Wie funktionieren analoge Uhren?

Uhren können in zwei große Kategorien unterteilt werden, je nachdem, wie sie Informationen anzeigen.

Analog, auch bekannt mechanisch, Uhren verwenden bewegliche Zeiger, um die aktuelle Uhrzeit anzuzeigen. Digital Uhren hingegen zeigen die Zeit als eine Reihe von Zahlen an, typischerweise über ein LCD oder einen anderen elektronischen Bildschirm.

(Es ist technisch möglich, eine elektronische Uhr mit analoger Anzeige zu haben, aber es ist sehr selten – wir behandeln analog und mechanisch als Synonyme.)

Jede Uhr benötigt drei grundlegende Teile:

1. Zeitmessung Mechanismus: eine Möglichkeit, den Lauf der Zeit genau zu verfolgen.
2. Energie Quelle: eine Möglichkeit, Energie für die Bewegung der anderen verschiedenen Komponenten bereitzustellen.
3. Anzeige: Zeigt dem Benutzer die aktuelle Uhrzeit an.

Im einfachsten Sinne ist eine Uhr ein Gerät, das Energie zu Anzeige Zeit, geregelt durch a Zeitmessung Mechanismus.

Betrachten Sie eine sandgefüllte Sanduhr – eine sehr einfache analoge Uhr. Es ist

Bei komplexeren Analoguhren sind die drei grundlegenden Teile über Zahnräder, Riemenscheiben und andere mechanische Systeme verbunden.

Bei modernen Uhren können die mechanischen Komponenten durch Drähte und elektrische Ströme ersetzt werden. Es gibt mehr mögliche Konfigurationen, als wir jemals abdecken könnten, also schauen wir uns einen bestimmten Uhrentyp genauer an.

Pendeluhren sind wohl die ersten modernen Uhren.

Ein Pendel, Sie werden sich erinnern, ist ein Gewicht, das an einem festen Punkt hängt und hin und her schwingen kann – Sie können ein einfaches herstellen, indem Sie ein Paar Ohrhörer baumeln lassen.

Um die Wende zum 17. Jahrhundert entdeckte der italienische Wissenschaftler Galileo Galilei durch seine physikalischen Experimente diese einzigartige Eigenschaft von Pendeln: Man will immer Nehmen Sie sich die gleiche Zeit, um einen vollen Schwung zu vollenden.

Dies gilt auch dann, wenn Luftwiderstand und andere Faktoren die Bewegung eines Pendels bei jedem Schwung langsam verringern, bis es zum Stillstand kommt.

Er erkannte sofort das Potenzial von Pendeln für die Zeitmessung in einem Uhrwerk, war es aber nicht bis 1656 entwarf der niederländische Wissenschaftler Christiaan Huygens, inspiriert von Galileos Arbeit, ein funktionierendes Pendel Uhr.

Huygens hatte nicht die Fähigkeiten, seinen Entwurf umzusetzen, also beauftragte er den professionellen Uhrmacher Salomon Coster, ihn zu bauen.

Schauen wir uns an, wie Pendeluhren nach der oben verwendeten dreiteiligen Aufschlüsselung (Uhrzeitmechanismus, Energiequelle und Anzeige) funktionieren.

Energiequelle: Wie eine Sanduhr nutzten die ersten Pendeluhren die Schwerkraft, um Energie durch ein System von Gewichten zu erzeugen, die an Rollen hängen. Das Drehen eines Schlüssels würde die Uhr „aufziehen“, die Gewichte anheben und potenzielle Energie speichern, indem die Gewichte gegen die Schwerkraft gehalten werden.
Zeitnehmungsmechanismus: Ein Pendel und eine Komponente namens an Hemmung regulieren die Geschwindigkeit, mit der Energie aus den Gewichten freigesetzt wird. Die Hemmung enthält ein gekerbtes Rad, das sicherstellt, dass sie sich nur in diskreten Schritten oder „Ticks“ bewegen kann.

Jeder vollzogene Schwung des Pendels löst einen Tick auf der Hemmung aus, wodurch die Gewichte ein kleines Stückchen nach unten fallen.

Anzeige: Die Zeiger der Uhr sind über ein Räderwerk mit dem Rest des Uhrwerks verbunden.

Wenn die Hemmung einen Energietick freisetzt, drehen sich die Zahnräder und die Zeiger bewegen sich um den richtigen Betrag.

Geht man von einer Pendelschwingung von einer Sekunde aus, die bei späteren Konstruktionen üblich war, dann bewegt jeder Tick den Sekundenzeiger genau 1/60 um das Zifferblatt herum.

In den einfachsten Worten: Energie wird mit erhöhten Gewichten gespeichert und dann mit einer genauen Rate von rate Zeitmessung Pendelmechanismus, der die Zeiger der Anzeige um die aktuelle Uhrzeit anzuzeigen.

Vielleicht ist Ihnen aufgefallen, dass ein Pendel in einer Uhr, die sich ständig bewegt, nicht funktioniert.

Stattdessen verwenden mechanische Uhren Triebfedern und Unruhräder. Federbetriebene Uhren sind tatsächlich etwa 200 Jahre älter als Pendeluhren, waren aber erheblich weniger genau.

Die Zugfeder ist zur Aufbewahrung fest aufgezogen Energie. Die Unruh ist eine speziell gewichtete Scheibe; Einmal in Bewegung gesetzt, dreht es sich in regelmäßigen Abständen hin und her, um als Zeitmessung Mechanismus.

Heute sind die gebräuchlichsten Uhren Quarzuhren, benannt nach ihrem Zeitmessung Mechanismus.

Quarzkristalle sind piezoelektrisch: Wenn Sie einen elektrischen Strom durch sie leiten, vibrieren sie mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Bemerken Sie einen Trend? Fast jeder Prozess mit einer bestimmten Rate kann als Zeiterfassungsmechanismus fungieren.

Eine typische moderne batteriebetriebene Uhr sendet einen winzigen elektrischen Strom durch einen Quarzkristall, der in einen Stromkreis gesetzt ist, der agiert wie eine Hemmung: Sie gibt in regelmäßigen Abständen kleine Mengen Strom aus der Batterie ab, abhängig von der Vibration der Quarz.

Jedes regelmäßige „Ticken“ von Elektrizität treibt entweder einen Motor an, um analoge Zeiger zu bewegen, oder steuert die Ausgabe an einen digitalen Bildschirm.

Vielleicht haben Sie eine Atomuhr gesehen oder davon gehört.

Sie sind fast vollständig digital, daher werden wir nicht ins Detail gehen, aber die Grundprinzipien ihrer Funktionsweise sind die gleichen wie bei den oben genannten Uhren. Der große Unterschied liegt in ihrer Zeitmessung: Sie basieren auf einem Mechanismus, der die genaue Geschwindigkeit misst, mit der Cäsiumatome Energie freisetzen, nachdem sie durch Radiowellen „angeregt“ wurden.

Das Internationale Einheitensystem standardisierte 1967 seine Definition von einer Sekunde auf die Eigenschaften von Cäsium und ist seitdem der Standard geblieben.