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Zeitmessung mit schiefer Ebene

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Uhren stellen seit jeher mehr dar als ein Messinstrument und waren daher oft kunstvoll verziert. (Deutsches Museum, Inventarnummer 1676) Bild: Deutsches Museum

Von Thomas Rebényi, Benjamin Mirwald (Text) und Hubert Czech (Fotos und Video)
Uhren haben Werke – und sie sind oft selbst Kunstwerke. So etwa eine Uhr, die ein geschickter Mechaniker im 18. Jahrhundert für das Kloster Raitenhaslach herstellte. Der Clou: die Uhr wird von ihrer eigenen Masse angetrieben: Sie rollt in zwölf Stunden gemächlich ein geneigtes Brett hinab. Mit Hilfe eines Zeitrafferfilms ließ sich ihr Bewegungsablauf festhalten.
Unser alltäglicher Blick auf die Taschenuhr, Turmuhr oder Wanduhr ist seit etwa hundert Jahren selbstverständlich. GPS und Internet schicken eine milisekundengenaue Uhrzeit aufs Handy. Vor etwa dreihundert Jahren waren sekundengenaue Uhren Einzelstücke. Was heute, romantisch verklärt, als Ungebundenheit und Freiheit von disziplinierenden Stundenplänen erscheinen könnte, war für Menschen im 17. Jahrhundert ein großes Hemmnis, denn exakte Uhren hätten eine viel genauere Planung von Produktion und die Abrechnung von Arbeit ermöglicht. Sie hätten auch einfach Wartezeiten bei Verabredungen verkürzt. 
Uhren waren mehr als ein Messinstrument, sie waren auch Statussymbol. Zum Beispiel konnten sich Fürsten mit originellen, kunstvollen Uhren als wissenschaftlich gebildet inszenieren. Auch Klöster stellten sogenannte Kabinette zusammen, die kuriose und zugleich wissenschaftliche Instrumente enthielten. So baute der süddeutsche Mechaniker Philipp Kumperger (Lebensdaten unbekannt) im Jahr 1779 eine Uhr für das mathematische Museum des Zisterzienserklosters Raitenhaslach bei Burghausen. Außer der Uhr waren in der klösterlichen Naturwissenschaftlichen Sammlung noch mindestens eine Camera Obscura und eine Laterna Magica vorhanden. Nach der Säkularisation des Klosters wurde die „viel bewunderte automatische Uhr“ von Johann Christoph Freiherr von Aretin (1772-1824) nach München beordert, um sie in die Sammlung der Bayerischen Akademie der Wissenschaften aufzunehmen. Aretin war Mitglied der Akademie und als Publizist mit der Auflösung von Klosterbibliotheken betraut. Sehr wahrscheinlich handelt es sich bei der vorliegenden Uhr um diejenige des Klosters, denn in Listen über die säkularisierten Bestände ist ein „Uhrräderwerk“ mit einem geschätzten Wert von 5 Gulden aufgeführt, was etwa zwei Wochenlöhnen für handwerkliche Arbeit entsprach. 
Doch wie kam der auch „Gumberger“ genannte Uhrmacher aus Tittmoning auf die Idee, eine rollende Uhr zu bauen, und wie funktioniert sie genau?
Der Mönch und Naturforscher Caspar Schott (1608-1666) hatte schon in seinem 1687 erschienenen Werk Technica curiosa, sive mirabilia artis unterschiedliche Uhren beschrieben, darunter ein „Horologium Cylindricum volubile, quod innat a sua gravitate per declive planum sensim descendus, horas indicat“. Schott zeigte also eine „Uhr als Drehzylinder, der[,] durch die ihm innewohnende Schwerkraft langsam eine geneigte Ebene hinabsteigend, die Stunden anzeigt.“
Kaspar Schott dachte sich eine Uhr aus, die nur durch ihr Eigengewicht angetrieben werden sollte: Innerhalb von Stunden rollt sie ein Brett hinab, wodurch ihr Uhrwerk angetrieben wird. Quelle: Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte, ECHO – Cultural Heritage Online, Lizenz CC-BY-SA

Grafik aus Kaspar Schotts "Technica curiosa" Bild: Deutsches Museum

Von Schott selbst ist zwar keine solche Uhr überliefert, von seinen Zeitgenossen sind aber genügend Beispiele für Uhren auf schiefer Ebene erhalten: Der Mathematisch-Physikalische Salon in Dresden besitzt zwei Brettuhren, eine davon vom Uhrmacher Johann Wisthoff aus Hall aus dem Jahr 1665. Zwei Uhren aus der Hand Gerhard Muths, vor 1687 hergestellt, befinden sich im Astronomisch-Physikalischen Kabinett in Kassel (Inv.-Nrn. APK U 59 und U 60). Eine davon wird durch die Schwerkraft angetrieben, die andere aber durch eine Feder: Sie rollt, während sie läuft, das Brett hinauf statt hinab. Aus Frankreich, wo im Conservatoire National des Arts et Métiers ebenfalls eine Rolluhr überliefert ist, stammt die Vorstellung, man könne eine solche Uhr besonders lang nutzen, wenn sie eine Schraubenbahn hinunter rolle. Die Uhrzeit wird dabei zusätzlich zum Zifferblatt auch durch Markierungen am Rand der schiefen Ebene abgelesen. 
Der französische Erfinder Nicolas Grollier de Servière (1596–1689) schlug eine Schraubenbahn vor, damit die Rolluhr mehrere Wochen lang genutzt werden konnte. Quelle: Google Books (http://books.google.de/books?id=k-NhuS8pwz8C&hl=de&pg=PA195#v=onepage&q&f=false).

Bahn einer Rolluhr, wie Nicolas Grollier de Servière sie vorschlug. Bild: Deutsches Museum

Eine weitere bemerkenswerte rollende Uhr aus der Zeit um 1750 wird im Landesmuseum Württemberg in Stuttgart präsentiert. Sie zeigt, während sie ein mehr als einen Meter langes Brett hinab rollt, nicht nur Stunden und Minuten, sondern auf ihrer Rückseite sogar die Wochentage an. Dabei dreht sich das Zifferblatt hinter einem Zeiger, der seine Position beibehält.  Eine Rolluhr ließ sich aber auch so bauen, dass das Zifferblatt aufrecht stehen bleibt, wie Kumpergers Uhr zeigt. Ihr Werk sitzt in einem zylindrischen Käfig, im Durchmesser 9,5cm und in der Breite 5cm, mit dem es durch eine zentrale Achse verbunden ist. Überraschend schwer liegt sie mit ihren 1,07 Kilogramm in der Hand, denn ein Bleigewicht im unteren Teil sorgt für die nötige Antriebskraft. Wenn die Uhr auf die schiefe Ebene gesetzt wird, rollt der äußere „Rollkäfig“ mitsamt innerem Uhrwerk zunächst so weit, dass die XII oben steht. Würde die ganze Uhr das Brett weiter hinab rollen, so würde das Gewicht verlagert, denn es liegt exzentrisch im Uhrwerk. Der Käfig ist durch eine Vierkant-Achse mit dem zentral angeordneten Zahnrad des Uhrwerks verbunden, so dass das Gewicht auf das Räderwerk der Uhr wirkt. Das Räderwerk wird in Bewegung versetzt, die Spindelhemmung beginnt zu ticken: Die Uhr läuft. Währenddessen bleibt das Gewicht etwas nach links ausgelenkt, und zwar so viel, wie es zum Antrieb des Uhrwerks nötig ist. Somit dreht sich das gesamte Uhrwerk mit Zifferblatt entgegen dem Uhrzeigersinn im Rollkäfig. Dabei bewegt sich das Gewicht nach unten, wodurch sich der Schwerpunkt der gesamten Einheit Uhrwerk–Käfig ebenfalls ein kleines Stückchen nach unten verlagert. Gleichzeitig rollt nun der Käfig mit Uhr um exakt den Betrag weiter, der das exzentrische Gewicht wieder in seine ursprüngliche Position bringt. Da das Gewicht durch die Übersetzung des Räderwerkes seine Position im Takt der Unruh in winzig kleinen Schritten verlagert, rollt die Uhr theoretisch in ebenso kleinen Schritten die schiefe Ebene hinab. Dieses Spiel wiederholt sich so lange, bis die Uhr nach etwa acht Stunden (je nach Neigung der Ebene) am Ende des 45 Zentimeter langen Bretts angekommen ist.
Haftreibung, fertigungsbedingte Kraftschwankungen im Räderwerk, Unebenheiten auf der schiefen Ebene sowie die Tatsache, dass der Käfig nicht exakt rund läuft, hemmen die gleichmäßige Bewegung der Uhr. Diese Schwankungen lassen sich im Zeitraffervideo gut erkennen.
So rollt die Tischuhr von Philipp Kumperger in einigen Stunden ein Brett hinab. Die „Sprünge“, die sie macht, sind Phasen, in denen das Uhrwerk der Rollbewegung wenig Widerstand entgegen setzt. Nur im Zeitraffervideo war dieses Phänomen zu erschließen.
Die Bedeutung der Uhr liegt darin, dass sie zeigt wie weit die Beschäftigung mit wissenschaftlichen Themen schon in der Neuzeit verbreitet war. Vor etwa 250 Jahren war dies auch im ländlichen Raum nichts ungewöhnliches: In den Klöstern wollte man auf diese Weise Gottes Schöpfung verstehen und ihr gleichzeitig huldigen. Zudem halfen Kenntnisse in Physik, Mathemetik und Astronomie auch dabei, die Landwirtschaft und Technik weiterzuentwickeln, von denen der Wohlstand der Klöster und der Dörfer um sie herum wesentlich abhing.
Daher wusste ein sonst relativ unbekannter Mechaniker, Philipp Kumperger, aus einer kleinen Stadt in Süddeutschland von originellen Uhren und baute selbst eine solche Uhr nach. Diese Wissenskommunikation in ländlichen Regionen trug damit über die Säkularisierung stark zur Vielfalt des Instrumentenbestands bei, den die Bayerische Akademie der Wissenschaften nutzen konnte. 
Zum Weiterlesen:
Bassermann-Jordan, Ernst von: Uhren. 2., verm. Aufl., Braunschweig 1920.
Franks, Jonathan W.: "Uhren auf schiefer Ebene". In: Klassik Uhren 2 (2005). S. 46–55.
Good, Richard: "The Inclined Plane Clock". In: Horological Journal 136 (1994). S. 628–631.
Grollier de Servière, Gaspard: Recueil D’Ouvrages Curieux De Mathématique Et De Mecanique, Ou Description Du Cabinet De Monsieur [Nicolas] Grollier de Servière. Paris 1751, S. 18-20 und Tafeln 42-44.
Krausen, Edgar: Die Zisterzienserabtei Raitenhaslach. Berlin [u.a.] 1977, insbes. S. 28 und 169.
Lübke, Anton: Das große Uhrenbuch. 2. Ausg., Tübingen 1977, S. 310.
Schott, Kaspar: P. Gasparis Schotti Regiscuriani E Societate Jesu, Olim in Panormitano Siciliae, posteà in Herbipolitano Franconiae Gymnasio ejusdem Societatis Jesu Matheseos Professoris Technica Curiosa, Sive Mirabilia Artis, Libris XII. Comprehensa. [Nürnberg] 1687.
Wheeler, Maurice: "Automatum novum". In: Acta eruditorum (1686). S. 79–86.
Herzlichen Dank für Hinweise auf einen Großteil der hier genutzten Literatur schulden wir Irmgard Muesch vom Landesmuseum Württemberg sowie Peter Winkler für wertvolle Hinweise auf Archivbestände. Fruchtbare Diskussionen mit unseren Kolleginnen und Kollegen Bettina Goldes und Johannes-Geert Hagmann sowie Karsten Gaulke und Peter Schimkat vom Astronomisch-Physikalischen Kabinett in Kassel flossen in den Artikel ein.
Hubert Czech, Fotograf im Deutschen Museum, fängt in seinen Bildern den Charakter historischer wissenschaftlicher Instrumente ein. Darüber hinaus erstellt er wie für diesen Beitrag hin und wieder auch Filmsequenzen. 
Thomas Rebényi ist Uhrmachermeister in der Restaurierungswerkstatt für wissenschaftliche Instrumente im Deutschen Museum.
Benjamin Mirwald ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Deutschen Museum und erforscht die Objekte der mathematisch-physikalischen Sammlung der Bayerischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen eines im Januar 2013 gestarteten DFG-Projekts.

Autor/in

Benjamin Mirwald

Benjamin Mirwald ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Deutschen Museum und erforscht die Objekte der mathematisch-physikalischen Sammlung der Bayerischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen eines im Januar 2013 gestarteten DFG-Projekts.