Hoe werken analoge klokken?

Klokken kunnen worden opgesplitst in twee brede categorieën op basis van hoe ze informatie weergeven.

Analoog, oftewel mechanisch, klokken gebruiken bewegende wijzers om de huidige tijd aan te geven. Digitaal klokken, aan de andere kant, geven de tijd weer als een reeks getallen, meestal via een LCD of ander elektronisch scherm.

(Het is technisch mogelijk om een ​​elektronische klok met een analoog display te hebben, maar het is zeer zeldzaam - we behandelen analoog en mechanisch als synoniemen.)

Elke klok heeft drie fundamentele onderdelen nodig:

1. Tijdwaarneming mechanisme: een manier om het verstrijken van de tijd nauwkeurig bij te houden.
2. Energie bron: een manier om energie te leveren voor de beweging van de andere verschillende componenten.
3. Scherm: laat de gebruiker zien wat de huidige tijd is.

In de meest elementaire bewoordingen is een klok een apparaat dat energie naar Scherm tijd, geregeld door een tijdwaarneming mechanisme.

Overweeg een met zand gevulde zandloper - een heel eenvoudige analoge klok. Haar

In meer geavanceerde analoge klokken zijn de drie fundamentele onderdelen verbonden via tandwielen, katrollen en andere mechanische systemen.

In moderne klokken kunnen de mechanische componenten worden vervangen door draden en elektrische stromen. Er zijn meer mogelijke configuraties dan we ooit zouden kunnen behandelen, dus laten we een bepaald type klok eens nader bekijken.

Slingerklokken zijn misschien wel de eerste moderne klokken.

Je zult je herinneren dat een slinger een gewicht is dat aan een vast punt wordt gehangen en heen en weer kan zwaaien - je kunt een eenvoudige slinger maken door een paar oordopjes te bungelen.

Aan het begin van de 17e eeuw leidden de experimenten van de Italiaanse wetenschapper Galileo Galilei in de natuurkunde ertoe dat hij dit unieke kenmerk van slingers ontdekte: men zal altijd evenveel tijd nodig hebben om een ​​volledige swing te voltooien.

Dit geldt zelfs als luchtweerstand en andere factoren langzaam verminderen hoe ver een slinger beweegt bij elke zwaai, tot het moment dat hij stopt.

Hij herkende onmiddellijk het potentieel van slingers voor tijdwaarneming in een klokmechanisme, maar dat was het niet tot 1656 dat de Nederlandse wetenschapper Christiaan Huygens, geïnspireerd door het werk van Galileo, een werkende slinger ontwierp klok.

Huygens had niet de vaardigheid om zijn ontwerp uit te voeren, dus huurde hij professionele klokkenmaker Salomon Coster in om het te bouwen.

Laten we eens kijken hoe slingerklokken werken volgens de driedelige uitsplitsing (tijdwaarnemingsmechanisme, energiebron en weergave) die we hierboven hebben gebruikt.

Energiebron: Net als een zandloper gebruikten de eerste slingerklokken de zwaartekracht om energie op te wekken via een systeem van gewichten die aan katrollen hingen. Het draaien van een sleutel zou de klok "opwinden", de gewichten optillen en potentiële energie opslaan door de gewichten tegen de zwaartekracht in te houden.
Tijdwaarnemingsmechanisme: Een slinger en een component genaamd an echappement regelt de snelheid waarmee energie uit de gewichten wordt vrijgegeven. Het echappement heeft een ingekeept wiel dat ervoor zorgt dat het alleen in discrete stappen of "tikken" kan bewegen.

Elke voltooide zwaai van de slinger geeft één tik op het echappement vrij, waardoor de gewichten een klein beetje kunnen dalen.

Scherm: De wijzers van de klok zijn via een tandwieloverbrenging verbonden met de rest van het mechanisme.

Wanneer het echappement één tikje energie afgeeft, draaien de tandwielen en bewegen de wijzers de juiste hoeveelheid.

Als je uitgaat van een slingerbeweging van één seconde, wat gebruikelijk was in latere ontwerpen, beweegt elke tik de secondewijzer precies 1/60e van de weg rond de wijzerplaat.

In de eenvoudigste bewoordingen: energie wordt opgeslagen met behulp van verhoogde gewichten en vervolgens met een nauwkeurige snelheid vrijgegeven door tijdwaarneming slingermechanisme, dat de handen van de Scherm om de huidige tijd weer te geven.

Het is misschien bij je opgekomen dat een slinger niet zou werken in een horloge, dat constant in beweging is.

In plaats daarvan gebruiken mechanische horloges drijfveren en balans wielen. Veeraangedreven klokken dateren ongeveer 200 jaar ouder dan slingerklokken, maar waren aanzienlijk minder nauwkeurig.

De drijfveer is strak gewikkeld om op te bergen energie. Het balanswiel is een speciaal verzwaarde schijf; als het eenmaal in beweging is gezet, draait het met een regelmatige snelheid heen en weer om als een tijdwaarneming mechanisme.

Tegenwoordig zijn de meest voorkomende klokken kwartsklokken, genoemd naar hun tijdwaarneming mechanisme.

Kwartskristallen zijn: piëzo-elektrisch: als je er een elektrische stroom doorheen laat gaan, trillen ze met een bepaalde snelheid. Merk je een trend op? Vrijwel elk proces met een bepaalde snelheid kan fungeren als een tijdwaarnemingsmechanisme.

Een typische moderne batterijgevoede klok stuurt een minuscule elektrische stroom door een kwartskristal, dat is geplaatst in een circuit dat werkt als een echappement: het laat met regelmatige tussenpozen kleine hoeveelheden elektriciteit uit de batterij vrij die worden bepaald door de vibratie van de kwarts.

Elke regelmatige "tikje" elektriciteit drijft een motor aan om analoge wijzers te bewegen of regelt de uitvoer naar een digitaal scherm.

Je hebt misschien wel eens een atoomklok gezien of ervan gehoord.

Ze zijn bijna volledig digitaal, dus we zullen niet in details treden, maar de basisprincipes van hoe ze werken zijn hetzelfde als de klokken hierboven. Het grote verschil is hun tijdwaarneming: ze zijn gebouwd rond een mechanisme dat de precieze snelheid meet waarmee cesiumatomen energie vrijgeven nadat ze "opgewonden" zijn door radiogolven.

Het Internationale Stelsel van Eenheden standaardiseerde zijn definitie van één seconde voor de eigenschappen van cesium in 1967, en is sindsdien de norm gebleven.