Každé mechanické hodiny mají tyto hlavní části:
- zdroj energie čili pohon, jímž může být závaží, pružina s natahovacím zařízením nebo zdroj proudu
- soustavu ozubených převodů, jež přenáší energii od zdroje k oscilátoru
- krok, který spojuje oscilátor s posledním (nejrychlejším) kolem převodu, jež se nazývá krokové nebo stoupací kolo
- oscilátor či regulátor, který řídí rychlost otáčení krokového kola a na němž závisí přesnost hodin
- Indikační zařízení, tj. hodinové převody, ručky a ciferník
K tomu od nejstarších dob přistupují
- bicí nebo hrací zařízení
- indikace data, polohy Slunce a Měsíce a podobně
Pohon
Ideálním pohonem mechanických hodin je závaží, zavěšené buďto na lanu či struně, navinuté na bubnu, anebo na řetízku, zachyceném na řetězovém kole. Závaží vyvíjí přesně konstantní hnací sílu, nedá se však použít u přenosných hodin.
U přenosných hodin a hodinek se proto používá plochá pružina („péro“), svinutá do spirály a u lepších hodin umístěná v pérovníku. Hnací síla pružiny s jejím rozvíjením klesá a tím působí nerovnoměrnost chodu. U starších přesných přenosných hodin a chronometrů ji kompenzovaly složité mechanismy, například tzv. šnek s řetízkem, kde se s rozvíjením pružiny zároveň mění rameno, na němž síla působí.
Převody
Hnací kolo mechanických hodin, tj. ozubené kolo spojené s bubnem nebo řetězovým kolem, přenáší energii několika převody do rychla až na stoupací (krokové) kolo, jehož otáčení reguluje krok a oscilátor. Typické mechanické hodiny mají tři až pět převodů, jež tvoří typická hodinová kola, tj. pastorek a kolo na společném hřídeli. Pastorek mívá 6 až 10 zubů a u levnějších strojů může být „cévkový“, tj. tvořený věncem kolíčků. Jinak ozubení mechanických hodin jsou cykloidní, aby se povrchy zubů po sobě nesmýkaly nýbrž odvalovaly a snížilo se tak tření.
Oscilátor
Vlastním jádrem hodin je oscilátor, tj. soustava setrvačných hmot a direkční síly s vlastní frekvencí kmitů. Na jeho isochronii závisí přesnost chodu hodin. Nejstarším oscilátorem mechanických hodin je tzv. lihýř, rameno s dvěma závažími, které se otáčí kolem svislé osy. Hřídel lihýře je zavěšen na provazu nebo řemenu, jehož zkrucováním vzniká direkční síla. Posunem závažíček po rameni lze měnit vlastní frekvenci lihýře. Lihýř je fyzikálně velmi neurčitý, jeho frekvence závisí na stavu závěsu a podobně. Chyba chodu i variace lihýřových hodin byla v řádu minut za den, nicméně se udržel jako oscilátor nepřenosných hodin až do 17. století, u přenosných hodin a hodinek ještě o století déle.
Téměř ideální mechanický oscilátor je kyvadlo, jehož direktivní silou je dokonale stálá zemská gravitace. Kyvadlo jako prostředek měření času navrhl poprvé Galileo Galilei, konstrukce se někdy připisuje už jeho synovi, první kyvadlové hodiny postavil a roku 1655 podrobně popsal holandský fyzik Christiaan Huygens. Matematické kyvadlo má přesnou vlastní frekvenci kyvů, která ovšem mírně závisí na rozkyvu (amplitudě) kyvadla. Proto se u přesnějších hodin (včetně tzv. pendlovek) volí velmi malá amplituda v rozmezí do několika stupňů, což ovšem zvyšuje nároky na přesnost výroby kroku. Se změnami teploty se mění i délka kyvadla, přesné kyvadlové hodiny proto mívaly i teplotní kompenzaci.
Hlavní nevýhodou kyvadla je to, že je nelze použít u přenosných hodin. Proto se u hodinek dlouho udržel lihýř, který teprve kolem roku 1700 nahradila setrvačka (lidově „nepokoj“, z německého Unruh). Setrvačka je kolo na hřídeli a direkční sílu vyvozuje vlásek, jemná spirálová pružina. Frekvenci setrvačky ovlivňuje teplotní roztažnost věnce, která se u lepších hodinek kompenzovala bimetálem, novější hodiny ji omezují volbou vhodné oceli. Také tuhost vlásku závisí na teplotě, lepší hodinky proto mívají vlásek ze speciální slitiny, invaru. Chod hodin ovlivňuje i tření čepů setrvačky v ložisku, které se proto dělá z umělých rubínů a s co nejtenčími čepy (typicky kolem desetiny mm). Takové čepy jsou ovšem mechanicky choulostivé, takže ložiska moderních hodinek jsou vždy ještě odpružena
Krok
Kotvový krok hodinek se setrvačkou.Největším konstrukčním problémem mechanických hodin je krok, zařízení, které při každém (nebo každém druhém) kyvu oscilátoru propouští jeden zub krokového kola a zároveň dodává oscilátoru energii. Ideální krok by přitom měl oscilátor co nejméně ovlivňovat, u lepších hodinek se proto užívají tzv. volné kroky, kde se oscilátor po většinu kyvu kroku vůbec nedotýká. V průběhu vývoje vznikly desítky velmi důmyslných konstrukcí, které se dělí do dvou skupin:
Kroky vratné, výrobně jednodušší, kde však musí oscilátor krokové kolo vracet, což silně snižuje přesnost hodin. mezi vratné kroky patří:
- lihýřový (lopatkový) krok,
- hákový krok starších nástěnných hodin, "kukaček" a pod.,
- kolíčkový krok mechanických budíků aj.
Kroky klidové, které tuto vadu nemají sem patří:
- různé varianty kotvového kroku;
- chronometrové kroky aj.
.gif)
