Hvordan fungerer analoge klokker?

Klokker kan deles inn i to brede kategorier basert på hvordan de viser informasjon.

Analog, aka mekanisk, bruker klokker bevegelige hender for å indikere gjeldende tid. Digital klokker viser derimot tiden som et sett med tall, vanligvis via en LCD eller annen elektronisk skjerm.

(Det er teknisk mulig å ha en elektronisk klokke med en analog skjerm, men det er veldig sjelden - vi behandler det analog og mekanisk som synonymer.)

Hver klokke trenger tre grunnleggende deler:

1. Tidtaking mekanisme: en måte å holde nøyaktig oversikt over tidens gang.
2. Energi kilde: en måte å gi energi til bevegelsen til de andre forskjellige komponentene.
3. Vise: viser brukeren hva klokken er nå.

I de mest grunnleggende ordene er en klokke en enhet som bruker energi til vise tid, regulert av en tidtaking mekanisme.

Tenk på et sandfylt timeglass - en veldig enkel analog klokke. Det er energi kilden er tyngdekraften, dens vise er mengden sand som holdes i hver halvdel, og dens tidtaking mekanismen er den relativt konstante hastigheten som sand strømmer gjennom den smale åpningen mellom de to halvdelene.

I mer sofistikerte analoge klokker er de tre grunnleggende delene koblet sammen med tannhjul, remskiver og andre mekaniske systemer.

I moderne klokker kan de mekaniske komponentene erstattes av ledninger og elektriske strømmer. Det er flere mulige konfigurasjoner enn vi noen gang kunne dekke, så la oss se nærmere på en bestemt type klokke.

Pendelklokker er uten tvil de første moderne klokkene.

Du vil huske at en pendel er en vekt som er hengt fra et fast punkt og får svinge frem og tilbake - du kan lage en enkel ved å dingle et par ørepropper.

Ved begynnelsen av det 17. århundre førte den italienske vitenskapsmannen Galileo Galileis eksperimenter i fysikk ham til å oppdage dette unike trekk ved pendler: man vil alltid ta like lang tid å fullføre full sving.

Dette gjelder selv om luftmotstand og andre faktorer sakte reduserer hvor langt en pendel beveger seg for hver sving, helt til det stopper.

Han gjenkjente umiddelbart potensialet til pendler for tidtaking i en klokkemekanisme, men det var det ikke frem til 1656 at den nederlandske forskeren Christiaan Huygens, inspirert av Galileos arbeid, designet en fungerende pendel klokke.

Huygens hadde ikke ferdighetene til å implementere designet sitt, så han hyret profesjonell urmaker Salomon Coster for å bygge det.

La oss se på hvordan pendelklokker fungerer i henhold til den tredelte sammenbruddet (tidtakingsmekanisme, energikilde og skjerm) vi brukte ovenfor.

Energikilde: Som et timeglass brukte de første pendelklokkene tyngdekraften for å generere energi gjennom et vektersystem som henger fra remskiver. Å dreie en nøkkel ville "vikle" klokken, løfte vektene og lagre potensiell energi ved å holde vektene opp mot tyngdekraften.
Tidtaksmekanisme: En pendel og en komponent som kalles en rømning regulere hastigheten med hvilken energi fra vektene frigjøres. Rømningen inkluderer et hakket hjul som sikrer at det bare kan bevege seg i diskrete trinn eller "flått".

Hver fullførte svinging av pendelen frigjør ett kryss på rømningen, som igjen lar vektene falle en liten bit.

Vise: Klokkens hender er koblet via tannhjul til resten av mekanismen.

Når rømningen frigjør ett kryss av energi, dreier tannhjulene og hendene beveger seg riktig.

Hvis du antar en pendelsvinging på ett sekund, noe som var vanlig i senere design, ender det med at hvert kryss beveger sekundviseren nøyaktig 1/60 av veien rundt urskiven.

I de enkleste ordene: energi lagres ved hjelp av forhøyede vekter, og frigjøres deretter med en presis hastighet innen tidtaking pendel mekanisme, som snur hendene på vise for å vise gjeldende tid.

Det kan ha skjedd deg at en pendel ikke ville fungere i en klokke som stadig beveger seg rundt.

I stedet bruker mekaniske klokker hovedkilder og balansere hjul. Fjærdrevne klokker foregikk faktisk rundt pendelur med rundt 200 år, men var betydelig mindre nøyaktige.

Hovedkilden er såret tett for å oppbevare energi. Balansehjulet er en spesielt vektet disk; når den er satt i bevegelse, roterer den frem og tilbake med jevn hastighet for å fungere som en tidtaking mekanisme.

I dag er de vanligste klokkene kvartsklokker, oppkalt etter deres tidtaking mekanisme.

Kvartskrystaller er piezoelektrisk: hvis du kjører en elektrisk strøm gjennom dem, vibrerer de med en bestemt hastighet. Legg merke til en trend? Nesten enhver prosess med en bestemt hastighet kan fungere som en tidtaksmekanisme.

En typisk moderne batteridrevet klokke sender en liten elektrisk strøm gjennom en kvartskrystall, som er satt i en krets som virker som en rømning: den frigjør små mengder elektrisitet fra batteriet med jevne mellomrom diktert av vibrasjonen i kvarts.

Hver vanlige "flått" av strøm driver enten en motor til å bevege analoge hender eller styrer utgangen til en digital skjerm.

Du har kanskje sett eller hørt om en atomur.

De er nesten helt digitale, så vi kommer ikke inn på detaljer, men de grunnleggende prinsippene for hvordan de fungerer er de samme som klokkene ovenfor. Den store forskjellen er deres tidtaking: de er bygget opp rundt en mekanisme som måler den nøyaktige hastigheten som cesiumatomer frigjør energi etter å ha blitt "begeistret" av radiobølger.

The International System of Units standardiserte sin definisjon på ett sekund på egenskapene til cesium i 1967, og det har vært standarden siden.