Mekaniska klockors historia

Under större delen av medeltiden, från ungefär 500 till 1500 A.D., var tekniska framsteg en virtuell stillhet i Europa. Solstilar utvecklades, men de rörde sig inte långt från forntida egyptiska principer.

Enkla solurar placerade ovanför dörröppningarna användes för att identifiera middagstid och fyra "tidvatten" av den solbelysta dagen under medeltiden. Flera typer av ficksolkretsar användes av 10-talet - en engelsk modell identifierade tidvatten och kompenserade till och med för säsongsförändringar av solens höjd.

I början till mitten av 1300-talet började stora mekaniska klockor dyka upp i tornen i flera italienska städer. Det finns inget register över några fungerande modeller som föregick dessa offentliga klockor som var viktdrivna och reglerade av kanten och foliotillfällen. Verge-and-foliot-mekanismer regerade i mer än 300 år med variationer i formen av foliot, men alla hade samma grundläggande problem: perioden för svängning berodde starkt på mängden drivkraft och mängden friktion i drivenheten så hastigheten var svår att reglera.

Ett annat framsteg var en uppfinning av Peter Henlein, en tysk låssmed från Nürnberg, någon gång mellan 1500 och 1510. Henlein skapade vårdrivna klockor. Byte av tunga drivvikter resulterade i mindre och mer bärbara klockor och klockor. Henlein smeknamnet sina klockor "Nürnberg-ägg."

Även om de bromsade när huvudsprinten avvikts, var de populära bland rika individer på grund av deras storlek och eftersom de kunde placeras på en hylla eller ett bord istället för att hängas på en vägg. De var de första bärbara tidstyckena, men de hade bara timmens händer. Minutehänder dök inte upp förrän 1670, och klockor hade inget glasskydd under denna tid. Glas placerat över klockans ansikte kom inte förrän på 1600-talet. Men Henleins framsteg inom design var föregångare till verkligt noggrann tidtagning.

Christian Huygens, en holländsk forskare, gjorde den första pendelklockan 1656. Det reglerades av en mekanism med en "naturlig" svängningsperiod. Fastän Galileo Galilei ibland krediteras för att uppfinna pendeln och han studerade dess rörelse redan 1582, hans design för en klocka byggdes inte före hans död. Huygens pendelklocka hade ett fel på mindre än en minut om dagen, första gången en sådan noggrannhet uppnåddes. Hans senare förbättringar reducerade klockans fel till mindre än 10 sekunder om dagen.

Huygens utvecklade balanshjulet och vårenheten någon gång runt 1675 och det finns fortfarande i några av dagens armbandsur. Denna förbättring gjorde det möjligt för 1600-talsklockor att hålla tiden till 10 minuter om dagen.

William Clement började bygga klockor med det nya "ankaret" eller "rekylen" -utrymmet i London 1671. Detta var en väsentlig förbättring över gränsen eftersom det störde mindre pendelens rörelse.

1721 förbättrade George Graham pendelklockans noggrannhet till en sekund om dagen genom att kompensera för förändringar i pendelens längd på grund av temperaturvariationer. John Harrison, en snickare och självlärd urmakare, förfinade Grahams tekniker för temperaturkompensering och lade till nya metoder för att minska friktion. År 1761 hade han byggt en marin kronometer med fjädern och ett balanserande hjulutrymme som hade vunnit den brittiska regeringens pris från 1714 erbjuds för ett sätt att bestämma longitud till inom en halv a grad. Det höll tiden ombord på ett rullande fartyg till ungefär en femtedel av en sekund om dagen, nästan såväl som en pendelklocka kunde göra på land, och tio gånger bättre än krävt.

Under nästa århundrade ledde förbättringar till Siegmund Rieflers klocka med en nästan fri pendel 1889. Den uppnådde en noggrannhet på hundratals sekund om dagen och blev standarden i många astronomiska observatorier.

En verklig fri pendelprincip infördes av R. J. Rudd omkring 1898, stimulera utvecklingen av flera fritt pendel klockor. En av de mest kända, W. H. Kort klocka demonstrerades 1921. Shortt-klockan ersatte nästan omedelbart Rieflers klocka som en högsta tidhållare i många observatorier. Denna klocka bestod av två pendlar, en en slav och den andra en mästare. Slavpendeln gav masterpendeln de mjuka tryck som den behövde för att behålla sin rörelse, och den drev också klockans händer. Detta gjorde det möjligt för masterpendeln att förbli fri från mekaniska uppgifter som skulle störa dess regelbundenhet.

Kvarts kristallklockor ersatte Shortt-klockan som standard på 1930-talet och 1940-talet, vilket förbättrade tidtagningens prestanda långt utöver pendeln och balanserande hjulutrymmen.

Drift av kvartsklocka är baserad på den piezoelektriska egenskapen hos kvartskristaller. När ett elektriskt fält appliceras på kristallen ändrar det formen. Det genererar ett elektriskt fält när det pressas eller böjs. När den placeras i en lämplig elektronisk krets orsakar denna växelverkan mellan mekanisk spänning och elektriskt fält kristall för att vibrera och generera en elektrisk signal med konstant frekvens som kan användas för att använda en elektronisk klocka visa.
Kvartskristallklockor var bättre eftersom de inte hade några växlar eller utrymmen för att störa deras regelbundna frekvens. Trots det förlitade de sig på en mekanisk vibration vars frekvens kritiskt berodde på kristallens storlek och form. Inga två kristaller kan vara exakt lika med exakt samma frekvens. Kvartsur fortsätter att dominera marknaden i antal eftersom deras resultat är utmärkta och de är billiga. Men tidtagning prestanda hos kvartsur har överträffats väsentligt av atomur.

Information och illustrationer från National Institute of Standards and Technology och U.S. Department of Commerce.