Tagbogen

Schwenkbereich

90 °

Tageslauf

12 h

Winkelgeschw.

15 °/h

Gesamtsichtfeld

155 °

Antriebsleistung

0,4 mW

Aufziehen

1 ×/Tag

Auftrag und Auslegung

Gebaut werden soll ein Tischinstrument, das ohne Motor und ohne Elektronik im Antriebsstrang eine ESP32-Kamera langsam über den Tag schwenkt. Aufgezogen wird einmal täglich von Hand. Der Schwenkbereich beträgt 90 Grad; der Kopf fährt sie in eine Richtung und anschliessend wieder zurück.

Als Tagfenster sind 12 Stunden gesetzt. Daraus folgt der gesamte Rest: 180 Grad Weg in 12 Stunden, also 15°/h oder 0,25°/min. Das ist, nicht ganz zufällig, genau die Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung. Wer den Bogen nach Süden ausrichtet, hat ein Gerät, das der Sonne folgt statt ihr hinterherzuzeigen — eine umgekehrte Sonnenuhr.

Das Standardobjektiv der ESP32-CAM sieht rund 65 Grad breit. Bei 90 Grad Schwenk überstreicht das Instrument damit ein Gesamtfeld von etwa 155 Grad, und eine ganze Bildbreite wandert in gut vier Stunden durch. Wer alle fünf Minuten auslöst, bekommt Einzelbilder mit rund 1,25 Grad Versatz — als Zeitraffer eine sehr weiche Fahrt, als Panorama eine lückenlose Überlappung.

Was 90 Grad mit Rücklauf gewinnt

Die Verkleinerung gegenüber einem 180-Grad-Schwenk in eine Richtung ist nicht nur ein Rückzug auf das Machbare, sie räumt drei Konstruktionsprobleme gleichzeitig ab:

• Das Rückstellen entfällt. Am Abend steht der Kopf wieder auf der Morgenstellung. Aufziehen heisst nur noch: Gewicht hochkurbeln. Ein Instrument mit einseitigem Umlauf müsste bei jedem Aufzug zusätzlich die Kamera zurückschwenken — mit Freilauf, Sperrklinke und der Gefahr, gegen das laufende Werk zu arbeiten.
• Die Stromzuführung wird trivial. Bei ±45 Grad genügt eine grosszügige Kabelschlaufe unter dem Drehteller. Ein Schleifring wäre nicht nur teurer, er brächte auch Reibung an genau der Stelle, an der man sie sich am wenigsten leisten kann.
• Der Zyklus schliesst sich. Hin und zurück heisst: die Antriebswelle macht pro Tag genau eine Umdrehung. Damit lässt sich die Umkehr in ein einziges Bauteil legen, statt sie zu schalten.

Vorbilder

Das Prinzip ist alt und hat einen Namen: Registriertrommel mit Uhrwerkantrieb. Der Tagbogen ist im Kern ein Barograph, bei dem statt einer Schreibfeder eine Kamera am Bogen hängt.

Was sich in dieser Reihe nicht findet: ein Tagesinstrument, das rein mechanisch über zwölf Stunden schwenkt und dabei digital fotografiert. Die Zeitrafferköpfe laufen eine Stunde, die Registriergeräte tragen keine Last, die Teleskopantriebe sind astronomisch gedacht und stehen nachts.

Das eigentliche Problem

Ein Fallgewicht von 2 kg über 1 m Fallweg gibt rund 20 Joule ab. Auf 12 Stunden verteilt sind das etwa 0,45 mW — die Grössenordnung, mit der eine Kuckucksuhr ihr Pendel und ihr Räderwerk unterhält. Zum Bewegen einer 200-Gramm-Kamera auf gutem Lager ist das reichlich. Energie ist nicht das Problem. Die Probleme sind:

Losbrechreibung

Bei 0,25 Grad pro Minute bewegt sich nichts flüssig. Das Lager läuft in die Haftreibung, das Werk baut Moment auf, der Kopf springt los. Dagegen hilft nur Bauart: ein grosses Dünnring- oder Axialkugellager statt eines kleinen Zapfens, der Schwerpunkt der Kamera exakt auf der Drehachse ausgewuchtet, und das Gerät wirklich waagrecht — Libelle und Stellfüsse gehören ins Gehäuse, sonst zieht die Schwerkraft den Kopf dauerhaft in die Tiefstellung und verfälscht die Bewegung asymmetrisch.

Umkehr

Ein Antrieb dreht in eine Richtung. Ihn am Anschlag umzuschalten, verlangt eine Mechanik, die unter Last kippt — und das ist genau die Sorte Bauteil, die nach drei Wochen klemmt.

Ganggenauigkeit — und warum sie egal ist

Die Umkehr: eine Herzkurvenscheibe

Aus einer gleichförmigen Drehung eine gleichförmige Hin- und Herbewegung zu machen, ist ein gelöstes Problem der Feinmechanik. Das Bauteil heisst Herzkurve und sitzt in Chronographen (dort stellt es die Zeiger auf null) und in Textilmaschinen (dort verlegt es den Faden gleichmässig über die Spule). Ein radialer Abtaststift läuft in einer geschlossenen Kurvennut; der Radius wächst über eine halbe Umdrehung linear an und fällt über die andere Hälfte linear ab.

Die Nut wird als geschlossene Kurve gedruckt, der Stift läuft formschlüssig darin. Damit braucht es keine Rückholfeder, gegen die der Antrieb den halben Tag arbeiten müsste, und die Umkehr geschieht ohne jedes Schaltteil — die Scheibe dreht immer gleichsinnig weiter, die Bewegungsrichtung dreht sich von selbst. Die Spitze der Herzkurve wird auf wenige Millimeter Radius abgerundet, sonst gibt es an den Umkehrpunkten einen Stoss.

Verworfen und warum: Kreuzgewinde (wie in der Angelrolle) ist gleichwertig sauber, aber als gegenläufig geschnittene Wendelnut kaum druckbar. Endanschlag mit Umschaltklinke ist ein Bauteil, das unter Dauerlast kippen muss — die klassische Verschleissstelle.

Vom Abtaststift geht es zum Drehteller über einen Seilzug: ein Stahlseil, ein- bis zweimal um eine Trommel auf der Kameraachse geschlungen, beide Enden am Stift. Das ist spielfrei, billig und leichtgängiger als jedes Zahnradpaar — dasselbe Prinzip wie der Skalenseilzug im Röhrenradio oder der Feintrieb am Teleskop. Bei einer Trommel von 40 mm Durchmesser entspricht eine Vierteldrehung, also 90 Grad, genau 31,4 mm Seilweg; das ist der Hub, den die Herzkurve liefern muss.

Zwei Bauwege

Die Umkehr steht damit fest, die Kraftquelle nicht. Es gibt zwei ernsthafte Wege, und sie führen zu spürbar verschiedenen Geräten.

Variante A · Fallgewicht mit Hemmung

Ein Fliehkraftregler, wie ihn die alten Teleskopantriebe verwenden, ist für dieses Gerät der falsche Weg. Ein solcher Regler braucht Drehzahl, um zu regeln — mehrere hundert Umdrehungen pro Minute. Von einer Welle, die eine Umdrehung pro Tag macht, wäre das eine Übersetzung jenseits von 100 000 zu 1, also ein Räderwerk mit fünf Stufen, nur für die Bremse.

Eine Ankerhemmung mit Pendel ist ungleich zahmer. Ein Halbsekundenpendel von 248 mm Länge treibt ein Ankerrad mit zwei Umdrehungen pro Minute; von der Gewichtstrommel aus sind das 144 zu 1, zwei Getriebestufen. Der übliche Einwand gegen Hemmungen — sie bewegen ruckweise — verfällt bei dieser Untersetzung vollständig: pro Sekundenschritt rückt die Kamera um 0,004° vor. Das liegt weit unter jeder Wahrnehmungsschwelle, auch im Video.

Und weil die Pendellänge die Feinjustage ist, müssen die Zähnezahlen nicht exakt aufgehen. Ein Räderwerk, das rechnerisch fünf Prozent danebenliegt, wird durch Verschieben der Pendellinse gerichtet.

Variante B · Sinkende Sandsäule

Sand hat einen physikalischen Vorzug, den kaum jemand kennt: er fliesst durch eine Blende mit einer Rate, die vom Füllstand unabhängig ist. Die Kornbrücken über der Öffnung schirmen den Druck der Säule darüber ab (Beverloo-Gesetz, Janssen-Effekt). Wasser tut das nicht — eine Klepsydra läuft mit sinkendem Pegel immer langsamer.

Das lässt sich direkt als Antrieb bauen: ein beschwerter Kolben ruht auf einer Sandsäule in einem Rohr, unten läuft der Sand durch eine feine Blende ab, der Kolben sinkt mit konstanter Rate nach. Er liefert dabei seine volle Gewichtskraft — lautlos, ohne Hemmung, ohne Pendel, ohne Räderwerk. Ein Rohr von 200 mm Sandhöhe, ein Seil über eine Trommel von 63,7 mm Durchmesser: das sind exakt 200 mm Umfang, also eine einzige Umdrehung pro Tag, und die Herzkurve sitzt auf derselben Welle. Das ganze Instrument hat dann zwei Wellen und kein Zahnrad.

Auslegung in Zahlen

Alle Werte sind Vorschläge für den ersten Aufbau, nicht Endmasse. Die Feinauslegung des Räderwerks steht noch aus.

Gedruckte Triebe unter 8 Zähnen laufen unruhig. Lieber drei Stufen mit mässiger Übersetzung als zwei mit einem 6-Zähner. Modul 0,8 ist ein brauchbarer Kompromiss aus Druckbarkeit und Baugrösse.

Elektrik: was der ESP wissen muss

Der Winkel ist zweideutig

Das ist die einzige Falle, die der Rücklauf neu einbringt, und sie ist im Kopfbild schon zu sehen: jede Winkelstellung kommt zweimal am Tag vor, einmal auf dem Hinweg und einmal auf dem Rückweg. Ein Poti allein kann Vormittag und Nachmittag nicht unterscheiden. Zwei Auswege, die sich ergänzen:

• Aus der Uhrzeit. Der ESP hat ohnehin Netzzeit oder eine RTC. Vor Mittag steigt der Winkel, danach fällt er — die Richtung folgt aus der Tageszeit.
• Aus dem Werk selbst. Ein Magnet an der Herzkurvenscheibe und ein Hall-Sensor daneben geben einmal pro Umlauf einen Nullpunkt. Damit kennt die Software die Phase des Mechanismus, ganz ohne Uhr — und das Instrument bleibt auch dann stimmig, wenn das Werk nachgeht.

Auslösen lassen, nicht auslösen

Die schönere Variante ist, das Verhältnis umzudrehen: Magnete in den Gradbogen einlassen, Hall-Sensor am Kopf, und das Bild wird ausgelöst, wenn die Mechanik eine Marke erreicht. Dann steuert die Uhr die Software statt umgekehrt, und die Bilder sitzen exakt auf denselben Winkeln — Tag für Tag, unabhängig von jeder Gangabweichung.

Kleinkram, der sonst beisst

• Der ADC des ESP32 ist nichtlinear und verrauscht. Mit Mittelung über viele Messwerte und einer Kalibrierkurve bleiben nutzbar etwa 0,3 Grad Auflösung — für diesen Zweck reichlich, aber ein roher Einzelwert taugt nicht.
• Stromzuführung als Kabelschlaufe unter dem Teller, dünnes Silikonkabel. Die Rückstellkraft eines steifen Kabels ist bei diesen Momenten eine echte Störgrösse.
• Die Kamera darf niemals am Werk hängen. Sie läuft auf ihrem eigenen Lager; der Antrieb gibt nur die Winkelvorgabe.

Gestaltung

Das Gerät hat eine Eigenschaft, die man nicht verstecken sollte: es ist langsam genug, dass man ihm nicht beim Laufen zusehen kann, aber schnell genug, dass zwischen zwei Blicken etwas passiert ist. Alles, was das sichtbar macht, ist gute Gestaltung.

• Das Gewicht in einer offenen Nut führen, mit einer Tagesskala daneben. Dann ist der Antrieb zugleich die Anzeige — wie bei der Kuckucksuhr, deren Zapfen ihren Stand verrät. Bei der Sandvariante übernimmt das der Glaskolben.
• Den Gradbogen gravieren, aussen die Vormittags-, innen die Nachmittagsstunden, gegenläufig. Er erklärt das ganze Gerät in einem Blick.
• Das Werk offen zeigen. Bei Variante A ist das Pendel das einzige schnell bewegte Teil im ganzen Instrument und verdient die Bühne.
• Aufziehen als Handgriff mit Widerstand. Eine Kurbel mit spürbarem Moment, kein Knopf. Der tägliche Aufzug ist der Teil, den man behält.