Historien om mekaniske pendelklokker og kvartsur

Mekaniske klokker -- Pendler og kvarts

Max Paddler/Getty Images

I løpet av det meste av middelalderen, fra omtrent 500 til 1500 e.Kr., sto teknologiske fremskritt nesten i stå i Europa. Solur stiler utviklet seg, men de beveget seg ikke langt fra gamle egyptiske prinsipper.

Enkle solur

Enkle solur plassert over døråpninger ble brukt til å identifisere middag og fire 'tidevann' av den solfylte dagen i middelalderen. Flere typer lomme-solur ble brukt på 1000-tallet - en engelsk modell identifiserte tidevann og kompenserte til og med for sesongmessige endringer i solens høyde.

Mekaniske klokker

Tidlig til midten av 1300-tallet begynte store mekaniske klokker å dukke opp i tårnene i flere italienske byer. Det er ingen oversikt over noen fungerende modeller forut for disse offentlige klokkene som var vektdrevet og regulert av kant-og-bladutløp. Kant-og-blad-mekanismer regjerte i mer enn 300 år med variasjoner i formen på bladene, men alle hadde det samme grunnleggende problemet: Perioden med svingning var sterkt avhengig av mengden drivkraft og mengden friksjon i drivverket, så hastigheten var vanskelig å regulere.

Fjærdrevne klokker

Et annet fremskritt var en oppfinnelse av Peter Henlein, en tysk låsesmed fra Nürnberg, en gang mellom 1500 og 1510. Henlein skapte fjærdrevne klokker. Utskifting av de tunge drivvektene resulterte i mindre og mer bærbare klokker og klokker. Henlein ga sine klokker kallenavnet 'Nürnberg-egg.'

Selv om de sakket ned mens hovedfjæren ble viklet av, var de populære blant velstående individer på grunn av størrelsen og fordi de kunne plasseres på en hylle eller et bord i stedet for å henges fra en vegg. De var de første bærbare klokkene, men de hadde bare timevisere. Minuttvisere dukket ikke opp før i 1670, og klokker hadde ingen glassbeskyttelse i løpet av denne tiden. Glass plassert over fronten på en klokke ble ikke til før på 1600-tallet. Likevel var Henleins fremskritt innen design forløpere til virkelig nøyaktig tidtaking.

Nøyaktige mekaniske klokker

Christian Huygens, en nederlandsk vitenskapsmann, laget den første pendelklokken i 1656. Den ble regulert av en mekanisme med en 'naturlig' svingeperiode. Selv om Galileo Galilei noen ganger blir kreditert for å ha oppfunnet pendelen, og han studerte dens bevegelse så tidlig som i 1582, hans design for en klokke ble ikke bygget før hans død. Huygens pendelklokke hadde en feil på mindre enn ett minutt om dagen, første gang en slik nøyaktighet ble oppnådd. Hans senere forbedringer reduserte klokkens feil til mindre enn 10 sekunder om dagen.

Huygens utviklet balansehjulet og fjærenheten en gang rundt 1675, og det finnes fortsatt i noen av dagens armbåndsur. Denne forbedringen tillot 1600-tallsklokker å holde tiden til 10 minutter om dagen.

William Clement begynte å bygge klokker med den nye 'anker' eller 'rekyl'-flukten inn London i 1671. Dette var en betydelig forbedring over grensen fordi det forstyrret pendelens bevegelse mindre.

I 1721 forbedret George Graham pendelklokkens nøyaktighet til ett sekund om dagen ved å kompensere for endringer i pendelens lengde på grunn av temperaturvariasjoner. John Harrison, en snekker og selvlært urmaker, foredlet Grahams temperaturkompensasjonsteknikker og la til nye metoder for å redusere friksjonen. I 1761 hadde han bygget et marin kronometer med fjær og et balansehjul som hadde vunnet den britiske regjeringens pris fra 1714 som ble tilbudt for et middel til å bestemme lengdegrad til innenfor en halv grad. Det holdt tiden ombord på et rullende skip til omtrent en femtedel av et sekund om dagen, nesten like bra som en pendelklokke kunne gjøre på land, og 10 ganger bedre enn nødvendig.

I løpet av det neste århundre førte forbedringer til Siegmund Rieflers klokke med en nesten fri pendel i 1889. Den oppnådde en nøyaktighet på hundredels sekund om dagen og ble standarden i mange astronomiske observatorier.

Et ekte fripendelprinsipp ble introdusert av R. J. Rudd rundt 1898, og stimulerte utviklingen av flere fripendelklokker. En av de mest kjente, W. H. Shortt-klokken, ble demonstrert i 1921. Shortt-klokken erstattet nesten umiddelbart Rieflers klokke som en suveren tidtaker i mange observatorier. Denne klokken besto av to pendler, den ene kalt en 'slave' og den andre en 'mester'. 'Slave'-pendelen ga 'mester'-pendelen de milde dyttene den trengte for å opprettholde bevegelsen, og den drev også klokkens visere. Dette tillot 'mester'-pendelen å forbli fri for mekaniske oppgaver som ville forstyrre regelmessigheten.

Kvarts klokker

Kvarts krystallklokker erstattet Shortt-klokken som standard på 1930- og 1940-tallet, og forbedret ytelsen til tidtaking langt utover den for pendel- og balansehjul.

Kvartsklokkedrift er basert på den piezoelektriske egenskapen til kvartskrystaller. Når et elektrisk felt påføres krystallen, endrer den form. Den genererer et elektrisk felt når den klemmes eller bøyes. Når den plasseres i en passende elektronisk krets, får denne interaksjonen mellom mekanisk stress og elektrisk felt krystallen til å vibrere og generere et elektrisk signal med konstant frekvens som kan brukes til å betjene en elektronisk klokkevisning.

Kvartskrystallklokker var bedre fordi de ikke hadde gir eller escapements for å forstyrre den vanlige frekvensen. Likevel stolte de på en mekanisk vibrasjon hvis frekvens var kritisk avhengig av krystallens størrelse og form. Ingen to krystaller kan være nøyaktig like med nøyaktig samme frekvens. Kvartsklokker fortsetter å dominere markedet i antall fordi ytelsen deres er utmerket og de er rimelige. Men tidtaking ytelsen til kvartsklokker har blitt vesentlig overgått av atomklokker.

Informasjon og illustrasjoner levert av National Institute of Standards and Technology og US Department of Commerce.