschwingungen werden dadurch unsymmetrisch, was einen Einfluß auf die Ganggenauigkeit der Uhr ausübt. Diese Hemmung kommt relativ selten vor, so daß sie keine große Rolle spielt.
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Die Brocot- Hemmung
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Die Brocot- Hemmung, nach ihrem Erfinder Achille Brocot aus Paris benannt, hat an Stelle der Ankerklauen runde Stifte, von denen die Hälfte abgeschliffen ist. Die Hebefläche wird also durch einen ¼ Kreisbogen des Stiftumfanges dargestellt. Die vorderen Zahnfläche hat die Richtung zum Mittelpunkt oder ist geringfügig unterschnitten. Dadurch führt der Stift an der Zahnbrust. Das Rad bleibt dabei fast in Ruhe stehen. Die Brocot- Hemmung ist also mehr eine ruhende als eine rückführende Hemmung.
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Sie hat den Vorteil, daß die Ruhereibung an der Zahnbrust keine „eingehende Reibung“ ist. Geeignet ist die Brocot- Hemmung für halblange Pendel. Bei guten Pendülen ist die Hemmung vor dem Zifferblatt sichtbar angebracht. An Stelle der Stahlpaletten sind dann Rubine eingesetzt.
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Die ruhenden Hemmungen
Die Graham-Hemmung
Der Engländer Georg Graham, 1673 bis 1751 aus der Grafschaft Cumberland hat die ruhende Hemmung für Pendeluhren, die Graham- Hemmung erfunden. Er versuchte die Nachteile der rückführenden Hemmung dadurch zu beseitigen, daß er die Rückführung abschaffte, indem er den Radzahn mit seiner Spitze auf einen Kreisbogen auffallen ließ, dessen Mittelpunkt im Drehpunkt des Ankers liegt. Dadurch bleibt das Ankerrad in Ruhe, wenn das Pendel seinen Ergänzungsbogen schwingt. Da diese Ruhefläche an der Ankerklaue gut poliert wird, ist die Ruhereibung äußerst gering. Dadurch wird die Beeinflussung der Pendelschwingung durch die Hemmung geringer. Wendet man diese Hemmung mit einem langen schwerem Pendel an, so hat die Ruhereibung für die Gleichförmigkeit der Pendelschwingungen kaum noch eine nachteilige Bedeutung. Diese Anordnung werden bei feinen Pendeluhren angewandt und ergeben Gangleistungen die im Bereich von 1/10 Sekunden pro Tag liegen.
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Aber auch in einfachen Uhren bietet diese Hemmung Vorteile, die sich in guten Gangergebnis ausdrücken. Ein Nachteil ist lediglich die Empfindlichkeit gegen Erschütterungen, die ihren Grund in der geringen Schwingungsweite der Hemmung hat. Ein erschütterungsfreier Standort ist also eine Voraussetzung für die Ausnutzung der Vorteile dieser Hemmung.
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Das Spiel dieser Hemmung ist:
Ruhe – Hebung – Fall
Ruhe – Hebung – Fall
Betrachten wir wieder die Kräfteeinwirkung auf das Pendel, dann haben wir von 0 bis 1 die geringe Ruhereibung, von
1 bis 3 die Hebung, von 3 bis 4 und von 4 bis 5 wieder die geringe Ruhereibung, von 5 bis 7 die Hebung, von 7 bis 8 wieder die Ruhereibung.
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Die freien Hemmungen für Pendeluhren
Die freien Hemmungen werden ausschließlich für Präzisionspendeluhren verwandt. Bei diesen schwingt das Pendel den Ergänzungsbogen völlig frei. Die freien Hemmungen lassen sich in Hemmungen mit Federantrieb und solche mit Gewichtantrieb (Schwerkrafthemmung) unterteilen.
Die Riefler- Hemmung
Bei der Federkrafthemmung nach Riefler wird die Pendelfeder über den Anker durch das Hemmrad gespannt, wenn das Pendel im Umkehrpunkt wendet
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Die Auslösung zum Spannen gibt auch die Pendelfeder. Die erfolgt dann, wenn das Pendel die z.B. nach rechts gespannte Pendelfeder über die Gerade hinweg weiter anspannt. Dadurch wird der Anker, an dessen Ende der Ankerklauen hier die Ruhefläche angesetzt ist, gehoben, der nächste Zahn fällt auf die andere Hebefläche um am Ende wieder auf der Ruhefläche liegen zu bleiben.
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Dabei ist der Anker gehoben worden, die Pendelfeder in die andere Richtung gezogen und gespannt. Das Pendel hat keine Ankergabel, lediglich die Spannung der Pendelfeder liefert dem Pendel die Kraft zur Erhaltung seiner Schwingung
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Die Strasser- Hemmung
Bei der Strasser- Hemmung ist der Vorgang der gleiche. Hier ist zum Spannen ein zweites Federpaar verwandt. Bei den Schwerkrafthemmungen legt sich ein Gewichtsarm auf das Pendel, um die Schwingung dann, wenn sie sich zur Mittellage hin bewegt, zu untestützen.
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Hier sei angemerkt, das Deutsche Museum in München verfügt in seiner Abteilung Präzisionspendeluhren über Sekundenpendeluhren mit Federkraft- und Schwerkrafthemmung die in Funktion zu sehen sind. Uhren dieser Art erreichen die Genauigkeit von Quartzuhren. Die Feinregulierung dieser Uhren erfolgt in einem gasdichten Zylinder über die Regulierung des Luftdruckes. Des weiteren ist im Calwey Verlagl in München ein Buch „Präzisionspendeluhren“ erschienen. Dort wird eine Vielzahl verschiedener Hemmungen für Präsisionuhren vorgestellt
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Die ersten Hemmungen für tragbare Uhren war, wie bei den Großuhren, die Spindelhemmung. Sie wurde in tragbaren Uhren in den Jahren von 1500 bis 1700 ausnahmslos angewandt. Die Funktion ist identisch mit der Spindelhemmung in Großuhren. Mit den höheren Anforderungen an die Genauigkeit der Uhren wurde auch hier nach neuen Möglichkeiten gesucht. Man erkannte, daß nicht nur die Rückführung für die schlechten Gangergebnisse verantwortlich war, sonder vielmehr auch die geringe Amplitude die kaum mehr als 100° beträgt. Weiter hat man festgestellt, daß Erschütterungen die je nach dem wie sie auf die Gangregler der Uhr einwirkten, eine Beschleunigung oder auch eine Verzögerung bewirken. Diese Störungen sind dann am größten, wenn der Rhythmus der Störungen mit dem Rhythmus der Unruhschwingungen übereinstimmt. Die Störungen werden kleiner, je größer die Geschwindigkeit der Unruhe ist.
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Höhere Geschwindigkeiten bedingen aber größere Schwingungsweiten der Unruhe. Wollte man die Gleichförmigkeit der Unruhschwingungen von äußeren Einflüssen beim Tragen unabhängiger machen, dann mußte man eine Hemmung schaffen, die größere Schwingungsweiten zuließ.
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Versuche in diese Richtung unternahmen Thomas Tompion und Georg Graham gemeinsam, als sie zwischen 1695 und 1720 die Zylinderhemmung entwickelten. Thomas Mudge erfand 1760 die freie Ankerhemmung und Pierre le Roy baute 1769 die Chronometerhemmung.
Die nach diesen Grundsätzen entwickelten und heute verwandten Hemmungen in den tragbaren Uhren sind
die ruhende Hemmung (Zylinderhemmung, Duplexhemmung)die freie Hemmung (Anker- und Chronometerhemmung)
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Die Zylinderhemmung
Die Zylinderhemmung gleicht der Graham-Hemmung bei Großuhren. Nachdem die Graham-Hemmung die größte Ankerbewegung dann zuläßt, wenn der Anker über möglicht wenig Zähne greift, hat man bei der Zylinderhemmung die geringst möglichen Übergriff, nämlich eine halbe Teilung genommen. Die beiden Ankerklauen bestehen aus einem Bauteil, und zwar aus einem Teil eines Zylinders, daher auch der Name Zylinderhemmung. Um eine möglichst geringe Beeinflussung der Unruhschwingungen zu erreichen, wurde die Hebung auf die Hemmradzähne verlegt. Die Hebelarme für die Hebung als auch für die Ruhe wurden somit etwa gleich lang. Um eine große Schwingungsweite zu erreichen legten Graham und Tompion die Radzähne über den Radkranz und ließen den Radkranz durch einen Einschnitt im Zylinder (die Passage) gehen. Damit erreichten sie nach jeder Seite eine Bewegung des Zylinders bis zu 180°, zusammen also 360°. Durch die Passage wurde der ohnehin nur halbe Zylinder weiter geschwächt, aber dadurch erreichte Graham/Tompion eine mittlere Schwingungsweiten von 270°. Gegenüber der Spindelhemmung war dies eine wesentliche Verbesserung.
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Das Spiel der Zylinderhemmung ist das gleiche wie bei der Graham-Hemmung:
Ruhe – Hebung – Fall,
Ruhe - Hebung – Fall.
Die Unruhe durchläuft dabei die folgenden Winkel: 0 bis 2 Ergänzungsbogen in Ruhereibung, 2 bis 3 Antrieb, 3 bis 4 Ergänzungsbogen, 4 bis 6 Ergänzungsbogen, 6 bis 7 Antrieb, 7 bis 0 Ergänzungsbogen
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Die Duplexhemmung
Die Duplexhemmug hat ihren Namen von dem Doppelrad erhalten, das in dieser Hemmung verwandt wird. Die Funktion des Doppelrades (Hemmrad) ist wie folgt. Die Kraftübertragung erfolgt am wirkungsvollsten von einem kurzen Hebelarm am Rad auf einen langen Hebelarm an der Unruhe. Die Ruhereibung dagegen ist am geringsten, wenn ein langer Zahn an einer Rolle mit kleinem Durchmesser wirkt. Der Zahn für die Ruhe muß folglich lang sein, und der Zahn über dem die Kraftübertragung geschieht soll möglichtst kurz sein. Deshalb das Doppelrad.
Der Antrieb erfolgt in dem Augenblick, in dem der Ruhezahn durch den Einschnitt in der kleinen Rolle freigegeben wird. Dies geschieht nur bei jeder zweiten Halbschwingung. Die Nachteile der Duplexhemmung sind,
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die Hemmung läuft nicht von alleine an,die Hemmung kann bei zu großer Amplitude galoppieren (d.h. daß zwei Antriebe während einer Halbschwingung erfolgen. Die Uhr geht um das Doppelte zu schnell)Die Duplexhemmung wurde nur sehr kurze Zeit hergestellt und sehr schnell von der Ankerhemmung abgelöst. Sie hat nur eine geringe Bedeutung in der Uhrmacherei
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Die freie Ankerhemmung
Die freien Hemmungen gestatten dem Gangregler während des Ergänzungsbogens ein freies Schwingen. Das Räderwerk und die Hemmung können den Gangregler während der freien Schwingung nicht mehr beeinflussen. Lediglich die Lagerreibung, der Luftwiderstand und die innere Reibung der Spirale können die Schwingungen noch beeinflussen.
Die guten Gangergebnisse der Graham-Hemmung brachten Tomas Mudge 1760 auf den Gedanken, einen „Graham-Anker“ zwischen Hemmrad und dem Gangregler einzubauen. Die Kraftübertragung vom Hemmrad zum Anker bot keine Schwierigkeiten. Anders die Kraftübertragung vom Anker zum Gangregler. In ersten Versuchen wurde auf der Unruhwelle ein Trieb angebracht und auf der Gabel ein Zahnsegment.
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Die Kraftübertragung war so jedoch unbefriedigend. Deshalb wurden die Zähne auf der Unruhe auf einen und an der Ankergabel auf zwei begrenzt. Der einzelne Zahn stellt heute den Hebelstift dar, die zwei Zähne wurden die Ankergabel. Damit war die freie Hemmung geschaffen.
Eine Schwierigkeit war jedoch geblieben. Es mußte verhindert werden, daß der Anker auf die andere Seite schwingen kann, wenn die Unruhe ihren Ergänzungsbogen schwingt. Das wurde dadurch erreicht, daß man an der Unruhe die Sicherheitsrolle und an der Ankergabel das Messer anbrachte.
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Bei Erschütterungen legte sich das Messer jedoch an die Rolle und beeinflußte das freie Schwingen der Unruhe. Um diesen Mangel zu beseitigen erfand Leschot 1820 den Zugwinkel. Der Zugwinkel bewirkt, daß der Anker in seiner Endposition an den Ankerstiften vom Ankerrad festgehalten wird. Somit kann der Gangregler wieder frei schwingen. Die freie Ankerhemmung ist noch heute die beste Hemmung für tragbare Uhren. Sie ist allerdings etwas komplizierter als andere Hemmungen und bedarf daher der besonderen Sorgfalt auch des Reparateurs
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Arten der freien Ankerhemmung sind:
1. die Spitzzahnhemmung (englisch vor 1850)
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2. die Kolbenzahnhemmung (Palettenhemmung, wird noch heute verwandt)
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3.die Stiftankerhemmung (Schweiz Fabrikant Friedrich Roßkopf um 1870)
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Chronometerhemmung
Als Schiffschronometer bezeichnet man in Deutschland diejenigen Uhren, die eine Chronometerhemmung haben und allgemein zur Navigation verwandt werden. Den Vorläufer der heutigen Chronometerhemmung baute Pierre le Roy bereits im Jahre 1766. Während Berthoud und Anrold Verbesserungen einbrachten, erhielt sie ihre heutige Form jedoch von Earnshaw. Der wesentliche Vorteil dieser Hemmung besteht darin, daß der Gangregler nur jede zweite Halbschwingung einen Antriebsimpuls erhält. Dies minimiert die störenden Einflüsse der Hemmung auf das freie Schwingen des Gangreglers, dadurch wird die Gleichmäßigkeit der Schwingungen höher und die für die Auslösung erforderlichen Verlustkräften werden gegenüber der freien Ankerhemmung um die Hälfte reduziert. Ein weiterer Vorteil der Chronometerhemmung ist der direkte Antrieb auf die Unruhe, ohne weitere zwischengeschaltete Glieder (Anker), welche die Reibungsverluste erhöhen. Besonders die Vermeidung von Reibungsstellen die Öl beanspruchen, ist für die auf lange Zeit gleichbleibende, genaue Zeitangabe von Bedeutung.
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Für Taschenuhren ist die Chronometerhemmung ungeeignet, da sie einen toten Punkt hat und galoppieren kann. Unter galoppieren versteht man die Eigenart, bei großen Schwingungsweiten der Unruh zwei Hemmungszähne durchzulassen, wodurch die Uhr doppelt so schnell geht. Die Mängel des toten Punktes und des Galoppierens treten bei bestimmten, mit der Zeitdauer der Unruhschwingungen übereinstimmenden, wiederkehrenden Bewegungen auf und führen zu unzuverlässigem Gang der Uhr.
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Diese Mängel können bei einem Schiffschronometer, der in einer kardanischen Aufhängung in waagrechter Lage gehalten wird und auf dem Schiff zudem ortsfest untergebracht ist, nicht auftreten. Für dieses kommen daher die Vorteile der Hemmung voll zu Auswirkung. Uhren mit Chronometerhemmung sind in der Lage Gangabweichungen von 0,1 sec/d einzuhalten.
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