Mechaninių švytuoklinių laikrodžių ir kvarcinių laikrodžių istorija

Mechaniniai laikrodžiai – švytuoklės ir kvarcas

Max Paddler / Getty Images

Didžiąją viduramžių dalį, maždaug nuo 500 iki 1500 mūsų eros, technologijų pažanga Europoje praktiškai sustojo. Saulės laikrodžių stiliai vystėsi, tačiau jie nenutolo nuo senovės Egipto principų.

Paprasti saulės laikrodžiai

Paprasti saulės laikrodžiai, pastatyti virš durų, viduramžiais buvo naudojami norint atpažinti vidurdienį ir keturias saulės apšviestos dienos „potvynius“. 10 amžiuje buvo naudojami kelių tipų kišeniniai saulės laikrodžiai – vienas angliškas modelis identifikavo potvynius ir net kompensavo sezoninius saulės aukščio pokyčius.

Mechaniniai laikrodžiai

XIV amžiaus pradžioje-viduryje kelių Italijos miestų bokštuose pradėjo atsirasti dideli mechaniniai laikrodžiai. Nėra jokių duomenų apie veikiančius modelius, buvusius prieš šiuos viešuosius laikrodžius, kurie buvo varomi svorio ir reguliuojami slenksčio ir slenksčio pabėgimu. Slenksčio ir lapelio mechanizmai karaliavo daugiau nei 300 metų, o jų forma keitėsi, tačiau visi turėjo tą pačią pagrindinę problemą: svyravimas labai priklausė nuo varomosios jėgos ir trinties dydžio pavaroje, todėl greitį buvo sunku reguliuoti.

Spyruokliniai laikrodžiai

Kitas pasiekimas buvo Peterio Henleino, vokiečių šaltkalvio iš Niurnbergo, išradimas 1500–1510 m. Henleinas sukūrė spyruoklinius laikrodžius. Pakeitus didelius pavaros svorius, laikrodžiai buvo mažesni ir nešiojamesni. Henleinas savo laikrodžius pavadino „Niurnbergo kiaušiniais“.

Nors išvyniojus pagrindinę spyruoklę jie sulėtėjo, jie buvo populiarūs tarp turtingų žmonių dėl savo dydžio ir dėl to, kad juos buvo galima padėti ant lentynos ar stalo, o ne pakabinti ant sienos. Jie buvo pirmieji nešiojamieji laikrodžiai, tačiau jie turėjo tik valandų rodykles. Minučių rodyklės pasirodė tik 1670 m., o laikrodžiai tuo metu neturėjo stiklo apsaugos. Stiklas ant laikrodžio ciferblato atsirado tik XVII amžiuje. Vis dėlto Henleino pažanga dizaino srityje buvo tikrai tikslaus laiko matavimo pirmtakai.

Tikslūs mechaniniai laikrodžiai

Olandų mokslininkas Christianas Huygensas 1656 m. pagamino pirmąjį švytuoklinį laikrodį. Jis buvo reguliuojamas mechanizmu, turinčiu „natūralų“ svyravimo periodą. Nors Galilėjus Galilėjus kartais priskiriamas švytuoklės išradimui ir jis ištyrė jos judėjimą dar 1582 m., jo laikrodžio dizainas nebuvo pastatytas prieš jo mirtį. Huygenso švytuoklinio laikrodžio paklaida buvo mažesnė nei minutė per dieną – pirmą kartą buvo pasiektas toks tikslumas. Vėlesni jo patobulinimai sumažino laikrodžio paklaidas iki mažiau nei 10 sekundžių per dieną.

„Huygens“ sukūrė balansavimo ratą ir spyruoklinį agregatą maždaug 1675 m. ir jis vis dar randamas kai kuriuose šiandieniniuose rankiniuose laikrodžiuose. Šis patobulinimas leido XVII amžiaus laikrodžiams išlaikyti 10 minučių per dieną laiką.

William Clement pradėjo statyti laikrodžius su nauju „inkaro“ arba „atatrankos“ pabėgimu Londonas 1671 m. Tai buvo esminis patobulinimas, palyginti su slenksčiu, nes jis mažiau trukdė švytuoklės judėjimui.

1721 m. George'as Grahamas pagerino švytuoklės laikrodžio tikslumą iki vienos sekundės per dieną, kompensuodamas švytuoklės ilgio pokyčius dėl temperatūros pokyčių. Johnas Harrisonas, dailidė ir savamokslis laikrodininkas, patobulino Grahamo temperatūros kompensavimo metodus ir pridėjo naujų trinties mažinimo metodų. Iki 1761 m. jis sukūrė jūrinį chronometrą su spyruokle ir balansiniu ratuku, kuris laimėjo Didžiosios Britanijos vyriausybės 1714 m. prizą už ilgumą pusės laipsnio tikslumu. Jis išlaikė laiką riedančiame laive iki maždaug penktadalio sekundės per dieną, beveik tiek pat, kiek švytuoklinis laikrodis gali veikti sausumoje, ir 10 kartų geriau nei reikalaujama.

Per kitą šimtmetį dėl patobulinimų 1889 m. buvo sukurtas Siegmundo Rieflerio laikrodis su beveik laisva švytuokle. Jis pasiekė šimtosios sekundės dalies tikslumą per dieną ir tapo standartu daugelyje astronomijos observatorijų.

Tikrą laisvosios švytuoklės principą apie 1898 metus pristatė R. J. Rudd, paskatinęs kelių laisvosios švytuoklės laikrodžių kūrimą. Vienas garsiausių W. H. Shortto laikrodis buvo pademonstruotas 1921 m. Shortto laikrodis beveik iš karto pakeitė Rieflerio laikrodį kaip aukščiausią laikrodį daugelyje observatorijų. Šį laikrodį sudarė dvi švytuoklės, viena vadinama „vergu“, o kita – „šeimininku“. „Vergiška“ švytuoklė „šeimininkei“ ​​švelniai stūmė, reikalingo judesiui išlaikyti, taip pat varo laikrodžio rodykles. Tai leido „pagrindinei“ švytuoklei likti be mechaninių užduočių, kurios trikdytų jos taisyklingumą.

Kvarciniai laikrodžiai

Kvarcas krištoliniai laikrodžiai pakeitė „Shortt“ laikrodį kaip standartą XX amžiaus trečiajame ir ketvirtajame dešimtmetyje, pagerindami laiko matavimo našumą, gerokai daugiau nei naudojant švytuokles ir balansinius ratus.

Kvarcinio laikrodžio veikimas pagrįstas kvarco kristalų pjezoelektrine savybe. Kai kristalą veikia elektrinis laukas, jis keičia savo formą. Suspaudžiamas arba sulenktas jis sukuria elektrinį lauką. Įdėjus į tinkamą elektroninę grandinę, ši mechaninio įtempio ir elektrinio lauko sąveika priverčia kristalą vibruoti ir generuoti pastovaus dažnio elektrinį signalą, kuris gali būti naudojamas elektroniniam laikrodžiui valdyti.

Kvarcinio kristalo laikrodžiai buvo geresni, nes jie neturėjo pavarų ar pabėgimų, kurie sutrikdytų jų reguliarų dažnį. Nepaisant to, jie rėmėsi mechanine vibracija, kurios dažnis labai priklausė nuo kristalo dydžio ir formos. Nėra dviejų vienodų kristalų, kurių dažnis yra visiškai vienodas. Kvarciniai laikrodžiai ir toliau dominuoja rinkoje, nes jų veikimas yra puikus ir jie yra nebrangūs. Bet laiko skaičiavimas kvarcinių laikrodžių našumą gerokai pranoko atominiai laikrodžiai.

Informacija ir iliustracijos, kurias pateikė Nacionalinis standartų ir technologijų institutas ir JAV prekybos departamentas.