Hur fungerar analoga klockor?

Klockor kan delas in i två breda kategorier baserat på hur de visar information.

Analog, aka mekanisk, klockor använder rörliga händer för att ange aktuell tid. Digital klockor, å andra sidan, visar tiden som en uppsättning siffror, vanligtvis via en LCD eller annan elektronisk skärm.

(Det är tekniskt möjligt att ha en elektronisk klocka med en analog skärm, men det är väldigt sällsynt - vi behandlar det analog och mekanisk som synonymer.)

Varje klocka behöver tre grundläggande delar:

1. Tidtagning mekanism: ett sätt att hålla koll på tidens gång.
2. Energi källa: ett sätt att ge energi för rörelsen hos de andra olika komponenterna.
3. Visa: visar användaren vad den aktuella tiden är.

I de mest grundläggande termerna är en klocka en enhet som använder energi till visa tid, reglerad av en tidtagning mekanism.

Tänk på ett sandfyllt timglas - en mycket enkel analog klocka. Dess energi källan är gravitationens drag, dess visa är mängden sand som hålls i varje halvdel och dess tidtagning

I mer sofistikerade analoga klockor är de tre grundläggande delarna anslutna via kugghjul, remskivor och andra mekaniska system.

I moderna klockor kan de mekaniska komponenterna ersättas av ledningar och elektriska strömmar. Det finns fler möjliga konfigurationer än vad vi någonsin kunde täcka, så låt oss titta närmare på en viss typ av klocka.

Pendelur är utan tvekan de första moderna klockorna.

En pendel, kommer du ihåg, är en vikt som hängs från en fast punkt och får svänga fram och tillbaka - du kan göra en enkel genom att dingla ett par öronproppar.

Vid slutet av 1600-talet ledde den italienska forskaren Galileo Galileis experiment inom fysik honom att upptäcka detta unika drag av pendlar: man kommer alltid ta samma tid för att slutföra en full gång.

Detta gäller även när luftmotståndet och andra faktorer långsamt minskar hur långt en pendel rör sig för varje gunga, ända tills det stannar.

Han insåg omedelbart potentialen för pendlar för tidtagning i en klockmekanism, men det var det inte fram till 1656 designade den holländska forskaren Christiaan Huygens, inspirerad av Galileos arbete, en fungerande pendel klocka.

Huygens hade inte förmågan att implementera sin design, så han anställde den professionella klockmakaren Salomon Coster för att bygga den.

Låt oss titta på hur pendelur fungerar enligt den tredelade uppdelningen (tidtagningsmekanism, energikälla och display) vi använde ovan.

Energikälla: Som ett timglas använde de första pendeluret tyngdkraften för att generera energi genom ett viktsystem som hänger från remskivor. Vridning av en nyckel skulle "vinda" klockan, lyfta vikterna och lagra potentiell energi genom att hålla vikterna mot tyngdkraften.
Tidtagningsmekanism: En pendel och en komponent som kallas en flykt reglera hastigheten med vilken energi från vikterna frigörs. Utflykten inkluderar ett skårat hjul som säkerställer att det bara kan röra sig i diskreta steg eller "fästingar".

Varje färdig svängning av pendeln släpper ut en fästing på flykten, vilket i sin tur låter vikterna sjunka lite.

Visa: Klockans händer är anslutna via växeltåg till resten av mekanismen.

När flykten släpper ut en energifästning, växlar växlarna och händerna rör sig rätt mängd.

Om du antar en pendelsvängning på en sekund, vilket var vanligt i senare mönster, slutar varje fästning att flytta sekundvisaren exakt 1/60 av vägen runt klockan.

I de enklaste termerna: energi lagras med upphöjda vikter och släpps sedan i en exakt hastighet av tidtagning pendelmekanism, som vänder händerna på visa för att visa aktuell tid.

Det kan ha hänt dig att en pendel inte skulle fungera i en klocka som hela tiden rör sig.

Istället använder mekaniska klockor huvudfjädrar och balansera hjul. Fjäderdrivna klockor föregick faktiskt pendelur med cirka 200 år, men var betydligt mindre exakta.

Huvudfjädern är lindad för att lagras energi. Balanshjulet är en speciellt viktad skiva; när den väl satt i rörelse roterar den fram och tillbaka regelbundet för att fungera som en tidtagning mekanism.

Idag är de vanligaste klockorna kvartsklockor, uppkallade efter deras tidtagning mekanism.

Kvartskristaller är piezoelektrisk: om du kör en elektrisk ström genom dem vibrerar de med en viss hastighet. Lägg märke till en trend? Nästan alla processer med en specifik hastighet kan fungera som en tidtagningsmekanism.

En typisk modern batteridriven klocka skickar en liten elektrisk ström genom en kvartskristall, som är inställd i en krets som fungerar som en flykt: den släpper ut små mängder elektricitet från batteriet med jämna mellanrum som dikteras av vibrationerna i batteriet kvarts.

Varje vanlig "fästing" av elektricitet antingen driver en motor för att flytta analoga händer eller styr utgången till en digital skärm.

Du kanske har sett eller hört talas om en atomur.

De är nästan helt digitala, så vi kommer inte in i detaljer, men de grundläggande principerna för hur de fungerar är desamma som klockorna ovan. Den stora skillnaden är deras tidtagning: de är uppbyggda kring en mekanism som mäter den exakta hastigheten med vilken cesiumatomer frigör energi efter att ha "upphetsats" av radiovågor.

Det internationella systemet för enheter standardiserade sin definition av en sekund på egenskaperna hos cesium 1967, och det har varit standard sedan dess.