De geschiedenis van mechanische klokken

Tijdens de meeste middeleeuwen, van ongeveer 500 tot 1500 na Christus, stond de technologische vooruitgang in Europa nagenoeg stil. Zonnewijzerstijlen evolueerden, maar ze kwamen niet ver van de oude Egyptische principes.

Eenvoudige zonnewijzers boven deuropeningen werden gebruikt om de middag en vier 'getijden' van de zonovergoten dag in de middeleeuwen te identificeren. In de 10e eeuw werden verschillende soorten zakzonnewijzers gebruikt - een Engels model identificeerde getijden en compenseerde zelfs voor seizoensveranderingen van de hoogte van de zon.

In het begin tot het midden van de 14e eeuw verschenen er grote mechanische klokken in de torens van verschillende Italiaanse steden. Er is geen registratie van werkmodellen die aan deze openbare klokken voorafgingen en die door gewicht werden aangedreven en gereguleerd door berm-en-foliot-echappementen. Verge-and-foliot-mechanismen regeerden meer dan 300 jaar met variaties in de vorm van de foliot, maar hadden allemaal hetzelfde basisprobleem: de periode van

Een andere vooruitgang was een uitvinding van Peter Henlein, een Duitse slotenmaker uit Neurenberg, ergens tussen 1500 en 1510. Henlein heeft klokken met veerkracht gemaakt. Het vervangen van de zware schijfgewichten resulteerde in kleinere en meer draagbare klokken en horloges. Henlein gaf zijn klokken de bijnaam 'Neurenbergse eieren'.

Hoewel ze langzamer gingen naarmate de hoofdveer afwikkelde, waren ze populair bij rijke mensen vanwege hun grootte en omdat ze op een plank of tafel konden worden geplaatst in plaats van aan een muur te worden gehangen. Het waren de eerste draagbare uurwerken, maar ze hadden alleen uurwijzers. Kleine wijzers verschenen pas in 1670 en klokken hadden in die tijd geen glasbescherming. Glas over de wijzerplaat van een horloge kwam pas in de 17e eeuw. Toch waren de vooruitgang van Henlein op het gebied van design voorlopers van een echt nauwkeurige tijdwaarneming.

Christian Huygens, een Nederlandse wetenschapper, maakte in 1656 de eerste slingeruurwerk. Het werd gereguleerd door een mechanisme met een "natuurlijke" oscillatieperiode. Hoewel Galileo Galilei wordt soms gecrediteerd met het uitvinden van de slinger en hij bestudeerde de beweging ervan al in 1582, zijn ontwerp voor een klok werd niet voor zijn dood gebouwd. De pendelklok van Huygens had een fout van minder dan een minuut per dag, de eerste keer dat een dergelijke nauwkeurigheid was bereikt. Zijn latere verfijningen reduceerden de fouten van zijn klok tot minder dan 10 seconden per dag.

Huygens ontwikkelde de balanswiel- en veerassemblage ergens rond 1675 en is nog steeds te vinden in sommige moderne horloges. Door deze verbetering konden horloges uit de 17e eeuw de tijd op 10 minuten houden.

William Clement begon klokken te bouwen met het nieuwe "anker" of "terugslag" echappement in Londen in 1671. Dit was een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de berm omdat het de beweging van de slinger minder hinderde.

In 1721 verbeterde George Graham de nauwkeurigheid van de slingeruurwerk tot één seconde per dag door te compenseren voor veranderingen in de lengte van de slinger als gevolg van temperatuurschommelingen. John Harrison, timmerman en autodidactisch klokkenmaker, verfijnde Graham's temperatuurcompensatietechnieken en voegde nieuwe methoden toe om wrijving te verminderen. Tegen 1761 had hij een maritieme chronometer gebouwd met de veer en een echappement voor het balanswiel dat had gewonnen de 1714-prijs van de Britse regering bood een middel om de lengtegraad te bepalen tot op een halve halve meter mate. Het hield de tijd aan boord van een rollend schip op tot ongeveer een vijfde van een seconde per dag, bijna net zo goed als een slingeruurwerk op het land kon doen, en 10 keer beter dan nodig.

In de volgende eeuw leidden verfijningen tot de klok van Siegmund Riefler met een bijna vrije slinger in 1889. Het bereikte een nauwkeurigheid van een honderdste van een seconde per dag en werd de standaard in veel astronomische observatoria.

R. introduceerde een echt vrij slingerprincipe. J. Rudd rond 1898, wat de ontwikkeling van verschillende vrijhangende klokken stimuleerde. Een van de bekendste, de W. H. Shortt Clock, werd gedemonstreerd in 1921. De Shortt-klok verving bijna onmiddellijk de klok van Riefler als een opperste tijdwaarnemer in veel observatoria. Deze klok bestond uit twee slingers, de ene een slaaf en de andere een meester. De slaveslinger gaf de meesterslinger de zachte druk die nodig was om zijn beweging te behouden, en hij dreef ook de wijzers van de klok. Hierdoor kon de hoofdslinger vrij blijven van mechanische taken die de regelmaat zouden verstoren.

Kwarts kristallen klokken vervingen de Shortt-klok als standaard in de jaren dertig en veertig, waardoor de tijdwaarneming beter ging dan die van slinger- en balanswiel-echappementen.

De werking van de kwartsklok is gebaseerd op de piëzo-elektrische eigenschap van kwartskristallen. Wanneer een elektrisch veld op het kristal wordt aangelegd, verandert het van vorm. Het genereert een elektrisch veld wanneer het wordt geperst of gebogen. Wanneer geplaatst in een geschikt elektronisch circuit, veroorzaakt deze interactie tussen mechanische spanning en elektrisch veld de kristal om te trillen en een elektrisch signaal met constante frequentie te genereren dat kan worden gebruikt om een ​​elektronische klok te laten werken Scherm.
Kwartskristallen klokken waren beter omdat ze geen versnellingen of echappementen hadden om hun normale frequentie te verstoren. Toch vertrouwden ze op een mechanische trilling waarvan de frequentie kritisch afhing van de grootte en vorm van het kristal. Geen twee kristallen kunnen precies hetzelfde zijn met exact dezelfde frequentie. Kwartsklokken blijven de markt in cijfers domineren omdat ze uitstekend presteren en niet duur zijn. Maar de tijdwaarneming de prestaties van kwartsklokken zijn aanzienlijk overtroffen door atoomklokken.

Informatie en illustraties geleverd door het National Institute of Standards and Technology en het Amerikaanse ministerie van Handel.