Räderuhr

In einer Räderuhr treibt ein sinkendes Gewicht ein Räderwerk an, und eine Hemmung lässt dieses Räderwerk nur in kleinen, gleichmäßigen Schritten vorrücken. Die ersten entstanden Ende des 13. Jahrhunderts in Europa: große Eisenmaschinen in Kirchtürmen, die die Stunden auf einer Glocke schlugen.

Was es ist

Eine Räderuhr teilt die Zeit in gleiche Schläge und zählt sie mit Zahnrädern. Die frühesten, ab dem Ende des 13. Jahrhunderts gebaut, waren große Gestelle aus Schmiedeeisen in Kirch- oder Stadttürmen. Ein schweres Steingewicht trieb sie an, eine Spindelhemmung mit Waag regelte sie: ein hin- und herschwingender Balken, der die Räder nur in kleinen, regelmäßigen Schritten weiterlaufen ließ. Viele hatten gar kein Zifferblatt; sie schlugen zu den Stunden eine Glocke, und man erfuhr die Zeit mit dem Ohr.

In der Kathedrale von Salisbury läuft eine Uhr dieser Art noch heute im Kirchenschiff. Man setzt sie meist mit einer Uhr gleich, die dort 1386 erwähnt wird, und nennt sie deshalb oft die älteste noch laufende Uhr der Welt; diese Datierung beruht auf indirekten Hinweisen, und auch andere Uhren werden für den Titel genannt. Ihre Räder sitzen in einem Eisengestell mit vier Pfosten, das mit verkeilten Zapfen statt mit Schrauben zusammengehalten wird. Ein Gewicht treibt das Gehwerk, das die Zeit hält, ein zweites das Schlagwerk, das die Glocke läutet.

Wie es funktioniert

Das Gewicht hängt an einem Seil, das um eine hölzerne Trommel gewickelt ist. Sinkt es langsam, dreht es die Trommel und das große Rad auf derselben Welle. Das große Rad treibt ein kleines Ritzel auf der nächsten Welle, die ein weiteres Rad trägt, und so fort bis zum Hemmungsrad. Bei jedem Übergang vom Rad zum Ritzel dreht sich die nächste Welle schneller.

Die Spindelhemmung von der Seite gesehen, wobei die Zähne rings um den Kranz des Kronrads in einer Reihe erscheinen: Das Rad stößt abwechselnd die beiden Lappen an, und die beschwerte Waag schwingt oben auf der Spindel hin und her.

Sich selbst überlassen, würde das Gewicht das Räderwerk durchdrehen und in Sekunden herabfallen. Das verhindert die Hemmung. Das Hemmungsrad ist ein Kronrad, dessen sägeförmige Zähne aus einer Stirnseite hervorstehen. Davor hängt die Spindel, ein senkrechter Stab mit zwei kleinen Lappen, den Paletten: Die eine trifft die Zähne oben am Rad, die andere unten, ungefähr im rechten Winkel zueinander versetzt. Ein Zahn drückt die obere Palette beiseite und dreht die Spindel; dadurch gerät die untere Palette vor einen Zahn auf der anderen Seite des Rades, der sie in die Gegenrichtung zurückstößt. So pendelt die Spindel hin und her, und das Rad rückt bei jedem Ausschlag in eine Richtung um einen halben Zahn vor, bei jedem Hin und Her um einen ganzen.

Die Waag ist ein waagerechter Balken quer über dem oberen Ende der Spindel, mit einem kleinen Gewicht nahe jedem Ende. Ihre Trägheit bremst jeden Schlag. Schiebt man die Gewichte nach außen, wird der Schlag langsamer und die Uhr geht nach; schiebt man sie nach innen, geht sie vor. Die Waag hat keine eigene Schwingungsdauer, darum hängt der Gang auch von der Antriebskraft, der Reibung und dem Zustand des Öls ab, und eine übliche Abweichung lag bei etwa einer Viertelstunde am Tag. Der Türmer stellte die Uhr nach einer Sonnenuhr und zog die Gewichte täglich auf.

Wie man sie baut

Ein Funktionsmodell einer Spindelhemmung mit Waag aus Sperrholz und Hartholzdübeln lässt sich mit Handwerkzeug bauen. Es tickt und zeigt, wie die Hemmung ein sinkendes Gewicht im Zaum hält; ohne Zifferblatt zeigt es keine Uhrzeit. Das Folgende gibt einen Überblick über die Arbeitsschritte: Für Zahnformen und Achsabstände nach einem veröffentlichten, bemaßten Bauplan für ein Hemmungsmodell aus Holz arbeiten.

Ein Laternenritzel: runde Stäbe zwischen zwei Scheiben, von Hand leicht herzustellen, greifen in die Zähne des größeren Rades.

Das Gestell bauen. Zwei etwa 40 cm hohe Pfosten mit Querstreben verbinden und für drei waagerechte Wellen übereinander in den Abständen des Plans bohren. Dübel als Wellen nehmen und die Löcher mit kurzen Messingröhrchen ausfüttern, damit sie leicht laufen. Das Gestell auf einen schweren Sockel oder eine Wandkonsole schrauben, damit es nicht kippen kann.

Das Räderwerk anfertigen. Auf die untere Welle kommen eine Trommel für die Schnur und das große Rad, auf die mittlere ein Laternenritzel aus Dübelstäben und ein zweites Rad, auf die obere ein weiteres Laternenritzel und das Kronrad. Jedes Rad muss ohne Klemmen und ohne Überspringen in sein Ritzel greifen; deshalb die Zähne nach dem Profil des Plans aussägen und glatt feilen.

Die Hemmung anfertigen. Das Kronrad braucht eine ungerade Zahl von Zähnen, üblich sind 15, die aus einer Stirnseite herausstehen: Sie werden an der Kante eines kurzen Rings aus dünnem Sperrholz oder Hartholz ausgesägt, der dann auf die Stirnseite einer Scheibe geleimt wird. Die Spindel, einen geraden Dübel, senkrecht vor dem Rad lagern, mit zwei dünnen Paletten im Winkel von etwa 90 Grad auf Höhe des oberen und des unteren Radrandes. Wegen der ungeraden Zähnezahl trifft eine Palette eine Zahnspitze, während die andere vor einer Lücke steht. Die Waag, einen leichten Balken von etwa 30 cm mit zwei verschiebbaren Gewichten, quer oben auf der Spindel befestigen.

Ohne Gewicht einregulieren. Das Räderwerk mit einem Finger an der Trommel von Hand drehen und prüfen, dass die Paletten abwechselnd arbeiten: Ein Zahn oben fällt ab, dann fängt ein Zahn unten die andere Palette, ohne dass ein Zahn übersprungen wird oder etwas klemmt. Die Paletten nur bei abgenommenem Gewicht biegen oder befeilen. Dann eine Schnur, deren zulässige Last das Gewicht deutlich übersteigt, um die Trommel wickeln, ihr Ende daran festbinden, das im Plan angegebene Gewicht anhängen, bei einem kleinen Holzmodell oft 1 bis 2 kg. Zum Einstellen des Schlags das Gewicht abnehmen oder abstützen, die Waaggewichte ein wenig verschieben, das Gewicht wieder hängen lassen und die Schläge einer Minute zählen; so lange wiederholen, bis der Schlag gleichmäßig ist.

Sicherheit. Rutscht eine Palette ab, läuft das Räderwerk durch und das Gewicht fällt: Vor jedem Eingriff an der Hemmung das Gewicht abnehmen oder abstützen und es in einer geschlossenen Führung laufen lassen, einem Rohr oder Kasten, die am Boden endet. Hände, Füße und Haustiere aus seiner Bahn halten. Beim Aussägen der Zähne das Werkstück einspannen und die Hände hinter dem Sägeblatt halten; beim Bohren eine Schutzbrille tragen.

Geschichte und Entwicklung

Das Schlagwerk zieht am Draht, der Hammer schlägt gegen die Glocke, und die Stunde ist in der ganzen Stadt zu hören.

Wasseruhren und Sonnenuhren maßen die Zeit seit Jahrtausenden, bevor es Räderuhren gab. Der entscheidende Schritt, ein Mechanismus, der ein Gewicht in regelmäßigen Rucken sinken lässt, gelang irgendwo in Europa im späten 13. Jahrhundert, und in der ersten Hälfte des 14. Jahrhunderts sind große öffentliche Uhren in italienischen Städten bezeugt. Uhren tauchen damals in den Akten von Kathedralen und Klöstern auf, doch dasselbe lateinische Wort, horologium, bezeichnete auch Wasseruhren, sodass sich die erste Räderuhr nicht benennen lässt. Ende des 14. Jahrhunderts liefen in vielen Kathedralen große Eisenuhren; das Werk der Uhr von Wells aus dem Jahr 1392 steht heute im Science Museum in London, ihr Zifferblatt noch in der Kathedrale.

Die große Wende kam 1656–1657, als Christiaan Huygens nach einer Idee Galileis eine Uhr mit einem Pendel regelte. Ein Pendel schwingt fast unabhängig von der Antriebskraft in gleicher Zeit. Huygens’ erste Pendeluhr wich um weniger als eine Minute am Tag ab, seine späteren um weniger als zehn Sekunden. Viele Turmuhren wurden umgebaut; die von Salisbury und Wells verloren ihre Waag zugunsten eines Pendels, und Salisbury erhielt bei der Restaurierung 1956 eine nachgebaute Spindel mit Waag. Um 1675 gab die Unruhspirale den Taschenuhren einen Gangregler mit eigener Schwingungsdauer; ihre Abweichung sank auf etwa zehn Minuten am Tag, weit hinter einer Pendeluhr, aber viel besser als zuvor.