Historia zegarów mechanicznych

Przez większość średniowiecza, od około 500 do 1500 r. N.e., postęp technologiczny był w wirtualnym impasie w Europie. Style zegara słonecznego ewoluowały, ale nie odbiegały daleko od starożytnych egipskich zasad.

Proste zegary słoneczne umieszczone nad drzwiami były używane do identyfikacji południa i czterech „fal” słonecznego dnia w średniowieczu. W X wieku stosowano kilka rodzajów kieszonkowych zegarów słonecznych - jeden model angielski zidentyfikował pływy, a nawet zrekompensował sezonowe zmiany wysokości Słońca.

Na początku do połowy XIV wieku w wieżach kilku włoskich miast zaczęły pojawiać się duże zegary mechaniczne. Nie ma zapisów o żadnych działających modelach poprzedzających te zegary publiczne, które były oparte na wadze i regulowane przez wyskoki na krawędziach i foliotach. Mechanizmy typu „skraj i folia” panowały przez ponad 300 lat z różnymi kształtami foliotu, ale wszystkie miały ten sam podstawowy problem: okres oscylacja zależało w dużej mierze od siły napędowej i tarcia w napędzie, więc szybkość była trudna do regulowania.

Kolejnym postępem był wynalazek Petera Henleina, niemieckiego ślusarza z Norymbergi, między 1500 a 1510 rokiem. Henlein stworzył zegary ze sprężyną. Zastąpienie dużych ciężarów dysku skutkowało mniejszymi i bardziej przenośnymi zegarami i zegarkami. Henlein nazwał swoje zegary „Jajkami Norymberskimi”.

Mimo że zwolniły, gdy rozwinęła się sprężyna główna, były popularne wśród bogatych osób ze względu na swoje rozmiary i dlatego, że można je było postawić na półce lub stole zamiast zawiesić na ścianie. Były to pierwsze przenośne zegarki, ale miały tylko wskazówki godzinowe. Wskazówki minutowe pojawiły się dopiero w 1670 roku, a zegary nie miały w tym czasie ochrony szklanej. Szkło umieszczone na tarczy zegarka pojawiło się dopiero w XVII wieku. Postęp Henleina w projektowaniu był jednak prekursorem naprawdę dokładnego pomiaru czasu.

Christian Huygens, holenderski naukowiec, wykonał pierwszy zegar wahadłowy w 1656 r. Był regulowany przez mechanizm z „naturalnym” okresem oscylacji. Mimo że Galileo Galilei czasami przypisuje się mu wynalezienie wahadła i badał jego ruch już w 1582 roku, jego projekt zegara nie został zbudowany przed śmiercią. Zegar wahadła Huygensa miał błąd mniejszy niż jedna minuta dziennie, przy pierwszej takiej dokładności. Późniejsze udoskonalenia zmniejszyły błędy zegara do mniej niż 10 sekund dziennie.

Huygens opracował koło wyważające i zespół sprężyny około 1675 roku i nadal można go znaleźć w niektórych współczesnych zegarkach na rękę. Ta poprawka pozwoliła zegarkom z XVII wieku skrócić czas do 10 minut dziennie.

William Clement zaczął budować zegary z nową pułapką „kotwicy” lub „odrzutu” Londyn w 1671 r. Była to znaczna poprawa w stosunku do granicy, ponieważ mniej przeszkadzała w ruchu wahadła.

W 1721 roku George Graham poprawił dokładność zegara wahadła do jednej sekundy dziennie, kompensując zmiany długości wahadła spowodowane zmianami temperatury. John Harrison, stolarz i samouk zegarmistrzowski, dopracował techniki kompensacji temperatury Grahama i dodał nowe metody zmniejszania tarcia. W 1761 r. Zbudował morski chronometr ze sprężyną i wyskakującym kołem równoważącym, który wygrał nagroda rządu brytyjskiego z 1714 r. oferowana w celu określenia długości geograficznej z dokładnością do połowy stopień. Utrzymywał czas na toczącym się statku do około jednej piątej sekundy dziennie, prawie tak samo, jak zegar wahadłowy mógł zrobić na lądzie, i 10 razy lepiej niż to konieczne.

W ciągu następnego stulecia udoskonalenia doprowadziły do ​​zegara Siegmunda Rieflera z prawie wolnym wahadłem w 1889 roku. Osiągała dokładność setnych sekundy dziennie i stała się standardem w wielu obserwatoriach astronomicznych.

Prawdziwą zasadę swobodnego wahadła wprowadził R. JOT. Rudd około 1898 roku, stymulując rozwój kilku zegarów z wahadłem swobodnym. Jeden z najbardziej znanych, W. H. Krótki zegar, zademonstrowano w 1921 roku. Zegar Shortta niemal natychmiast zastąpił zegar Rieflera jako najwyższy sędzia mierzący czas w wielu obserwatoriach. Ten zegar składał się z dwóch wahadeł, jednego niewolnika, a drugiego mistrza. Wahadło niewolnika delikatnie nadało wahadłu mistrzowskiemu pchnięcia potrzebne do utrzymania ruchu, a także napędzało wskazówki zegara. Dzięki temu wahadło główne pozostało wolne od zadań mechanicznych, które zakłócałyby jego prawidłowość.

Kwarc zegary kryształowe zastąpiły zegar Shortta jako standard w latach 30. i 40. XX wieku, poprawiając wydajność pomiaru czasu znacznie wykraczającego poza wychylenie wahadła i koła równowagi.

Działanie zegara kwarcowego opiera się na piezoelektrycznych właściwościach kryształów kwarcu. Po przyłożeniu do kryształu pola elektrycznego zmienia się jego kształt. Po ściśnięciu lub zgięciu wytwarza pole elektryczne. Po umieszczeniu w odpowiednim obwodzie elektronicznym ta interakcja między obciążeniem mechanicznym a polem elektrycznym powoduje kryształ wibruje i generuje sygnał elektryczny o stałej częstotliwości, który można wykorzystać do sterowania zegarem elektronicznym pokaz.
Zegary kwarcowe były lepsze, ponieważ nie miały żadnych przekładni ani ucieczek, które zakłócałyby ich regularną częstotliwość. Mimo to polegali na wibracjach mechanicznych, których częstotliwość zależała w sposób krytyczny od wielkości i kształtu kryształu. Żadne dwa kryształy nie mogą być dokładnie takie same z dokładnie taką samą częstotliwością. Zegary kwarcowe nadal dominują na rynku pod względem liczb, ponieważ ich wydajność jest doskonała i są tanie. Ale punktualność wydajność zegarów kwarcowych została znacznie przekroczona przez zegary atomowe.

Informacje i ilustracje dostarczone przez National Institute of Standards and Technology oraz Departament Handlu USA.