Zgodovina mehanskih ur z nihalom in kvarčnih ur

Mehanske ure -- nihala in kvarc

Max Paddler/Getty Images

V večjem delu srednjega veka, od približno 500 do 1500 našega štetja, je bil tehnološki napredek v Evropi tako rekoč na mestu. Slogi sončnih ur so se razvijali, vendar se niso oddaljili daleč od staroegipčanskih načel.

Preproste sončne ure

Preproste sončne ure, nameščene nad vrati, so v srednjem veku uporabljali za prepoznavanje poldneva in štirih 'plimov' sončnega dneva. Do 10. stoletja so uporabljali več vrst žepnih sončnih ur - en angleški model je identificiral plimovanje in celo kompenziral sezonske spremembe nadmorske višine sonca.

Mehanske ure

V začetku do sredine 14. stoletja so se na stolpih več italijanskih mest začele pojavljati velike mehanske ure. Ni podatkov o kakršnih koli delujočih modelih pred temi javnimi urami, ki bi jih poganjala teža in uravnavala s pobegi robov in listov. Mehanizmi robov in listov so vladali več kot 300 let z variacijami v obliki listov, vendar so vsi imeli isti osnovni problem: obdobje nihanje je bilo močno odvisno od količine pogonske sile in količine trenja v pogonu, zato je bilo hitrost težko regulirati.

Ure na vzmet

Drug napredek je bil izum Petra Henleina, nemškega ključavničarja iz Nürnberga, nekje med letoma 1500 in 1510. Henlein je ustvaril ure na vzmet. Zamenjava težkih pogonskih uteži je povzročila manjše in bolj prenosljive ure in ure. Henlein je svojim uram dal vzdevek 'nürnberška jajca'.

Čeprav so se upočasnile, ko se je glavna vzmet sprostila, so bile priljubljene med premožnimi posamezniki zaradi svoje velikosti in ker jih je bilo mogoče postaviti na polico ali mizo, namesto da bi jih obesili na steno. Bile so prve prenosne ure, vendar so imele samo urne kazalce. Minutni kazalci so se pojavili šele leta 1670 in v tem času ure niso imele nobene steklene zaščite. Steklo, nameščeno na številčnici ure, se je pojavilo šele v 17. stoletju. Kljub temu je bil Henleinov napredek v oblikovanju predhodnik resnično natančnega merjenja časa.

Natančne mehanske ure

Christian Huygens, nizozemski znanstvenik, je leta 1656 izdelal prvo uro z nihalom. Regulirala jo je mehanizem z 'naravno' periodo nihanja. čeprav Galileo Galilej mu včasih pripisujejo izum nihala in je preučeval njegovo gibanje že leta 1582, njegov načrt za uro pa ni bil izdelan pred njegovo smrtjo. Huygensova ura z nihalom je imela napako manj kot eno minuto na dan, kar je bila prvič dosežena takšna natančnost. Njegove poznejše izboljšave so zmanjšale napake njegove ure na manj kot 10 sekund na dan.

Huygens je nekje okoli leta 1675 razvil kolo za ravnotežje in vzmet in ga še vedno najdemo v nekaterih današnjih ročnih urah. Ta izboljšava je omogočila, da so ure iz 17. stoletja beležile čas na 10 minut na dan.

William Clement je začel izdelovati ure z novim 'sidrnim' ali 'povratnim' pobegom leta London leta 1671. To je bil bistven napredek glede na rob, ker je manj posegal v gibanje nihala.

Leta 1721 je George Graham izboljšal točnost ure z nihalom na eno sekundo na dan s kompenzacijo sprememb v dolžini nihala zaradi temperaturnih nihanj. John Harrison, mizar in urar samouk, je izpopolnil Grahamove tehnike temperaturne kompenzacije in dodal nove metode za zmanjšanje trenja. Do leta 1761 je izdelal pomorski kronometer z vzmetjo in utežnim kolesom, ki je leta 1714 prejel nagrado britanske vlade za način določanja zemljepisne dolžine na pol stopinje natančno. Čas na krovu ladje je vzdrževal na približno eno petino sekunde na dan, skoraj tako dobro kot ura z nihalom na kopnem in 10-krat bolje od zahtevanega.

V naslednjem stoletju so izboljšave pripeljale do ure Siegmunda Rieflerja s skoraj prostim nihalom leta 1889. Dosegla je natančnost stotinke sekunde na dan in postala standard v številnih astronomskih observatorijih.

Pravo načelo prostega nihala je uvedel R. J. Rudd okoli leta 1898, kar je spodbudilo razvoj več ur s prostim nihalom. Ena najbolj znanih, ura W. H. Shortta, je bila predstavljena leta 1921. Shorttova ura je skoraj takoj nadomestila Rieflerjevo uro kot vrhovni merilnik časa v številnih observatorijih. Ta ura je bila sestavljena iz dveh nihal, enega, imenovanega 'suženj', drugega pa 'glavnega'. „Podrejeno“ nihalo je „glavnemu“ nihalu dajalo nežne potiske, ki so bili potrebni za ohranjanje njegovega gibanja, poganjalo pa je tudi kazalce na uri. To je omogočilo, da 'glavno' nihalo ostane brez mehanskih nalog, ki bi motile njegovo pravilnost.

Kvarčne ure

Kvarc kristalne ure so zamenjale Shorttove ure kot standard v tridesetih in štiridesetih letih 20. stoletja, kar je izboljšalo merjenje časa daleč od tistega, ki ga imajo nihala in balansirna kolesa.

Delovanje kvarčne ure temelji na piezoelektrični lastnosti kremenčevih kristalov. Ko na kristal deluje električno polje, ta spremeni svojo obliko. Ko ga stisnemo ali upognemo, ustvari električno polje. Ko je postavljen v ustrezno elektronsko vezje, ta interakcija med mehansko obremenitvijo in električnim poljem povzroči vibriranje kristala in generiranje električnega signala s konstantno frekvenco, ki se lahko uporablja za upravljanje elektronskega prikaza ure.

Ure s kvarčnim kristalom so bile boljše, ker niso imele zobnikov ali izhodov, ki bi motili njihovo običajno frekvenco. Kljub temu so se zanašali na mehanske vibracije, katerih frekvenca je bila kritično odvisna od velikosti in oblike kristala. Nobena dva kristala si ne moreta biti popolnoma enaka s popolnoma enako frekvenco. Kvarčne ure še naprej številčno prevladujejo na trgu, saj so njihove zmogljivosti odlične in so poceni. Toda merjenje časa zmogljivosti kvarčnih ur so bistveno presegle atomske ure.

Informacije in ilustracije sta zagotovila Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo ter Ministrstvo za trgovino ZDA.