Najważniejszym i najbardziej powszechnym prostym urządzeniem do pomiaru czasu był zegar słoneczny - jedyny z wymienionych typów zegarów opartych na dobowym ruchu Słońca. Starożytny człowiek zdał sobie sprawę z zależności między długością i położeniem cienia Słońca od obiektów a położeniem Słońca na niebie, dlatego też nawigował aktualny czas według Słońca. Pierwsze zegary były urządzeniami słonecznymi do pomiaru aktualnego czasu w jednostkach mniejszych niż jeden dzień. Dokładna data pojawienia się zegara słonecznego, który w pierwotnej formie miał kształt obelisku - gnomonu, nie jest znana. Wiadomość o nich w rękopisie chińskiego Chiu-pi z około 1100 r. p.n.e. uważa się za pierwszą wzmiankę o zegarze słonecznym. Zegar słoneczny wykorzystywał stały okresowy proces obrotu Ziemi.
Gnomon, pionowy obelisk ze skalą przyłożoną do ziemi lub płaskiego kamienia - kadran, był pierwszym zegarem słonecznym, który mierzył czas długością rzucanego cienia. Ale zegar słoneczny działał tylko w dzień i przy dobrej pogodzie, gdy świeciło słońce, a nawet wtedy nie był wystarczająco dokładny.
Zegar słoneczny w Zakazanym Mieście w Pekinie
Zegary wodne, zegary ogniowe - świece z podziałkami i klepsydry mogły działać o każdej porze dnia i przy każdej pogodzie. Zapewniały dokładność pomiaru czasu ± 15-20 minut.
Klepsydra
Klepsydra - najstarszy zegar. W dnie naczynia z wodą wierci się otwór, do którego wkłada się rurkę o małej średnicy. Woda powoli spływa po niej i wpada do innego naczynia, na którego ściankach naniesione są podziałki. Poziom wody pełni rolę wskazówki godzinowej. Im wyżej się podnosi, tym więcej czasu „upłynęło”.
Ktesibios (ok. II-I w. p.n.e.) - starożytny grecki mechanik z Aleksandrii wynalazł zegar pływakowy. Posiada tarczę i jedną wskazówkę. Stały strumień wody spływał do 3-metrowego naczynia, w którym unosił się pływak - figurka ze strzałką - kij w ręku. Kij był skierowany na tarczę, na której można było odliczać aktualny czas. Zegar wodny Ktesibiusza. Klepsydra jest najprostszym urządzeniem do odliczania odstępów czasu. Składa się z dwóch naczyń połączonych wąską szyjką, z których jedno jest częściowo wypełnione piaskiem. Czas, w którym piasek przesypuje się przez szyjkę do drugiego naczynia, może wynosić od kilku sekund do kilku godzin. Świece były używane jako tzw. zegary „ogniowe”, na których równomiernie nanoszono znaki. Odległość między znakami służyła jako jednostka czasu.
Kościół potrzebował przede wszystkim niezawodnych zegarów do ustalania czasu nabożeństw. Początkowo zegary słoneczne radziły sobie z tym zadaniem mniej lub bardziej pomyślnie; z czasem zostały zastąpione zegarami wieżowymi z kurantem.
Następny etap pomiaru czasu, wynalezienie mechanicznych zegarów wieżowych, przypisuje się mnichowi Gerbertowi z Aurillac, późniejszemu papieżowi Sylwestrowi II (950-1003). Zegary mechaniczne wykorzystywały stały okresowy proces oscylacji wahadła. Zegar był napędzany ciężarkiem, który wytwarzał ciągłą siłę pociągową. Poprzez przekładnię koła ciężarek był wprawiany w ruch przez obracający się kołysak. Waga takich zegarów nie miała okresu oscylacji, więc nie były zbyt dokładne.
Na tarczach takich zegarów znajdowała się tylko jedna wskazówka - godzinowa, a te zegary również uderzały w dzwon co godzinę (angielskie słowo „clock” pochodzi od łacińskiego „clocca” - „dzwon”). Później do wskazówki godzinowej dodano wskazówkę sekundową - minutową. Zegar porusza się zgodnie z ruchem wskazówek zegara - od lewej do prawej - ponieważ w tym kierunku porusza się cień zegara słonecznego. Istnieją jednak zegary, których wskazówki poruszają się „przeciwnie do ruchu wskazówek zegara”.
W 1288 roku istniały już dzwony żelazne na wieżach westminsterskich.
Zegar Big Ben w Londynie
(Big Ben to nie nazwa wieży, ale 13-tonowego dzwonu, który dzwoni w środku.) W połowie XIV wieku w miastach europejskich budowano miejskie dzwonnice z zegarami. Ich dzwony wybijały godziny kościelne, czas transakcji handlowych i pracy rzemieślników. Znajomość czasu była również konieczna w manufakturach, gdzie wynik pracy zależał od dokładnego przestrzegania czasu trwania poszczególnych procesów technologicznych.
Mechaniczne zegary kołowe działały niezawodnie tylko na lądzie; nie nadawały się do podróży morskich.
W 1657 roku holenderski naukowiec Christiaan Huygens skonstruował zegar mechaniczny z wahadłem. Dokładność zegara znacznie wzrosła, ale transport takiego zegara nadal był niemożliwy. W 1670 roku wynaleziono wychwyt kotwiczny, który zapewniał równomierny ruch mechanizmu zegara.
Kompaktowe przenośne mechaniczne chronometry stały się możliwe po tym, jak Huygens wynalazł w 1675 r. obrotowe koło balansowe i użył sprężyny zamiast ciężarków. Połączenie wahadła skrętnego, sprężyny spiralnej i wychwytu kotwicznego otworzyło drogę do masowej produkcji małych zegarów, morskich chronometrów i znacznie zwiększyło dokładność obserwacji astronomicznych.
Dokładne zegarki — chronometry — były niezbędne do nawigacji morskiej. Anglik John Harrison wykonał je w 1735 roku. Ich dokładność wynosiła ± 5 sekund na dobę i były już całkiem odpowiednie do podróży morskich. W 1764 roku wynalazca zwiększył dokładność swojego chronometru do ± 1 sekundy na dobę. W tym momencie możliwości zegarków mechanicznych zostały wyczerpane.
Antyczne mechaniczne zegarki kieszonkowe Mosera
Na początku XIX wieku usługi pocztowe stanęły przed problemem pomiaru czasu, starając się zapewnić ruch wagonów pocztowych zgodnie z rozkładem. W rezultacie nabyły zegarki, które mogły nosić przy sobie. A wraz z pojawieniem się kolei zegarki otrzymywali również konduktorzy pociągów. Im aktywniej rozwijała się komunikacja transatlantycka, tym ważniejsze było zapewnienie jedności pomiaru czasu po różnych stronach oceanu. W tej sytuacji zegarki mechaniczne nie były już odpowiednie. I wtedy z pomocą przyszła elektryczność. Zegarki elektryczne rozwiązały problem synchronizacji na duże odległości — najpierw na kontynentach, a następnie między nimi. W 1851 roku położono kabel wzdłuż dna kanału La Manche, w 1860 roku - Morza Śródziemnego, a w 1865 roku - Oceanu Atlantyckiego. A od 1899 roku rozpoczęto transmisję precyzyjnych sygnałów czasu drogą radiową.
Zegary elektryczne zostały wynalezione w 1847 roku przez Anglika Alexandra Baina. Opierały się na kontakcie sterowanym przez wahadło poruszane elektromagnesem. Drgania były sumowane przez licznik elektromagnetyczny połączony przekładnią ze wskazówkami na tarczy.
Na początku XX wieku zegary elektryczne ostatecznie zastąpiły mechaniczne w systemach przechowywania i przesyłania precyzyjnego czasu. Zegar Williama Shortta, zainstalowany w 1921 roku w Obserwatorium Edynburskim, był najdokładniejszym zegarem opartym na swobodnych wahadłach elektromagnetycznych. Jego dokładność wynosiła 1 sekundę/rok.
Zegary kwarcowe
W 1918 roku zbudowano pierwszy zegar kwarcowy. W 1937 roku w Obserwatorium w Greenwich zainstalowano zegary kwarcowe opracowane przez Lewisa Essena; ich dokładność wynosiła około 2 ms/dzień. W 1944 roku dokładność zegarów kwarcowych wzrosła do 0,1 ms/dzień.
W drugiej połowie XX wieku zegary elektroniczne zastąpiły zegary mechaniczne. Opierają się one na zliczaniu okresów oscylacji stabilnego generatora kwarcowego (rezonatora) za pomocą liczników — dzielników i wyświetlaniu odczytów na wyświetlaczu elektronicznym: elektroluminescencyjno-próżniowym, LED lub ciekłokrystalicznym, za pomocą dekoderów. Zamiast nawiązywać kontakt elektryczny, używali tranzystora, a rezonator kwarcowy wykonywał funkcje wahadła.
Dziś to rezonatory kwarcowe w zegarkach naręcznych, komputerach osobistych, pralkach, samochodach i telefonach komórkowych wyznaczają czas z dokładnością znacznie przewyższającą dokładność zegarów mechanicznych: zegary mechaniczne mylą się o sekundę dziennie, a domowe elektroniczne o sekundę na rok! Wysoka dokładność, wystarczająca do urządzeń gospodarstwa domowego.
Istnieją zegarki telewizyjne, zegarki radiowe, zegarki telefoniczne, odbiorniki GPS, zegarki komputerowe, zegarki ze stacjami pogodowymi, zegarki z kompasem i zegarki z głębokościomierzem.
W 1972 roku pojawił się pierwszy na świecie zegarek elektroniczny z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym. Na początku XXI wieku rocznie produkowano ponad 1 miliard mechanizmów zegarkowych. Większość produkowanych zegarków to zegarki kwarcowe z tarczą i wskazówkami. Ale zegarki z wyświetlaczem cyfrowym ciekłokrystalicznym są znacznie bardziej informacyjne - wskazują dzień kalendarzowy, dzień tygodnia, bieżący miesiąc i wiele więcej. A dokładność odczytu zegarków cyfrowych jest wyższa niż wskazówek. Ale mimo to udział czysto elektronicznych zegarków z cyfrowym wskaźnikiem czasu ciekłokrystalicznym wynosi tylko około 10% - przez setki lat ludzie przyzwyczaili się do zegarków ze wskazówkami.
Dlatego większość zegarków elektronicznych jest elektromechaniczna, z rezonatorem kwarcowym i tarczą z ruchomymi wskazówkami. Napędza je miniaturowy silnik krokowy. System przekładni przekazuje obrót silnika do wskazówek. Źródłem energii dla zegarków elektronicznych są miniaturowe baterie „zegarkowe”, które wystarczają na co najmniej rok.
Wyprodukowano zaledwie 18 milionów czysto mechanicznych zegarów.
Zegary atomowe
Ale astronomia i loty kosmiczne do odległych światów wymagały znacznie większej dokładności. W 1949 roku zbudowano pierwszy zegar atomowy, w którym źródłem oscylacji nie było wahadło ani generator kwarcowy, ale sygnały związane z kwantowym przejściem elektronu między dwoma poziomami energetycznymi atomu. Ta fala elektromagnetyczna, czyli foton emisji radiowej, charakteryzuje się bardzo dużą stabilnością energii i częstotliwości oscylacji. W 1955 roku pojawił się pierwszy zegar atomowy oparty na atomach cezu; wykorzystuje się atomy wodoru i rubidu.
Od czasu wynalezienia zegarów atomowych ich dokładność wzrastała średnio o połowę co dwa lata. Proces ten trwa do dziś.
W 1967 roku przeszli na standard czasu atomowego.
W XXI wieku w Internecie pojawił się elektroniczny czas Greenwich. 1 stycznia 2001 r. brytyjski rząd oficjalnie ogłosił nowy standard czasu, Greenwich e-time (GET).
Szef Microsoftu, Bill Gates, wprowadza również nową technologię przesyłania danych osobowych do zegarków naręcznych: SPOT (Smart Personal Objects Technology) - zegarki, odbierając sygnały radiowe dokładnego czasu w paśmie FM, są w stanie automatycznie dostosować czas zgodnie z lokalizacją.
Share
