Какого наивысшего уровня точности в управлении движением могло достичь викторианское общество?

TL; DR: вы почти наверняка не сможете справиться с точностью больше десятитысячной дюйма (~ 2,5 мкм).

Длина и глубина пропила вашей гипотетической пилы, вероятно, могут соответствовать этому масштабу. Изготовление пилы, которая могла бы обеспечить такую ​​ширину пропила, вероятно, нецелесообразно для ваших викторианцев, хотя бы из-за материальных проблем. Теоретически возможно, что алмазные или рубиновые наконечники для гравировки могут подойти для этой работы.

Ваш вопрос все еще немного плохо определен, но на общую проблему викторианской точности и механических допусков все же можно ответить.

Экспонат 1: калибровочные блоки , в частности, Карла Йоханссона . Он, по-видимому, изобрел их примерно в 1896 году и получил шведский патент в 1901 году, через несколько месяцев после смерти Виктории (просто ускользнув из собственно викторианской эпохи). Его набор комбинированных мерных блоков включал 49 блоков толщиной от 1,01 мм до 1,49 мм ( источник , PDF). Они не представляют собой вершину точности размеров, но это вещи, которые можно повторять и надежно производить и продавать как практичный и популярный коммерческий продукт.

Экспонат 2: микрометры . Их механические принципы существовали задолго до появления Виктории, но микрометры для измерения размеров объектов, а не углов между звездами, появились примерно во время ее правления или немного раньше. У Генри Модслея , который дал нам токарно-винторезные станки, был микрометр , который мог измерять до одной десятитысячной дюйма (~2,54 микрона). У Джозефа Уитворта было устройство с аналогичными возможностями в 1844 году, но сконструированное таким образом, что оно было немного менее хрупким и более практичным для общего использования в мастерской.

(Вы также можете узнать имя Whitworth из британского стандарта Whitworth , спецификации для винтовой резьбы. Не так важно для сверхтонкой обработки, но также важна возможность многократного изготовления высококачественных деталей, и резьба Whitworth была частью того, как эта было сделано в викторианскую эпоху)

Доказательство 3: Около 1830 года Уитворт также разработал метод приведения поверхностных пластин (особого типа эталонной плоскости ) к плоскостности менее одной десятитысячной дюйма. Поверхностные пластины чрезвычайно важны для производства высокоточных инструментов, потому что (среди прочего) они позволяют создавать высококачественные угловые калибры.

При аккуратном использовании этих трех элементов вы сможете выполнять очень точные механические движения гипотетической пилой. Вопрос о том, как сделать пилу, способную делать такие тонкие пропилы, оставляем читателю в качестве упражнения!

Викторианская наука о материалах была далеко не так хороша, как наша. Без нашей причудливой металлургии и керамических технологий изготовление прочных режущих инструментов такого масштаба было бы чрезвычайно сложно. Выгравировать элементы в таком масштабе можно с помощью алмазного или рубинового наконечника, так как износ любого другого материала при использовании очень быстро испортит вашу точность. Однако я не могу найти достаточно подробностей о микрогравюре викторианской эпохи, чтобы сказать больше о том, что могло быть или не быть возможным в этом отношении.

Для дальнейшего чтения по этому вопросу в целом, а не в частности по викторианскому машиностроению, прочитайте « Основы механической точности» (PDF, оригинальная книга, напечатанная в 70-х годах).

Миллиметровая и, возможно, субмиллиметровая точность была возможна при обычном производстве.

В научных экспериментах производились гораздо более точные измерения , но это не приравнивается к производству и, в частности, к фрезерным и машинным процессам.

Вот мои кандидаты на обычные высокоточные производственные процессы той эпохи.

Редукционная машина Жанвье

Одним из самых точных инструментов, о которых я слышал (в обычном производстве, в отличие от специальных одноразовых научных экспериментов), было бы устройство, используемое в изготовлении монет (и в некоторых других областях), которое управляет высокоточным токарным станком для создания истинного размер монеты от механического сканирования формы гораздо большего размера.

Вот ссылка на страницу об этих устройствах: http://www.1881o.com/reduction.html

Это уменьшило бы шаблон размером с обеденную тарелку (возможно, большую обеденную тарелку) до стандартного размера монеты. Полученная монета будет использоваться для чеканки монет. Эти машины использовались ежедневно в одной и той же роли до относительно недавнего времени (и, возможно, все еще где-то используются, насколько я знаю :-)).

Они позволили вашим любимым правительствам изготавливать монеты сложной формы (которые трудно подделать мошенникам) и затрудняли передачу поддельных монет.

Штангенциркуль/шкала

Это прекрасные (и до сих пор используемые) устройства, которые существовали до викторианской эпохи и позволяли проводить высокоточные (и, что более важно, последовательные ) измерения размеров объектов. Википедия может рассказать о них больше. Эти гаджеты одновременно любят и ненавидят инженеры всего мира, любят за их точность и ненавидят за то, что иногда они приносят плохие новости :-).

Общий винт

Как бы странно это ни казалось, промышленная революция зависела от точного и последовательного производства винтов большого размера (включая их резьбу) в такой же степени, как и от любого из более гламурных двигателей и устройств. В Википедии есть страница «эти устройства».

Это зависит от того, как вы определяете точность, а также от того, придаете ли вы большее значение тому, что было бы коммерчески жизнеспособной технологией для массового производства в викторианскую эпоху, или тому, что было бы лучшим передовым производственным процессом, доступным ведущим ученым и создателям инструментов той эпохи. Например, будет ли лучшая точность нашей эпохи представлена ​​компьютерными чипами или LIGO?

В последнем случае ответом, вероятно, будет «удивительно хорошая точность».

Я думаю, что лучшее, что я могу сделать, это выбрать самые передовые инструменты той эпохи в качестве примеров. Так:

1. Двигатели линейки дифракционных решеток.

Это классический пример станков, которые раздвигают пределы механической точности, и они также напрямую соответствуют вашему определению «перемещать инструмент контролируемым и измеримым образом, например, пилу, которая позволяет мне вырезать канавку шириной x и глубиной y». К концу викторианской эпохи Генри Джозеф Грейсон сконструировал правящие машины, которые могли чертить решетки с 4700 штрихами на мм (т. е. с шагом 212 нм; можно приблизительно предположить, что глубина каждой канавки составляет около 100 нм). Предыдущие правящие двигатели тоже были довольно хороши.

2. интерферометр Майкельсона

Эксперимент Майкельсона-Морли был проведен в 1880-х годах и представляет собой одно из первых и наиболее важных применений интерферометра, который до сих пор остается одним из самых чувствительных измерительных приборов, существующих сегодня. Их интерферометр белого света был построен на блоке песчаника, плавающем на ртути, что вполне соответствовало бы установкам в современных академических лабораториях (по точности, если не по безопасности). Хотя они искали изменения длины оптического пути из-за эфирного ветра с фиксированными зеркалами, их интерферометр был бы достаточно чувствителен, чтобы обнаружить зеркала, движущиеся всего на 2-3 нм.

3. компаратор Витворта

Точные микрометры для использования в механических мастерских уже широко производились в викторианскую эпоху, но, несомненно, королем этой категории инструментов был компаратор Уитворта, построенный в 1871 году и способный измерять различия в длине объектов с субмикронной точностью.

4. Химическое травление

Детали самого маленького масштаба могут быть изготовлены с помощью химических, а не чисто механических методов. Например, платиновая проволока диаметром около 1,5 микрона, известная как проволока Волластона, производилась к началу 19 века. Сначала его втапливают в серебро, затем вытягивают, затем серебро химически растворяют. Если бы вы хотели сделать шестерни размером с пылинку в викторианскую эпоху, вы могли бы попробовать сделать это таким образом. (Кстати, микроскопический часовой механизм сделает ваши часы меньше, но, вероятно, не лучше будет отсчитывать время...)

5. Процессы нанесения покрытий

Хотя это не имеет прямого отношения к управлению движением, оно также имеет отношение к способностям изготовления. Гальваника стала зрелой технологией в викторианскую эпоху, и в этот период были изобретены другие методы осаждения тонких пленок, такие как вакуумное напыление. Электроформование было изобретено в 1840 году. Эти методы аддитивного производства позволяют создавать чрезвычайно тонкие и однородные пленки и тонкие тонкостенные структуры. Покрытие серебром на стеклянной подложке можно было сделать толщиной менее микрона. Электроформованные тонкостенные металлические объекты могут иметь толщину в десятки микрон.

6. Бонус: Разделение круга

Помимо длины, еще одним важным моментом является точность углов. Например, если у вас есть зубья шестерни, насколько равномерно они расположены. У викторианцев здесь не возникло бы особых затруднений. Еще в довикторианском 18 веке Джесси Рамсден построил двигатели деления с точностью до одной угловой секунды.

Сколько нулей в твоей чековой книжке и сколько времени у нас есть?

Как люди делают более точные инструменты из менее точных инструментов? Именно так, как вы сказали: «люди» делали это руками (иногда буквально, пальцами полируя). "Вы" конкретно, наверное, не можете, поэтому часовой механизм всегда был уважаемой профессией, а оружейное дело - до сих пор.

Все хорошо сделанное огнестрельное оружие обрабатывается вручную для достижения требуемых допусков. Для этого перетащите файл через деталь, а затем сравните его с сопряжением. Снова и снова и снова, пока самый мелкий «напильник» не станет просто плоским куском более твердого металла; абразивный номер: +3000. Вот почему вы должны проверить, чтобы все серийные номера деталей совпадали, потому что каждая из них была адаптирована к конкретному оружию.

Возникает вопрос, насколько хорошо вы можете отточить лезвие своего режущего инструмента, что выходит далеко за пределы человеческой ловкости, чтобы использовать ее полностью, независимо от того, насколько вы хороши. Чтобы это было реалистично, я бы искал наименьшие допуски, когда-либо достигнутые в производстве, а не то, что было бы возможно , потому что это определяется навыками, ловкостью, временем и «количеством нулей», пока мы не преодолеем микроскопический уровень. .

И тогда начинают возникать всевозможные проблемы, такие как рабочий цикл в полсекунды, восприимчивость даже к незначительным колебаниям температуры, давления или влажности, а также окисление материалов, которые обычно считаются невосприимчивыми (единственный случай — это золото). , который слишком мягкий для изготовления деталей). И стирает себя. Если вам нужно начать беспокоиться об эффекте Казимира; вы зашли слишком далеко.

Управление движением простое: редуктор. Но желание иметь возможность носить его на запястье и заставить его работать ( точно! ) дольше, чем полсекунды (ака, миниатюризация) - это проблема, потому что даже если вы можете это сделать , это не значит, что это так. будет работать . В какой-то момент он становится настолько маленьким, что регулятор перестает быть надежным из-за размера молекул воздуха.

Для аналоговых часов, в конечном счете, вопрос заключается в том, насколько маленьким можно сделать балансовое колесо (изобретенное в 14 веке, решающее достижение, которое «наконец-то сделало возможными точные карманные часы»), до 1960-х годов, когда электроника (камертон и кварцевый механизм) стала доступный.

TL;DR: настолько малы и точны, насколько вы готовы платить и ждать, пока физика или материаловедение не скажут « нет» . Если вы Британия, пытающаяся решить проблему долготы в море, это вчерашний день , так что вот три миллиона фунтов тому, кто сможет. Это в скорректированных долларах, и это был Джон Харрисон , изобретатель морского хронометра : «часы, которые достаточно точны и точны, чтобы их можно было использовать в качестве портативного эталона времени».

Имейте спрос, будьте готовы заплатить за него, и вы сможете получить свой пирог и съесть его... в разумных пределах , как того требуют законы космоса. Только не забудьте завести часы и «всегда набирайте на одну цифру больше» .