Historien om mekaniske klokker

I løpet av det meste av middelalderen, fra omtrent 500 til 1500 A.D., var teknologisk fremskritt i virtuell stillhet i Europa. Solstiler utviklet seg, men de beveget seg ikke langt fra gamle egyptiske prinsipper.

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

På begynnelsen av til midten av 1300-tallet begynte store mekaniske klokker å vises i tårnene i flere italienske byer. Det er ingen oversikt over noen arbeidsmodeller som gikk foran disse offentlige klokkene som var vektdrevet og regulert av randen og foliotømming. Verge-and-foliot-mekanismer regjerte i mer enn 300 år med variasjoner i formen til foliot, men alle hadde det samme grunnleggende problemet: perioden til svingning var avhengig av mengden drivkraft og mengden friksjon i stasjonen, så hastigheten var vanskelig å regulere.

En annen fremgang var en oppfinnelse av Peter Henlein, en tysk låsesmed fra Nürnberg, en gang mellom 1500 og 1510. Henlein skapte vårdrevne klokker. Bytte ut tunge frekvensvekter resulterte i mindre og mer bærbare klokker og klokker. Henlein kallenavnet klokkene sine "Nuremberg Egg."

Til tross for at de bremset opp mens hovedavkomet avviklet, 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 opp fra en vegg. De var de første bærbare timene, men de hadde bare timehender. Minutehender dukket ikke opp før i 1670, og klokker hadde ingen glassbeskyttelse i løpet av denne tiden. Glass plassert over ansiktet på en klokke kom først før på 1600-tallet. Fortsatt var Henleins fremskritt innen design forløpere til virkelig nøyaktig tidtaking.

Christian Huygens, en nederlandsk vitenskapsmann, laget den første pendeluret i 1656. Det ble regulert av en mekanisme med en "naturlig" svingningsperiode. Selv om Galileo Galilei noen ganger godskrives med å oppfinne pendelen, og han studerte dens bevegelse så tidlig som i 1582, hans design for en klokke ble ikke bygget før hans død. Huygens 'pendelur hadde en feil på mindre enn ett minutt om dagen, første gang en slik nøyaktighet hadde blitt oppnådd. Hans senere avgrensninger reduserte klokkens feil til under 10 sekunder om dagen.

Huygens utviklet balansehjulet og vårenheten en gang rundt 1675 og finnes fremdeles i noen av dagens armbåndsur. Denne forbedringen gjorde at klokker fra 1600-tallet kunne holde tiden til 10 minutter om dagen.

William Clement begynte å bygge klokker med det nye "ankeret" eller "rekylen" rømming i London i 1671. Dette var en betydelig forbedring i forhold til randen fordi det forstyrret mindre med bevegelsen til pendelen.

I 1721 forbedret George Graham pendelurens 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 bygd et marin kronometer med fjæren og en balansehjulutslipp som hadde vunnet den britiske regjeringens pris fra 1714 ble tilbudt for et middel til å bestemme lengdegrad til innen halvparten grad. Det holdt tiden ombord i et bølgende skip til omtrent en femtedel av et sekund om dagen, nesten så godt som en pendelur kunne gjøre på land, og 10 ganger bedre enn nødvendig.

I løpet av det neste århundret førte avgrensninger til Siegmund Rieflers klokke med en nesten gratis pendel i 1889. Den oppnådde en nøyaktighet på hundre sekund om dagen og ble standarden i mange astronomiske observatorier.

Et ekte frie pendelprinsipp ble introdusert av R. J. Rudd rundt 1898, og stimulerte utviklingen av flere fritt pendulur. En av de mest kjente, W. H. Shortt clock, ble demonstrert i 1921. Shortt-klokken erstattet nesten Rieflers klokke som en suveren tidvakt i mange observatorier. Denne klokken besto av to pendler, den ene en slave og den andre en mester. Slavependelen ga masterpendelen de milde skyvene den trengte for å opprettholde bevegelsen, og den drev også klokkens hender. Dette tillot masterpendelen å forbli fri for mekaniske oppgaver som ville forstyrre dens regelmessighet.

Quartz krystallklokker erstattet Shortt-klokken som standard på 1930- og 1940-tallet, og forbedret timekeeping-ytelsen langt utover pendelen og balansehjulets rømming.

Drift av kvartsklokke er basert på den piezoelektriske egenskapen til kvartskrystaller. Når et elektrisk felt påføres krystallen, endrer det formen. Det genererer et elektrisk felt når det klemmes eller bøyes. Når den plasseres i en egnet elektronisk krets, forårsaker denne vekselvirkningen mellom mekanisk belastning og elektrisk felt krystall for å vibrere og generere et elektrisk signal med konstant frekvens som kan brukes til å betjene en elektronisk klokke vise.
Kvarts krystallklokker var bedre fordi de ikke hadde tannhjul eller rømming for å forstyrre deres vanlige frekvens. Likevel var de avhengige av en mekanisk vibrasjon hvis frekvens kritisk var avhengig av krystallens størrelse og form. Ingen to krystaller kan være nøyaktig like med nøyaktig samme frekvens. Kvartsur fortsetter å dominere markedet i antall fordi deres ytelse er utmerket og de er rimelige. Men tidtaking ytelsen til kvarts klokker har blitt overgått vesentlig av atomur.

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