fizyka.org  ::  mamy 21 lat!

Fizyka
Fizyka
 
Strona g³ówna > Artyku³y - Fizyka > Liczyd³o czasu
Liczyd³o czasu

Kogut by³ pierwszym budzikiem. Pia³ taki, najpierw tak zwane „pierwsze kury”, jeszcze na d³ugo przed wschodem s³oñca. Potem po raz drugi g³o¶niej, oznacza³o to, ¿e bêdzie ¶wit. Koguty dostosowywa³y siê do s³oñca. I w³a¶nie S³oñce by³o pierwszym wska¼nikiem dziel±cym dobê na dzieñ i noc.

Do tej pory u¿ywamy wyra¿eñ okre¶laj±cych czas s³oneczny, takich jak: w po³udnie, wieczorem, o zmierzchu czy o ¶wicie. Gdy trzeba by³o dok³adniej okre¶laæ czas, ludzie wziêli siê do wymy¶lania zegara. I wymy¶lili...

Zegar s³oneczny
Czas mierzy³ cieñ rzucany przez przedmiot o¶wietlony s³oñcem. Pocz±tkowo zegarem by³ wysoki s³up. Rano cieñ s³upa by³ d³u¿szy, w po³udnie krótszy, wieczorem znowu stopniowo siê wyd³u¿a³, spe³niaj±c w ten sposób rolê zegarowej wskazówki.
Potem Egipcjanie wynale¼li zegary z tarcz± pionow±, na której wska¼nikiem by³a nie d³ugo¶æ, a kierunek rzucanego cienia. Zegar taki powoli udoskonalano. Wspó³cze¶nie wygl±da jak na fotografii .
Skaphe by³ innym rodzajem babiloñskiego zegara s³onecznego. W kamieniu pracowicie wydr±¿ono czaszê otwart± z jednej strony, z naniesion± podzia³k± godzinow±, na któr± pada³ cieñ poziomego gnomona. Takie rozwi±zanie odprowadzi³o do efektu równomiernego wskazywania czasu w ci±gu ca³ego roku. Mo¿na by³o pos³ugiwaæ siê nim tylko na otwartych, s³onecznych przestrzeniach. Oczywi¶cie noc±, w dni pochmurne i s³otne nie dzia³a³. ¯eby nie wychodziæ z domu, a mimo to wiedzieæ jaki jest czas, wymy¶lono...

Okienne zegary s³oneczne
Ich siatkê godzinow± stanowi³a czê¶æ przeszklenia okna. Wykonywano j± technik± witra¿u, malowania na szkle lub zwyczajnie nalepiano na okno papierowe tarcze. Zegary okienne u¿yteczne by³y tak¿e wewn±trz pomieszczenia. W rejonach o ma³ym nas³onecznieniu albo podczas zimnej pory roku takie zegary by³y ma³o u¿yteczne i zawodne. Zegar nie dawa³ cienia, a s³oñca nie by³o widaæ zza chmur. Je¶li przeciwnika nie mo¿na pokonaæ, trzeba siê do niego przy³±czyæ. Doprowadzi³o to do zrobienia zegara wodnego.

Zegary wodne
Przyjê³y siê w staro¿ytnej Grecji. U¿ywano ich do mierzenia czasu trwania nocnych s³u¿b wartowniczych. Platon zbudowa³ zegar, w którym woda p³yn±ca szybkim strumieniem powodowa³a wzrost ci¶nienia powietrza i uruchamia³a gwizdek, dzia³aj±cy jako budzik. Istnia³ te¿ automat wyrzucaj±cy kamyki, które spadaj±c na metalow± p³ytkê, wybija³y godziny. P³ywak za¶ obraca³ tarcz± zegarow±, umieszczon± w górnej czê¶ci urz±dzenia.
Zegar wodny nie dzia³a³ jednak wszêdzie. W Europie ¦rodkowej w czasie ostrych zim by³o ¼le. Nie do¶æ, ¿e zimo, to nie wiadomo która godzina, bo budzik zamarz³. Tu znów my¶l ludzka okaza³a siê genialna. Jak nie woda, to mo¿e ogieñ?

Zegary ogniowe
To np. ¶wiece, mniej wiêcej metrowej d³ugo¶ci. Dawa³y ¶wiat³o i mo¿e trochê ciep³a. Wbijano w nie metalowe æwieki lub kuleczki. Po stopieniu kolejnej partii wosku ciê¿arki spada³y na metalow± podstawkê, stukiem oznajmiaj±c up³yw czasu. W ci±gu nocy spalano trzy takie ¶wiece. Nadal szukano zegara d³u¿ej dzia³aj±cego i daj±cego wiêcej ¶wiat³a. To chyba jasne?
Zegar kagankowy (lampka oliwna ze szklan± bañk±) by³ najprostszym w u¿yciu rodzajem zegara ogniowego. W miarê wypalania siê oleju, opada³ jego poziom, wskazuj±c czas na naniesionej podzia³ce. Pomy¶lano: przecie¿ olej mo¿na zast±piæ piaskiem, którego nie bêdzie ubywaæ.

Zegar piaskowy, czyli klepsydra
Konstrukcja znana by³a ju¿ na 1500 lat p.n.e. Wype³niano j± mia³em z czarnego marmuru, kilkakrotnie wygotowanego w winie, wysuszonego na s³oñcu. Dodawano zmielone skorupy jaj oraz proszek o³owiany lub cynkowy. Wszystko to kilkakrotnie bardzo dok³adnie przesiewano. Klepsydra zbudowana jest z dwóch szklanych pojemników w kszta³cie gruszek stykaj±cych siê szyjkami. Piasek powoli i równomiernie, przez ma³y otwór, przesypuje siê z góry na dó³. Produkowano zegary kwadransowe, pó³godzinne i godzinne. Praktycznie u¿ywane by³y w szko³ach i salach s±dowych. Wynalazcy stracili wiele cennego czasu, poszukuj±c metody mechanicznego odwracania klepsydry po przesypaniu siê piachu, ale nikomu siê to nie uda³o. Próbowano te¿ ³±czyæ klepsydry w baterie i prawie dosz³o do tego, ¿e piach sypa³ siê przez dwana¶cie godzin. Poniewa¿ nie uda³o siê ni± mierzyæ czasu przez ca³± dobê, porzucono wiêc my¶l o pe³nej jej u¿yteczno¶ci. Wspó³cze¶nie klepsydra sta³a siê symbolem up³ywaj±cego czasu. Wytwarza siê je jako gad¿ety s³u¿±ce na przyk³ad do mierzenia czasu gotowania jajek na miêkko.

Wynalezienie tokarki zaowocowa³o mo¿liwo¶ci± konstruowania pierwszych zegarów mechanicznych z br±zu. Teraz do dzie³a przyst±pili mistrzowie - zegarmistrze.

Zegary mechaniczne
Od wieków sk³adaj± siê z tych samych podstawowych elementów: napêd ciê¿arkowy lub sprê¿yna, przek³adnia, urz±dzenie, które zatrzymuje ruch kó³ w regularnych odcinkach czasu, czyli wychwyt, regulator wychwytu i oczywi¶cie tarcza zegarowa. Z czasem powsta³o kilka rodzajów wychwytów, kolejno ulepszanych, ale zasada ich dzia³ania pozosta³a ta sama. Budowê niektórych zegarów bardzo komplikowa³y dodatkowe urz±dzenia wybijaj±ce pe³ne godziny, kwadranse czy te¿ pokazuj±ce ruch planet. Na pocz±tku jednak powsta³:

Zegar ciê¿arkowy
Jego zalet± by³a prostota konstrukcji i sta³o¶æ dzia³ania si³y napêdowej. Napêdzany jest grawitacyjnie przez ciê¿arek wisz±cy na linie konopnej. Pó¼niej stosowano ³añcuch lub stalow± linkê (). Nakrêcanie zegara polega³o na nawiniêciu liny na ko³o napêdowe, co czyni³o siê za pomoc± korby lub ci±gniêcia ³añcuszka biegn±cego przez ko³o napêdowe i zwisaj±cego z drugiej strony. Zapadka nie dopuszcza³a do cofania siê ko³a pod wp³ywem ciê¿aru obci±¿nika. Hu¶taj±ce siê wahad³o ko³ysze kotwic± tak, ¿e jej zaczepy na przemian zahaczaj± o zêby ko³a wychwytu. Ka¿de wahniêcie uwalnia na krótki czas ko³o wychwytowe i umo¿liwia jego obrót o jeden z±b. Poruszaj±ce siê zêby ko³a popychaj± kotwicê i utrzymuj± ci±g³o¶æ ruchu wahad³a. Ma ono zawsze sta³± czêstotliwo¶æ wahañ, zale¿n± wy³±cznie od jego d³ugo¶ci. Jest dusz± zegara. Fascynuj±ce s± przek³adnie, poruszaj±ce siê we wnêtrzu mechanizmu. Pocz±tkowo zegary mia³y jedn± wskazówkê, potem oczywi¶cie pojawi³a siê potrzeba precyzyjniejszego okre¶lania czasu. Zaczêto u¿ywaæ dwóch wskazówek. Sprê¿one ze sob± ko³a zêbate gwarantuj±, ¿e wskazówka minutowa wykonuje 12 obrotów dooko³a tarczy zegarowej, podczas gdy wskazówka godzinowa okr±¿a tarczê jeden raz. Pozosta³e przek³adnie kontroluj± szybko¶æ obrotu ko³a naci±gowego przez sprzê¿enie z mechanizmem wychwytowym. Wahad³o z mo¿liwo¶ci± regulowania jego d³ugo¶ci zapewnia dok³adno¶æ odmierzonego czasu.
Trudno by³o taki zegar zabieraæ ze sob± w podró¿. Nadesz³a jednak potrzeba posiadania zegarka przeno¶nego, towarzysz±cego w³a¶cicielowi w ka¿dej chwili. Wyobra¼my sobie, jak¿e ostro¿ny w ruchach musia³by byæ cz³owiek, nosz±cy kieszonkowy zegarek z wahad³em. To by³o niemo¿liwe i dopiero skonstruowanie wychwytu kotwicowego mog³o zaspokoiæ tê potrzebê.

Zegarek kieszonkowy w kszta³cie cebuli
Wychwyt kotwicowy, d¼wigniowy, stosowany jest w mechanizmach zegarków rêcznych, w których nie jest mo¿liwe u¿ycie wahad³a. Zegarek napêdza sprê¿yna poruszaj±ca ko³o naci±gowe. Rolê wahad³a spe³nia natomiast sprê¿yna w³osowa nazywana tak¿e w³osem. Zapewnia ona drgania balansu, powoduj±c, ¿e wychwyt d¼wigniowy ko³ysze siê w jedn± i drug± stronê, a jego zaczepy zahaczaj± o ko³o wychwytu. Ten wynalazek pozwoli³ na konstruowanie wszelkich ma³ych kieszonkowych zegarków przeno¶nych.

Oprócz zegarów ¶ciennych istniej± jeszcze zegary szafkowe, latarniowe, kominkowe, sto³owe, wie¿yczkowe, talerzowe, ramowe szafowe i ogromne publiczne zegary wie¿owe. Nie mo¿na zapomnieæ tak¿e o zegarkach kieszonkowych i bi¿uteryjnych zegarkach naszyjnikowych czy niezwykle ma³ych i drogich mechanizmach umieszczonych w pier¶cionku ().
Nie wszystkim wystarcza³y zwyk³e, choæby bardzo drogie zegary. Ludzie jak zwykle usi³owali mniej lub bardziej udanie zadziwiæ innych. Kiedy¶ wypatrzy³em na wystawie zegarmistrza elektryczny zegar, który mia³ rodzaj czerpakowego ko³a, pobieraj±cego co sze¶æ sekund z dolnego magazynku stalow± kulê. Kule te uk³ada³y siê dziesi±tkami w jakiej¶ rynience, a potem turla³y do nastêpnej rynienki. Zbêdne spada³y i w koñcu po ich liczbie, w okre¶lonych rynienkach mo¿na by³o odczytaæ, która jest godzina. Takich osobliwych, nietypowych zegarów w ci±gu wieków powsta³o wiele rodzajów.

Zegary osobliwe
Do nich mo¿emy zaliczyæ choæby napêdzany si³± w³asnego ci±¿enia, tak zwany zegar na pile. Umieszczony w metalowym cylindrze mechanizm osadzono na pionowej zêbatej listwie, z któr± zazêbia³ siê system przek³adni. Zegar ten zsuwaj±c siê w dó³ wprawia³ w ruch w³asny mechanizm. Nakrêcanie polega³o oczywi¶cie na podniesieniu mechanizmu w pozycjê startow± u góry pi³y.

Zegary kuliste wskazuj± czas za pomoc± obrotowego pier¶cienia na obwodzie kuli. Czasem by³y to pier¶cienie na metalowym aba¿urze lampki nocnej. Inny osobliwy zegar to taki, który stacza siê po drewnianej pochylni. Ma kszta³t walca, a prêdko¶æ staczania mo¿na regulowaæ ¶rub± wp³ywaj±c± na zmianê k±ta nachylenia podstawy. Jeszcze innym przejawem zegarmistrzowskiej fantazji by³ sto³owy zegar z zamkiem pistoletowym. O okre¶lonej godzinie zamek uruchamia³ siê, a krzesiwo zapala³o ¶wieczkê i tak dzia³a³ ten budzik. Istnia³a tak¿e armata, strzelaj±ca na wiwat punktualnie w po³udnie. Sterowana by³a rodzajem zegara s³onecznego, z soczewk± zapalaj±c± lont. Zegary mechaniczne pokazuj±ce ruchom± mapê nieba, drogi wiêkszo¶ci planet, wschody ksiê¿yca i s³oñca oraz ich zachody, nie satysfakcjonowa³y ich u¿ytkowników do koñca, mimo ¿e bardzo niekiedy cenne i dok³adne. Potrzebny by³ jeszcze precyzyjniejszy pomiar.

Najdok³adniejsze s± zegary atomowe
Wykorzystuje siê je do wyznaczania czasu uniwersalnego. W cezowym zegarze atomowym ogrzewa siê w specjalnym elektrycznym piecu próbkê cezu 133. W wyniku wrzenia jego atomy wyparowuj±. W zale¿no¶ci od swojego spinu, czyli kierunku obrotu, atomy rozdzielaj± siê w polu magnetycznym na dwie wi±zki. Nastêpnie przechodz± przez rezonator mikrofalowy, w którym wiêkszo¶æ zmienia spin na przeciwny. Drugi zestaw magnesów odchyla je tak, by do detektora dotar³y tylko te, które zmieni³y spin. Komputer wykorzystuje sygna³y z detektora do ustalenia sygna³u mikrofalowego na okre¶lonej czêstotliwo¶ci. Ca³y zegar jest umieszczony w komorze pró¿niowej. Takiego zegara nie da siê, niestety, nosiæ na rêce. Czasowi perfekcjoni¶ci jednak naciskali i historia zegara musia³a toczyæ siê dalej. Potrzeba niedrogiego i bardzo precyzyjnego zegara zaowocowa³a wynalazkiem zegarka kwarcowego.

W zegarkach kwarcowych
sam mechanizm przek³adniowy wskazówek poruszany maleñkim silnikiem elektrycznym jest identyczny, jak w omówionych wcze¶niej zegarkach mechanicznych. ¬ród³em zasilania jest maleñka bateria. Regulatorem jest kryszta³ kwarcu, drgaj±cy i wytwarzaj±cy impulsy elektryczne o okre¶lonej czêstotliwo¶ci. Uk³ad scalony redukuje tê czêstotliwo¶æ do jednego na sekundê. Niestety, raz na rok lub dwa lata trzeba wymieniaæ cenn± bateryjkê, która dodatkowo po wyrzuceniu byle gdzie zatruwa ¶rodowisko.

Automatyczny zegarek kwarcowy nie posiada baterii, któr± zast±pi³ asymetryczny stalowy wahnik. Ma on kszta³t krêgu z wyciêt± czê¶ci±. Porusza siê wraz z rêk± w³a¶ciciela zegarka, zamieniaj±c dowolny ruch rêki na ruch obrotowy w jedn± lub drug± stronê. Ten, przez mechaniczn± przek³adnie przenoszony jest do generatora wytwarzaj±cego pr±d. Dalej wszystko odbywa siê jak w konwencjonalnym zegarku kwarcowym.

Dzisiejsze czasy wymagaj± takiej w³a¶nie precyzji, zw³aszcza gdy odkryjemy, ¿e na przyk³ad tramwaje je¿d¿± punktualnie wed³ug rozk³adu, telewizja zaczyna nasz ulubiony program co do sekundy, a gro¼ny dyrektor wzywa nas do gabinetu na godzinê dziesi±t± siedemna¶cie. W ka¿dym razie mamy du¿± satysfakcjê, gdy nasz rêczny zegarek pokazuje od tygodni punktualnie godzinê dwunast± wtedy w³a¶nie, kiedy s³yszymy szóste pikniêcie sygna³u kontrolnego Urzêdu Kontroli Czasu i Czêstotliwo¶ci z Krakowa. A potem zaraz us³yszymy hejna³.

(A. £owicki, M³ody Technik)


 
 Teoria
Wyprowadzenia wzorów
Zadania fizyczne
Do¶wiadczenia fizyczne
Tablice fizyczne
Biografie fizyków
FORUM
Oferty pracy
 
 I Zasada dynamiki Newtona [0]
Potencja³ spoczynkowy [0]
zadannie [0]
wykres energii potencjalnej w czasie [0]
Zadanie z elektrotechniki - rezystory [1]
 
 
© 2003-2024 Fizyka Jamnika. Online: 17
Wszystkie artyku³y i publikacje znajduj±ce siê w portalu Fizyka Jamnika s± chronione prawem autorskim.
Kopiowanie, publikowanie i rozpowszechnianie materia³ów bez naszej zgody jest zabronione.
Obs³uga informatyczna