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Eine mechanische Uhr zeigt die Zeit immer exakt an, obwohl die Federspannung laufend abnimmt. Dafür sorgt ein im Verlauf von mehr als 300 Jahren ständig weiter perfektionierter Mechanismus – die Hemmung.

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Entdeckungsreise

Eine Kurve
erhöht die Präzision

Text — Boris Schneider Datum2015-09-23T12:58:35

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IWC 52010 calibre
—Die Breguet-Spirale sorgt unter anderem in der Kaliberfamilie 52000 für absolut zeitgleiche Schwingungen der Unruh.

In einigen Kalibern der IWC schwingt der Unruhreif an einer Breguet-Spirale hin und her. Die in aufwändiger Handarbeit angefertigte Endkurve trägt massgeblich zu den absolut zeitgleichen Schwingungen der Unruh bei – und erhöht so die Ganggenauigkeit der Uhr.

Manchmal kommt uns ein Augenblick wie eine Ewigkeit vor, an anderen Tagen gehen Stunden blitzschnell vorbei. Unser Empfinden der Zeit ist relativ. Doch tatsächlich schreitet sie unaufhaltsam und stets im gleichen Takt voran. Diese regelmässige Abfolge von Sekunden, Minuten und Stunden bilden unsere Uhren ab. „In der Uhrmacherei ist das oberste Ziel deshalb immer der Isochronismus: absolut zeitgleiche Schwingungen der Unruh, und zwar unabhängig von der Schwingungsweite oder der Lage“, beschreibt Raphael Frauenfelder, Uhrmacher und Projektleiter der Industrialisierung bei der IWC in Schaffhausen, die Herausforderung in seinem Handwerk.

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Gleichmässige Schwingungen sind das Ziel

Die Unruh erfüllt in einer mechanischen Armbanduhr die gleiche Funktion wie das Pendel einer Grossuhr: Sie gibt die regelmässigen, zeitlichen Abstände vor, in denen die Hemmung das Räderwerk freigibt und die Zeiger sich fortbewegen. Und das tut sie grösstenteils unabhängig von der in ihren Antrieb gesteckten Energie: „Nimmt die Federspannung in der Uhr ab, werden die Impulse des Ankers an die Unruh schwächer und der Reif schwingt weniger weit aus. Doch auch mit abnehmender Schwingungsweite legt der Hebestein die Ankergabel in nahezu exakt gleichen, zeitlichen Abständen um“, beschreibt Frauenfelder das Funktionsprinzip.

Diese physikalische Eigenschaft des Pendels bildet jedoch nur die Grundlage für eine hohe Ganggenauigkeit. Denn in mechanischen Armbanduhren, die aus hunderten von einzelnen Teilen bestehen und sich zudem ständig in Bewegung befinden, steckt der Teufel sprichwörtlich im kleinsten Detail. Schöpferische Genies und einsame Tüftler haben deshalb über Jahrhunderte versucht, die Präzision weiter zu erhöhen. Auch die vom Schweizer Uhrmacher Abraham Louis Breguet um das Jahr 1795 entwickelte und nach ihm benannte Spiralfeder trägt massgeblich zu zeitgleichen Schwingungen der Unruh bei.

balance_wheel
—Weil die Befestigung der Spirale auf ein höheres Niveau verlegt wird, kann sich die Feder beim Schwingen gleichmässig ausdehnen
Breguet_Spring
—Die Breguet-Endkurven werden bei der IWC bis heute in aufwändiger Handarbeit gebogen

Die flache Spirale atmet nicht gleichmässig

Zu Breguets Zeiten wurde die Unruh noch an einer flachen Spirale befestigt. Dabei befinden sich das innere und das äussere Ende der Feder auf dem gleichen, horizontalen Niveau. „Weil ihr auf der äusseren Seite die Befestigung am Spiralklötzchen in den Weg kommt, kann sich eine Flachspirale beim Schwingen aber nicht gleichmässig ausdehnen und sie atmet exzentrisch“, beschreibt Frauenfelder das Problem. Der Schwerpunkt verändert sich dauernd und es gibt eine Unwucht. Zusätzlich entsteht ein Elastizitätseffekt, der zu störenden Beschleunigungen und Verzögerungen auf die Schwingungen führt. Beide Phänomene – Unwucht und Elastizitätseffekt – können einen negativen Einfluss auf die Ganggenauigkeit haben.

Bei seinen Versuchen kam Breguet auf die clevere Idee, das äussere Ende der Spirale auf einem höheren Niveau zu befestigen und den letzten Abschnitt speziell zu biegen. Nach diesem Prinzip wird der letzte Spiralumgang über eine knieförmige Biegung nach oben und dann ein Stück weit als Gerade über die Spirale hinweg geführt. Den Abschluss bildet die Rückerkurve, an deren Ende das Spiralklötzchen befestigt ist. „Dank der nach oben versetzten Befestigung und der speziellen Biegung dehnt sich die Spirale beim Schwingen absolut gleichmässig aus und ein konzentrisches Atmen wird möglich“, beschreibt Frauenfelder den Vorteil dieser Lösung. Unwucht und Elastizitätseffekt werden eliminiert, die Unruh schwingt in regelmässigeren Abständen hin und her.

Die nach oben versetzte Befestigung sorgt für ein konzentrisches Atmen

Die genaue Form ist je nach Kaliber verschieden

Für das Biegen einer Breguet-Kurve gibt es allerdings kein Patentrezept: „Die exakte Linienführung hängt von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise vom Abstand zwischen dem Drehpunkt der Unruh und dem äusseren Befestigungspunkt der Spirale ab“, macht Frauenfelder deutlich. Diese Varietäten bringen die Uhrmacher durch eine spezielle Nummerierung zum Ausdruck: Bei der Kurvennummer 100 etwa befindet sich das Spiralklötzchen direkt über dem äussersten Umgang der Spirale. Je nach Beschaffenheit des Schwingsystems kommt deshalb in verschiedenen Kalibern auch eine andere Kurve zum Einsatz.

Schon kurz nach ihrer Erfindung war die Breguet-Spirale ein gesuchtes Qualitätsmerkmal mechanischer Armbanduhren. Auch IWC-Gründer F.A. Jones machte sich die speziell gebogene Spiralfeder zunutze, um seinen hohen Ansprüchen an Präzision und Innovation gerecht zu werden. „Breguet-Spiralen werden bei der IWC immer noch von Hand gebogen“, weiss Frauenfelder. Das dafür nötige technische Know-how und die feinmotorischen Fähigkeiten werden in der Schaffhauser Manufaktur seit vielen Generationen sorgfältig gepflegt. Zuständig dafür sind die Régleure, die neben den Uhrmachern einen eigenen Berufsstand bilden. In der aktuellen Kollektion der IWC kommen Unruhen mit Breguet-Endkurven unter anderem in den Kaliberfamilien 51000, 52000 und 59000 zum Einsatz.

Der Caspari-Effekt korrigiert einen anderen Fehler

Die Breguet-Endkurve hat zwar nachweislich einen positiven Effekt auf die Ganggenauigkeit. Aber auch mit einer Flachspirale kann eine hohe Präzision erreicht werden. Mechanische Uhren sind komplexe Systeme, in denen das Gleichgewicht von unzähligen Faktoren beeinflusst wird. Ein bestimmter physikalischer Effekt ist deshalb nicht zwangsläufig schlecht: „Der französische Marineingenieur und Astronom Chrétien Edouard Caspari kam auf die Idee, den bei einer Flachspirale entstehenden Elastizitätseffekt gezielt einzusetzen, um einen anderen Mangel im System zu beheben“, wie Frauenfelder erklärt.

Caspari beschäftigte sich mit der Frage, wie der Winkel zwischen dem inneren und äusseren Ansetzpunkt der Spirale die Schwingungen beeinflusst. Er legte einen speziellen Winkel fest, der bei einer hohen Amplitude zu einem Nachgehen und bei einer kleinen Amplitude zu einem Vorgehen führt. Damit konnte nun ein anderer, von der Schweizer Ankerhemmung verursachter Fehler korrigiert werden: Wenn die Schwingungsweite der Unruh nämlich kleiner wird, bekundet diese immer mehr Mühe, den Anker umzulegen, was zu einem Nachgehen führt. „Weil die beiden Phänomene bei verschiedenen Schwingungsweiten einen Nachgang verursachen, heben sie sich gegenseitig auf“, beschreibt Frauenfelder die verblüffende Lösung.

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Viele Faktoren beeinflussen die Schwingungen

Aber es gibt noch viele andere Elemente, welche die Schwingungen beeinflussen: „Auch das Spiralspiel – der Abstand zwischen den beiden Stiften des Rückermechanismus, welcher die aktive Länge der Spiralfeder begrenzt – ist für unsere Einstellungen wichtig“, präzisiert Frauenfelder. Je grösser er ist, desto stärker geht die Uhr bei nachlassender Federspannung nach. Bei einer Flachspirale wählt der Uhrmacher deshalb ein relativ grosses Spiel zwischen den beiden Stiften, um dem Elastizitätseffekt entgegenzuwirken. Kommt demgegenüber eine Breguet-Spirale zum Einsatz, wird der Abstand ganz bewusst klein gehalten – oder es wird eine sogenannte rückerlose Unruh verwendet, deren Frequenz allein über die Regulierschrauben am Reif eingestellt wird.

Wie der Isochronismus erreicht wird, ist von Fall zu Fall verschieden. Oft müssen die Uhrmacher dafür tief in die Trickkiste greifen und verschiedene physikalische Phänomene miteinander oder gegeneinander wirken lassen. „Die technische Eleganz der Breguet-Spirale rührt daher, dass sie mehrere Fehler komplett aus dem Gesamtsystem entfernt“, fasst Frauenfelder zusammen. Und das Bewusstsein, dass im Inneren der Uhr das Lebenswerk von Männern wie Breguet oder Caspari steckt, steigert umso mehr die Faszination für die komplexe Mechanik.

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