Wie funktioniert eine Armbanduhr?

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Ein gehöriger Teil der Faszination rund um Armbanduhren entsteht natürlich durch die Funktionsweise von mechanischen Uhren. Diese Wunderwerke der Technik arbeiten, jedenfalls bei mechanischen Uhrwerken, komplett ohne Strom oder Energie von außen. Zahnräder, Federn und Zapfen erlauben uns das Ablesen der Uhrzeit mit einer minimalen Abweichung. Was die wenigsten Uhrenfans wissen: Im Laufe ihres Lebens legt die Unruh eines mechanischen Uhrwerks eine Strecke zurück, die mehrfach zum Mond und wieder zurück auf die Erde reichen würde – deutlich mehr Strecke, als ein Autoreifen jemals zurücklegen könnte. Uhren sind also echte Hightech-Instrumente und gleichzeitig robuste und langlebige Alltagsgegenstände.

Die grundlegende Funktionsweise einer Uhr dürfte dabei zwar nahezu jedem Uhrenfan bekannt sein, die Details dahinter kennen aber oft nur Uhrmacher oder wirklich erfahrene und / oder belesene Uhrensammler. Die Funktionsweise einer Armbanduhr richtet sich aber natürlich vor allem nach dem grundsätzlichen Aufbau: Quarzuhren funktionieren komplet anders als mechanische Uhren, die sich wiederum in Automatikuhren und Uhren mit Handaufzug unterteilen. Daneben existieren aber natürlich auch Smartwatches und Uhren mit digitaler Anzeige, die jedoch mit der klassischen, analogen Armbanduhr in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise nur noch sehr begrenzt etwas zu tun haben. Im Folgenden soll sich dabei auf analoge Uhren bezogen werden, denn – seien wir ehrlich – nur diese sind für einen echten Uhrenfan wirklich relevant. Ausnahmen hiervon, etwa die legendäre Casio F91-W oder historische bedeutende Digitaluhren von Hamilton, Junghans & Co. bestätigen wie immer natürlich die Regel.

Automatikuhren und Uhren mit Handaufzug

Die Funktionsweise einer Automatikuhr und einer Uhr mit Handaufzug ist praktisch identisch – lediglich die Bereitstellung der Energie funktioniert ein klein wenig anders. Im Grundsatz geht die Zeitmessung aber von der Unruh aus, dem „Herz“ der Uhr. Wer schonmal ein mechanisches Uhrwerk gesehen hat oder gar eine Armbanduhr mit Sichtglasboden besitzt, der kann der Unruh bei der Arbeit zusehen: sie schwingt hin und her. Die Unruhspirale ist dabei in einem Metallrahmen, dem sogenannten „Unruhreif“, verankert, der die Spirale hält. Das Hin- und Herschwingen der Spirale wird über einen Zapfen, auf dessen Oberseite sich ein Lagerstein befindet, an die unter der Unruh liegende Hemmung weitergegeben.

Auf dem Unruhreif und der Unruh befindet sich die Feinregulierung, die über verschiedene Technologien umgesetzt werden kann. Die sogenannte Schwanenhalsregulierung oder gar die doppelte Schwanenhalsregulierung gilt hier als das Maß der Dinge und wird vor allem bei Nobelmarken aus Glashütte eingesetzt. Einfachere Formen der Regulierung umfassen etwa die weit verbreitete Rückerregulierung. Über diese Funktionsteile kann die Schwungweite der Unruh reguliert werden, wodurch die Zeitabstände der Schwingung beeinflusst werden. Die Regulierung dient dazu, die von der Uhr angezeigte Uhrzeit auf die tatsächliche Uhrzeit zu synchronisieren, da ansonsten ein Vor- oder Nachgang entstehen würde.

Bei der Hemmung, also auf der gegenüberliegenden Unterseite der Unruh, werden die von der Unruh umgesetzten Zeiteinheiten in Bewegung übersetzt. Die Art der Hemmung bei mechanischen Uhrwerken hat sich in den letzten Jahrhunderten massiv verändert, die freie Ankerhemmung hat sich jedoch nachhaltig durchgesetzt. Das Ankerrad wird hierbei vom Anker, der wiederum am Unruhzapfen sitzt, eingebremst und reguliert damit die Energieabgabe des Uhrwerks an das Räder- und Zeigerwerk.

Federhaus und Unruh

Die Energie ist bei einer mechanischen Uhr im Federhaus gespeichert (im Englischen nennt man es „Barrel“, was auf Grund der Erscheinung dieses Bauteils nicht ganz fernliegend ist). Im Inneren des Federhauses befindet sich die Aufzugsfeder, die wiederum die Energie des Uhrwerks speichert. Wenn die Energie nun an das Räderwerk, also die Gesamtheit der Zahnräder im Uhrwerk, abgegeben wird, drehen sich diese Zahnräder und damit auch die an der Oberseite montierten Zeiger. Damit die Energie jedoch nicht schlagartig sofort abgegeben wird, muss die Entspannung der Aufzugsfeder reguliert und die abgegebene Energie portioniert werden.

Diese Portionierung übernimmt wiederum die Unruh, indem sie nur immer schrittweise das Entspannen der Aufzugsfeder und das Freigeben der darin gespeicherten Energie erlaubt. Aber wie kommt die Energie nun in die Aufzugsfeder? Das ist ganz einfach: Bei früheren Taschenuhren wurde die Feder mittels eines Schlüssels aufgezogen, der durch eine Öffnung auf dem Zifferblatt gesteckt wurde. Mit der Erfindung der Aufzugskrone war es dann möglich, die Feder über die Krone an der Seite der Uhr zu spannen. Die nächste Errungenschaft, die zur Einführung der modernen Automatikuhr führte, war der automatische Aufzug.

Heute gibt es nahezu ausschließlich den Rotoraufzug, der die effizienteste Bereitstellung von Energie bietet – die veraltete Hammerautomatik wird nur noch aus Gründen der Nostalgie von manchen Uhrenherstellern verbaut und entsprechende Modelle sind meist am oberen bis obersten Ende der preislichen Fahnenstange angesiedelt.

Die Erfindung der Automatikuhr

Die Automatikuhr, bzw. die Erfindung des automatischen Aufzugs, wird häufig der Marke Rolex zugeschrieben, die im Jahr 1931, nur fünf Jahre nach der Vorstellung der Oyster, also der ersten wasser- und staubdichten Armbanduhr, mit dem Perpetual Uhrwerk neue Maßstäbe setzte. Tatsächlich hat Rolex den automatischen Aufzug aber nicht einmal ansatzweise erfunden. Bereits viele Jahrzehnte zuvor gab es unterschiedliche Ansätze für einen automatischen Aufzugsmechanismus, wobei insbesondere die sogenannte „Harwood-Automatik“ ein vielversprechender Kandidat war.

Das Problem: Viele frühe Formen des automatischen Aufzugs eines Uhrwerks waren so ineffizient oder so empfindlich, dass an eine praktische Nutzbarkeit bei einer Armbanduhr im Alltag kaum zu denken war. Rolex löste dieses Problem mit dem ersten 360 Grad frei schwingenden Rotor beim Perpetual Aufzug. Eigentlich ist aber auch diese Aussage nicht ganz richtig! Rolex selbst hat nämlich nie eigene Uhrwerke produziert, sondern sich diese von einem Zulieferer schicken lassen. Dieser Zulieferer war bereits sehr früh exklusiv (mit Ausnahme der Chronographenwerke) die Schweizer Marke Aegler. Aegler war es letztendlich, der über eine Modifikation eines bestehenden Aegler Uhrwerks den Rotoraufzug erfand und diesen im Rahmen der exklusiven Belieferung an Rolex im Perpetual-Aufzug weltbekannt machte.

Insbesondere flachere und elegantere Uhren verfügen häufig über einen sogenannten „Mikro-Rotor“, der dann nicht die komplette Rückseite des Uhrwerks umspannt, sondern auf der Ebene des Uhrwerks selbst in einer kleinen Fläche schwingen kann. Die reduzierte Schwingfläche führt zu einer ineffizienteren Energiegewinnung, weshalb diese Mikrorotoren häufig aus massivem Gold gefertigt sind, um durch dessen höheres Gewicht die Effizienz noch etwas zu verbessern.

So funktioniert eine Quarzuhr

Ein Quarzwerk funktioniert hingegen gänzlich anders als ein mechanisches Uhrwerk, auch wenn man dies bei einem Blick auf das Zifferblatt nicht sieht. Im Gegensatz zur Unruh ist das Herz bei einem Quarzwerk nämlich nicht irgendein mechanisches Bauteil, sondern ein Kristall – nämlich ein Quarzkristall. Dieser schwingt heutzutage standardmäßig mit einer Frequenz von 32.768 Hz, wohingegen bis etwa 1970 die experimentellen Quarzwerke noch Frequenzen von weniger als 10.000 Hz hatten. Allerdings schwingt ein Quarzkristall natürlich nicht einfach so, er muss zum Schwingen angeregt werden! Dies geschieht in einem Quarzwerk über elektrische Energie, die von einer Knopfzellbatterie stammt. Diese Batterie versorgt das gesamte Uhrwerk mit Energie, denn nicht nur der Quarzkristall benötigt diese, sondern auch weitere Bauteile sind auf die elektrische Energie angewiesen.

Die Schwingung des Quarzkristalls wird zunächst von einem Mikroprozessor ausgelesen und im Anschluss übersetzt: Bei 32.768 Hz schwingt der Kristall 32.768 mal pro Sekunde. Jedes mal, wenn diese Anzahl an Schwingungen erreicht ist, gibt der Mikroprozessor eine Anweisung an den Schrittmotor des Uhrwerks, das Räderwerk um einen bestimmten Schritt weiterzudrehen. Am Räderwerk wiederum ist der Zeigerturm befestigt, an dessen Ende – auf der Oberseite des Zifferblatts dann – die Zeiger sitzen. Auf Grund dieser Konstruktion bewegt sich der Sekundenzeiger bei einer Quarzuhr auch nicht so flüssig wie bei einer mechanischen Uhr, sondern im Regelfall nur ein mal pro Sekunde.

Die sehr hochfrequente Zeitmessung mittels Quarzkristall (der namensgebend für diese Uhrwerke ist) sind Quarzwerke um ein Vielfaches präziser als automatische Uhrwerke: Während gute mechanische Chronometer nicht mehr als 2 Sekunden Fehlgang pro Tag aufweisen, laufen Quarzuhren in einer Spanne von plus / minus 10 Sekunden pro Jahr. Auf Grund der deutlich weniger benötigten Zahnräder sind Quarzwerke selten mit so vielen Rubin-Lagersteinen ausgestattet, wie mechanische Uhrwerke dies sein müssen.

Der fehlende mechanische Charakter dieser Uhrwerke macht Quarzuhren für Uhrensammler und Fans historischer mechanischer Uhren relativ uninteressant – gleichzeitig hat die Quarzuhr aber historisch gesehen einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung der weltweiten Uhrenindustrie gehabt und auch im Quarzuhren-Bereich gibt es eine ganze Reihe an innovativen Produkten und Technologien: von der Seiko Spring-Drive Technologie, die Funktionen mechanischer Uhrwerke und von Quarzuhrwerken kombiniert, über Energie aus Sonnenlicht bei den Citizen Eco-Drive Uhrwerken bis hin zu unglaublich präzisen Zeitmessungen, etwa bei den Longines VHP (Very High Precision) Quarzwerken.

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