История хронометров - History of timekeeping devices

фотография старых песочных часов
Морской песочные часы . Это связано с песочными часами , которые в наши дни часто используются символически для представления концепции времени.

История хронометража устройства восходят к тому, когда древние цивилизации впервые наблюдали астрономические тела , как они двигались по небу. С тех пор устройства и методы измерения времени усовершенствовались благодаря длинной серии новых изобретений и идей. Солнечные и водяные часы возникли в Древнем Египте и позже использовались вавилонянами , греками и китайцами ; средневековые исламские водяные часы не имели себе равных по своей сложности до середины 14 века. Часы с благовониями , которые, возможно, были изобретены в Индии, использовались в Китае к 6 веку. Песочные часы , один из немногих надежных методов измерения времени в море, было европейское изобретение и , кажется, не были использованы в Китае до середины 16-го века.

В средневековой Европе чисто механические часы были разработаны после изобретения колокольного будильника, который предупреждал человека о звонке в монастырский колокол. Механические часы с приводом от веса, управляемые действием грани и листа , были синтезом более ранних идей, полученных из европейской и исламской науки, и одним из самых важных изобретений в истории хронометража. Самые известные механические часы были спроектированы и построены Генри де Вик в c. 1360 г. - в течение следующих 300 лет все улучшения в хронометрии были, по сути, разработками, основанными на нем. Изобретение боевой пружины в начале 15 века позволило впервые построить маленькие часы.

С 17 века открытие того, что часы могут управляться гармоническими осцилляторами, привело к самой продуктивной эпохе в истории хронометража. Леонардо да Винчи создал самые ранние из известных рисунков маятника в 1493–1494 годах, а в 1582 году Галилео Галилей исследовал регулярные колебания маятника и обнаружил, что частота зависит только от длины. Часы с маятником , спроектированные и построенные голландским эрудитом Христиан Гюйгенсом в 1656 году, были настолько гораздо более точным , чем другие виды механических хронометристов , что несколько часов дошедших их гранью и foliot механизмов неповрежденными. К другим нововведениям в хронометрии этого периода относятся изобретения часов с боем, часов с репетиром и бесступенчатого спуска . Ошибки ранних маятниковых часов затмили ошибки, вызванные колебаниями температуры. Этой проблемой в XVIII веке занялись английские часовщики Джон Харрисон и Джордж Грэм ; только изобретение инвара в 1895 г. устранило необходимость в таких нововведениях.

С 18 века череда нововведений и изобретений привела к тому, что устройства для измерения времени стали становиться все более точными. После морской катастрофы в Силли в 1707 году , после которой правительства предложили приз всем, кто сможет найти способ определения долготы, Харрисон построил серию точных часов. Электрические часы, изобретенные в 1840 году, использовались для управления самыми точными маятниковыми часами до 1940-х годов, когда кварцевые таймеры стали основой для точного измерения времени и частоты. Наручные часы, которые были признаны ценным военным инструментом во время англо-бурской войны , стали символом мужественности и храбрости после Первой мировой войны. В 20-м веке немагнитные наручные часы , часы с батарейным питанием, кварцевые наручные часы и транзисторы. и пластмассовые детали были изобретены. Сегодня наиболее точными устройствами для измерения времени являются атомные часы , точность которых может составлять несколько миллиардных долей секунды в год. Они используются для калибровки других часов и приборов для хронометража.

Устройства непрерывного хронометража

фотография Стоунхенджа на рассвете
Солнце встает над Стоунхенджем на юге Англии в день июньского солнцестояния.

Древние цивилизации наблюдали за астрономическими телами , часто Солнцем и Луной , чтобы определить время. По словам историка Эрика Брутона, Стоунхендж , вероятно, был эквивалентом астрономической обсерватории каменного века , используемой для сезонных и ежегодных событий, таких как равноденствия или солнцестояния . Поскольку мегалитические цивилизации не оставили никаких записей в истории, мало что известно об их методах измерения времени.

Жители Мезоамерики изменили свою обычную десятичную (основание 20) систему счета при работе с календарями, чтобы рассчитать год из 360 дней. В австралийцы - аборигены поняла движение объектов в небе хорошо, и использовать свои знания для построения календарей и навигации помощи; в большинстве культур аборигенов были времена года, которые были четко определены и определялись естественными изменениями в течение года, включая небесные явления. Лунные фазы использовались для обозначения более коротких периодов времени; Yaraldi из Южной Австралии является одним из немногих людей , зарегистрированных как имеющие способ измерения времени в течение дня, который был разделен на семь частей , используя положение Солнца

Все хронометристы до 13 века полагались на методы, в которых использовалось что-то, что непрерывно движется. Ни один из ранних методов отсчета времени не менялся с постоянной скоростью. Устройства и методы измерения времени непрерывно совершенствовались благодаря долгому ряду новых изобретений и идей.

Часы с тенями и солнечные часы

изображение древнеегипетских солнечных часов (гравировка на скале полукруглой формы).
Древние египетские солнечные часы ( Rijksmuseum van Oudheden )

Первыми устройствами, использовавшимися для измерения положения Солнца, были теневые часы , которые позже превратились в солнечные часы . Египетские обелиски , построенные ок.  3500 г.  до н.э., являются одними из самых ранних теневых часов. Самые старые из всех известных солнечных часов датируются ок.  1500 г.  до н.э. (во времена 19-й династии ) и был обнаружен в Долине царей в 2013 году. Обелиски могли указывать, было ли это утро или день, а также летнее и зимнее солнцестояние . Своего рода теневые часы были разработаны c.  500 г.  до н.э., который был похож по форме на изогнутый Т-образный квадрат . Он измерял течение времени по тени, отбрасываемой его перекладиной, по утрам ориентировался на восток, а в полдень разворачивался, чтобы отбрасывать свою тень в противоположном направлении.

Солнечные часы упоминаются в Библии в 4 Царств 20 : 9–11, когда Езекия , царь Иудеи в 8 веке до нашей эры, записан как исцеленный пророком Исайей и просит знамения, что он выздоровеет:

И сказал Исаия: это знамение будет у тебя от Господа, что Господь исполнит то, что Он сказал: пойдет ли тень на десять ступеней или на десять ступеней назад? И сказал Езекия: легко тени опускаться на десять градусов; нет, но пусть тень вернется на десять градусов назад. И пророк Исайя воззвал к Господу, и он отодвинул тень на десять ступеней назад, на которую она спустилась в циферблате Ахаза.

Глины таблетка от конца вавилонского периода описывает длину тени в разное время года. Вавилонский писатель Berossos ( . Фл  третий век до н.э. ) приписывают по греками с изобретением полусферической солнечные часы выдолбленные из камня; Путь тени был разделен на 12 частей, чтобы отметить время. Греческие солнечные часы эволюционировали и стали очень сложными - Аналемма Птолемея , написанная во 2 веке нашей эры, использовала раннюю форму тригонометрии для определения положения Солнца по таким данным, как час дня и географическая широта . Идею солнечных часов римляне позаимствовали у греков. Военный полководец Плиний Старший записал, что первые солнечные часы в Рим прибыли в 264 г. до н.э., украдены из Катании на Сицилии ; по его словам, это давало неверное время в течение столетия, пока не использовались отметки и угол, соответствующие широте Рима.

По словам немецкого историка астрономии Эрнста Циннера , в 13 веке были разработаны солнечные часы с одинаковыми часами на шкале. Первые, основанные на полярном времени, появились в Германии ок.  1400 ; Альтернативная теория предполагает, что солнечные часы Дамаска, измеряющие полярное время, могут быть датированы 1372 годом. Европейские трактаты о дизайне солнечных часов появились ок.  1500 .

Египетский метод определения времени ночи, используемый по крайней мере с 600 г. до н.э., представлял собой тип отвеса, называемый мерхетом . Меридиан север-юг был создан с помощью двух меркхетов, выровненных по Полярной звезде, звезде северного полюса . Время было определено путем наблюдения за отдельными звездами, когда они пересекали меридиан.

Водяные часы

фотография египетских водяных часов
фотография вавилонской глиняной таблички
( слева ) Известняковые египетские водяные часы , 285–246 гг. до н.э. ( Восточный институт, Чикаго ) ( справа ) Вавилонская глиняная табличка BM 29371 с описанием водяных часов ( Британский музей )

Самое старое описание клепсидры, или водяных часов , взято из надгробной надписи времен  египетского придворного чиновника начала 18-й династии ( около  1500 г. до н.э.) по имени Аменемхет, который считается ее изобретателем. Предполагается, что описанный на надписи объект представляет собой чашу с отметками, указывающими время. Самые старые из сохранившихся водяных часов были найдены в гробнице фараона Аменхотепа III ( ок.  1417–1379 до н . Э.). Не существует признанных примеров существования истекающих водяных часов из древней Месопотамии или вытекающих водяных часов, но письменные упоминания сохранились.

Появление водяных часов в Китае , возможно, из Месопотамии, произошло еще во 2-м тысячелетии до нашей эры, во время династии Шан , и самое позднее в 1-м тысячелетии до нашей эры. Примерно в 550 году нашей эры Инь Гуй был первым в Китае, кто написал о переполненном резервуаре или резервуаре постоянного уровня. Около 610 года два изобретателя из династии Суй , Гэн Сюнь и Ювэнь Кай, создали первую балансировочную клепсидру со стандартными позициями для безменного баланса . В 721 году математик И Син и правительственный чиновник Лян Линцзань отрегулировали мощность воды, приводящую в движение астрономические часы , разделив мощность на единичные импульсы, чтобы можно было дублировать движение планет и звезд. В 976 году астроном из династии Сун Чжан Сиксун обратился к проблеме замерзания воды в клепсидре в холодную погоду, когда он заменил воду жидкой ртутью . Водяная башня с астрономическими часами была построена эрудитом Су Сонгом в 1088 году и представляла собой первый известный цепной привод с бесконечной передачей энергии .

фотография Башни Ветров
Башня Ветров в Афинах (первый век до н.э.)

В греческих философ Анаксагор и Эмпедоклы как называют водяные часы , которые были использованы для обеспечения ограничения по времени или измерять течение времени. Афинский философ Платон должен изобрел будильник , который использовал свинцовые шарики каскадных с грохотом на медный поднос , чтобы разбудить свои студент.

Проблема с большинством клепсидр заключалась в изменении потока воды из-за изменения давления жидкости, что было решено с 100 г. до н.э., когда резервуар для воды в часах приобрел коническую форму. Они стали более сложными, когда в них были включены такие инновации, как гонги и движущиеся механизмы. Есть свидетельства того, что в Башне Ветров в Афинах I века до н.э. когда-то были восемь солнечных часов, водяные часы и флюгер. В греческой традиции клепсидры использовались при дворе ; позже эта практика была принята древними римлянами .

Первые часы с редуктором, изобретенные в XI веке арабским инженером Ибн Халафом аль-Муради в Исламской Иберии , были водяными часами, в которых использовались как сегментные, так и планетарные передачи . Исламские водяные часы, в которых использовались сложные зубчатые передачи и состояли из множества автоматов , не имели себе равных по своей сложности до середины 14 века. Были разработаны механизмы с жидкостным приводом (с использованием тяжелых поплавков и системы постоянного напора), которые позволили водяным часам работать с меньшей скоростью.

Водяные часы Джайрун 12-го века в мечети Омейядов в Дамаске были построены Мухаммадом ас-Саати, а позже были описаны его сыном Ридваном ибн ас-Саати в его работе « О строительстве и использовании часов» (1203 г.) . Сложные водные астрономические часы были описаны Аль-Джазари в его трактате о машинах, написанном в 1206 году. Эти замковые часы были около 11 метров (36 футов) в высоту и включали отображение зодиака, солнечного и лунного путей. и двери, которые открылись в час, чтобы показать манекен . В 1235 году в вестибюле медресе Мустансирия в Багдаде стояли водные часы, которые «объявляли назначенные часы молитвы и время как днем, так и ночью» .

Китайские часы с благовониями

фотография старинных китайских часов с благовониями
Ладан часы ; время измерялось порошкообразным ладаном, сжигаемым по заранее отмеренной траектории.

Часы с благовониями были впервые использованы в Китае примерно в VI веке, в основном для религиозных целей, но также для общественных собраний или учеными. Из-за того, что они часто используют символы деванагари , американский китаевед Эдвард Х. Шафер предположил, что часы с благовониями были изобретены в Индии. Поскольку ладан горит равномерно и без пламени, часы можно было использовать в помещении. Чтобы отметить разные часы, использовались благовония с разным ароматом (приготовленные по разным рецептам).

Используемые ароматические палочки могли быть прямыми или спиралевидными; спиральные предназначались для длительного использования и часто свешивались с крыш домов и храмов. Некоторые часы были разработаны так, чтобы сбрасывать вес через равные промежутки времени,

Часы с печатью благовоний имели диск с одной или несколькими канавками, в которые помещали благовония. Длина следа ладана, напрямую связанная с размером печати, была основным фактором, определяющим, как долго прослужат часы; Чтобы сжечь 12 часов, путь ладана оценивается примерно в 20 метров (66 футов). Постепенное внедрение металлических дисков, которое, скорее всего, началось во времена династии Сун, позволило мастерам более легко создавать печати разных размеров, разрабатывать и декорировать их более эстетично, а также изменять траектории канавок, чтобы учесть изменяющуюся продолжительность дней. в год. По мере появления меньших печатей популярность часов с печатью благовоний росла, и их часто дарили в качестве подарков.

Астролябии

фотография астролябии с календарем передач (аверс)
фотография астролябии с привязанным календарем
( слева ) описание астролябии, созданной аль-Бируни в XI веке; ( справа ) астролябия, сделанная в с. 1221 год астрономом аль-Фариси ( Музей истории науки, Оксфорд )

Сложные астролябии для хронометража с приводными механизмами производились в Персии. Примеры включают те, которые были построены эрудитом Абу Райханом Бируни в 11 веке и астрономом Мухаммадом ибн Аби Бакр аль-Фариси в ок. 1221. Астролябия из латуни и серебра (которая также служит календарем), сделанная в Исфахане аль-Фариси, является самой ранней сохранившейся машиной с целыми шестернями. Отверстия на обратной стороне астролябии изображают лунные фазы и дают возраст Луны; На зодиакальной шкале есть два концентрических кольца, которые показывают относительное положение Солнца и Луны.

Мусульманские астрономы сконструировали множество высокоточных астрономических часов для использования в своих мечетях и обсерваториях , таких как астролябические часы Ибн аль-Шатира в начале 14 века.

Свечи и песочные часы

Одно из самых ранних упоминаний свечных часов находится в китайском стихотворении , написанном в 520 году Ю Цзяньфу, который писал о градуированной свече как средстве определения времени в ночное время. Подобные свечи использовались в Японии до начала 10 века.

Изобретение свечи часы были возлагаться англосаксов до Альфреда Великого , короля Уэссекса , который использовал шесть свечей маркированные с интервалом в один дюйм (25 мм), каждый из которых изготовлен из 12  пеннивейтов воска и сделал быть 12 сантиметров (4,7 дюйма) в высоту и одинаковой толщины.

Мусульманский изобретатель 12-го века Аль-Джазари описал четыре различных дизайна свечных часов в своей книге «Книга знаний об изобретательных механических устройствах» ( IKitab fi Ma'rifat al-Hiyal al-Handasiyya ). Его так называемые свечные часы-писцы были изобретены, чтобы отмечать прохождение 14 часов равной продолжительности: точно разработанный механизм заставлял свечу определенных размеров медленно подталкиваться вверх, что заставляло индикатор перемещаться по шкале. Каждый час из клюва птицы вылетал маленький шарик.

Песочные часы были один из немногих надежных методов измерения времени в море, и это было предположение , что он был использован на борту судах , еще в 11 - м века, когда было бы дополнившим компас в качестве вспомогательного средства для навигации. Самое раннее недвусмысленное свидетельство использования песочных часов появляется в картине « Аллегория доброго правительства » итальянского художника Амброджо Лоренцетти 1338 года.

Португальский мореплаватель Фердинанд Магеллан использовал 18 песочные часы на каждое судне во время его кругосветного земного шара в 1522 Хотя используется в Китае, история песочных часов там неизвестна, но , кажется, не использовались до середины шестнадцатого века, как песочные часы подразумевает использование стеклодува , тогда полностью европейского и западного искусства.

Начиная с 15 века, песочные часы использовались в широком спектре применений на море, в церквях, в промышленности и в кулинарии; они были первыми надежными, многоразовыми, достаточно точными и легко конструируемыми устройствами для измерения времени. Песочные часы приобрели символическое значение, такое как смерть, воздержание , возможность и время отца , обычно представленного в виде бородатого старика.

История первых осциллирующих устройств в хронометрах

Английские словесные часы впервые появились в среднеанглийском языке как clok , cloke или clokke . Происхождение слова доподлинно неизвестно; это может быть заимствование из французского или голландского и, возможно, восходит к постклассическому латинскому clocca («колокольчик»). Ирландские и германские источники 7-го века записали, что часы означают «колокол».

В иудаизме, христианстве и исламе всегда было время для молитв, хотя ожидалось, что только христиане будут посещать молитвы в определенные часы дня и ночи - что историк Джо Эллен Барнетт описывает как «строгое соблюдение повторяющихся молитв, произносимых много раз в день. ". Звонок колокола предупредил дежурного монаха позвонить в монастырский колокол. Его будильник был таймером, который использовал спусковой механизм для звонка в маленький колокольчик. Этот механизм был предшественником спускового механизма механических часов.

13 век

средневековая иллюстрация водяных часов
Водяные часы (изображающие часы при королевском дворе в Париже, около 1250 г.)

Первые инновации, направленные на повышение точности песочных часов и водяных часов, произошли в 10 веке, когда были предприняты попытки снизить скорость их потока с помощью трения или силы тяжести. Самое раннее изображение часов, приводимых в движение подвешенным грузом, взято из Библии Сент-Луиса , освещенной рукописи, в которой показано, как часы замедляются под действием воды, действующей на колесо. На иллюстрации видно, что часы с отягощением были изобретены в Западной Европе. Трактат, написанный Робертом Англичанином в 1271 году, показывает, что средневековые мастера пытались сконструировать чисто механические часы (то есть приводимые в движение только силой тяжести) в этот период. Такие часы были синтезом более ранних идей, полученных из европейской и исламской науки, таких как системы зубчатых передач, весовые приводы и ударные механизмы.

В 1250 году художник Виллар де Оннекур проиллюстрировал устройство, которое стало шагом на пути к развитию спуска . Еще одним предшественником спуска были часы horologia nocturna , в которых использовался ранний вид граничного механизма для управления молотком, который непрерывно ударял в колокол. Часы с приводом от веса, вероятно, были изобретением в Западной Европе, поскольку на изображении часов изображен груз, вращающий ось, его движение замедлено системой отверстий, которые медленно выпускают воду. В 1271 году английский астроном Робертус Англикус писал о своих современниках, что они разрабатывают механические часы.

14 век

Изобретение торцевого и лицевого спуска в ок. 1275 год был одним из самых важных изобретений как в истории часов, так и в истории технологий . Это был первый тип регулятора в часовом деле . Край, или вертикальный вал, приводится во вращение коронным колесом, приводимым в движение весом, но не может свободно вращаться из-за фолиота. Лист, который не может свободно вибрировать, раскачивается вперед и назад, что позволяет колесу вращать по одному зубцу за раз. Хотя грани и фолиот были усовершенствованием по сравнению с предыдущими хронометрами, было невозможно избежать колебаний ритма, вызванных изменениями приложенных сил - самые ранние механические часы регулярно сбрасывались с помощью солнечных часов.

Примерно в то же время, когда был изобретен спусковой механизм, флорентийский поэт Данте Алигьери использовал образы часов для изображения душ благословенных в Парадизо , третьей части Божественной комедии , написанной в начале 14 века. Возможно, это первое известное литературное описание механических часов. Есть упоминания о домашних часах с 1314 года; К 1325 году можно предположить, что развитие механических часов произошло.

Были построены большие механические часы, которые устанавливались на башнях так, чтобы звонить прямо в колокол. Башня с часами Норвич собора (построен в. Одна тысяча триста двадцать один -1325) является самым ранним , такие большие часы известны. Часы не сохранились. Первые часы, которые, как известно, регулярно отбивают час, часы с механизмом на грани и листе, зарегистрированы в Милане в 1336 году. К 1341 году часы с гирями были достаточно знакомы, чтобы их можно было приспособить для зерновых мельниц , а к 1344 году Часы в лондонском соборе старого Святого Павла были заменены часами с спусковым механизмом. Фолиот был впервые проиллюстрирован Донди в 1364 году и упомянут придворным историком Жаном Фруассаром в 1369 году.

Самым известным примером устройства для измерения времени в средневековый период были часы, разработанные и построенные часовщиком Генри де Вик в ок. 1360, который, как сообщалось, менялся до двух часов в день. В течение следующих 300 лет все улучшения в хронометрии были по существу разработками, основанными на принципах часов де Вика. Между 1348 и 1364 годами Джованни Донди дель Орологио , сын Якопо Донди , построил во Флоренции сложный астрарий .

В течение XIV века часы с боем все чаще появлялись в общественных местах, сначала в Италии, немного позже во Франции и Англии - между 1371 и 1380 годами общественные часы были введены в более чем 70 европейских городах. Часы Солсберийского собора , датируемые примерно 1386 годом, являются одними из самых старых рабочих часов в мире и, возможно, самыми старыми; в нем до сих пор сохранилась большая часть оригинальных деталей. Часы Уэллс собор , построенный в 1392 году , уникален тем , что он по- прежнему имеет свой первоначальный средневековый лицо. Над часами находятся фигуры, которые бьют в колокола, и рыцари рыцарей, которые совершают оборот вокруг дорожки каждые 15 минут.

Более поздние разработки

Рисунок Леонардо да Винчи часового фьюзера
Фузей для часов (Леонардо да Винчи) из « Трактата о статике и механике »

Изобретение боевой пружины в начале 15 века - устройства, впервые использованного в замках и для кремневых замков в оружии - позволило впервые построить маленькие часы. Необходимость в спусковом механизме, который постоянно контролировал высвобождение накопленной энергии, привела к разработке двух устройств: стекифрид (который, хотя он был изобретен в 15 веке, может быть задокументирован не ранее, чем в 1535 году) и предохранитель , который первым возникло из средневекового оружия, такого как арбалет . В самых ранних сохранившихся часах с пружинным приводом есть запал, камерные часы, сделанные для Филиппа Доброго в ок.  1430. Леонардо да Винчи , создавший самые ранние из известных рисунков маятника в 1493–1494 годах, проиллюстрировал фузе в ок.  1500 год, через четверть века после появления спиральной пружины.

фотография ранних часов, построенных Генлейном
Так называемые «часы Генлейна»

Часовые башни в Западной Европе в средние века отбивали время. Ранние циферблаты показывали часы; часы с минутным циферблатом упоминаются в рукописи 1475 года. В течение 16 века хронометристы стали более изощренными и изощренными, так что к 1577 году датский астроном Тихо Браге смог получить первые из четырех часов, которые измеряли секунды, а в Нюрнберге часовщику Петру Генлайну заплатили за то, что он сделал то, что думает. это был самый ранний образец часов , сделанный в 1524 году. К 1500 году использование фолиота в часах стало сокращаться. Самые старые из сохранившихся часов с пружинным приводом - это устройство, созданное Якобом Зехом  [ CS ] в 1525 году. Первым, кто предложил путешествовать с часами для определения долготы , в 1530 году был голландский производитель инструментов Джемма Фризиус . Часы будут установлены на местное время отправной точки, долгота которой известна, а долгота любого другого места может быть определена путем сравнения местного времени с часами.

Османская инженер Таки ад-Дин описала вес управляемых часов с гранью-и-foliot спуском, поразительным поездом передач, тревогой и представлением фаз Луны в своей книге ярчайшего звёзд на строительство механических часов ( Аль-Кавакиб ад-дуррийя фи вадх аль-банкамат аль-даурийя ), написанный примерно в 1556 году.

Считается, что итальянский эрудит Галилео Галилей первым понял, что маятник можно использовать в качестве точного хронометра, после наблюдения за движением подвесных светильников в Пизанском соборе . В 1582 году он исследовал правильное колебание маятника и обнаружил, что это зависит только от его длины. Галилей никогда не строил часы на основе своего открытия, но перед смертью он продиктовал инструкции по созданию маятниковых часов своему сыну Винченцо .

Эра точного хронометража

Маятниковые часы

Первые хронометры основывались на явлении, известном как гармоническое движение , при котором восстанавливающая сила, действующая на объект, отодвигающаяся от его положения равновесия - например, маятник или растянутая пружина, - возвращает объект в это положение и вызывает его для осциллируем . Гармонические осцилляторы могут использоваться в качестве точных хронометров, поскольку период колебаний не зависит от амплитуды движения - и поэтому для завершения одного колебания всегда требуется одно и то же время. Период гармонического осциллятора полностью зависит от физических характеристик колебательной системы, а не от начальных условий или амплитуды .

иллюстрация часового механизма Гюйгенса
иллюстрация часов Гюйгенса
Портрет Гюйгенса
( слева и в центре ) Первые маятниковые часы , изобретенные Христианом Гюйгенсом в 1656 году. Его изобретение увеличило точность часов более чем в шестьдесят раз; ( Правый ) Netscher портрет «s Гюйгенса (1671).

Период, когда часы управлялись гармоническими осцилляторами, был самой продуктивной эрой в хронометрии. Первым изобретением этого типа были маятниковые часы , которые были разработаны и построены голландским эрудитом Христианом Гюйгенсом в 1656 году. Ранние версии имели ошибку менее одной минуты в день, а более поздние - всего 10 секунд, что очень точно для своего времени. Циферблаты, показывающие минуты и секунды, стали обычным явлением после повышения точности, которое стало возможным благодаря маятниковым часам. Браге использовал часы с минутами и секундами для наблюдения за положением звезд. Маятниковые часы превзошли все другие виды механических хронометров до такой степени, что их обычно переоборудовали с помощью маятника - задача, которую можно было выполнить без труда, - так что немногие устройства спуска с граничным спуском сохранились в их первоначальном виде.

Первые маятниковые часы использовали торцевой спуск, который требовал широкого поворота около 100 ° и, следовательно, имел короткие и легкие маятники. Поворот был уменьшен примерно до 6 ° после того, как изобретение якорного механизма позволило использовать более длинные и тяжелые маятники с более медленными ударами, которые имели меньшие вариации, поскольку они больше напоминали простое гармоническое движение, требовали меньшей мощности и вызывали меньшее трение и износ. . Первые известные часы с якорным спуском были построены английским часовщиком Уильямом Клементом в 1671 году для Королевского колледжа в Кембридже, а сейчас находятся в Музее науки в Лондоне . Якорный спуск возник у Гука, хотя утверждается, что он был изобретен Клементом или английским часовщиком Джозефом Книббом .

В иезуиты внесли значительный вклад в развитие маятниковых часов в 17 - м и 18 - м веках, имея в «необычайно острое признание важности точности». Например, при измерении маятника с точностью до секунды итальянский астроном отец Джованни Баттиста Риччоли убедил девять товарищей-иезуитов «подсчитать почти 87 000 колебаний за один день». Они сыграли решающую роль в распространении и проверке научных идей того периода и сотрудничали с Гюйгенсом и его современниками.

деталь циферблата часов с уравнением 18 века
Деталь циферблата часов с уравнениями, сделанных Фердинандом Берту , ок. 1752 ( Метрополитен-музей )

Гюйгенс впервые использовал часы для вычисления уравнения времени (разницы между видимым солнечным временем и временем, заданным часами), опубликовав свои результаты в 1665 году. Это соотношение позволило астрономам использовать звезды для измерения звездного времени , что обеспечило точный метод установки часов. Уравнение времени было выгравировано на солнечных часах, поэтому часы можно было устанавливать по солнцу. В 1720 году Джозеф Уильямсон утверждал, что изобрел часы, показывающие солнечное время , оснащенные кулачком и дифференциальной передачей , так что часы показывали истинное солнечное время.

Другие нововведения в хронометрии этого периода включают изобретение стеллажа и ударного механизма в виде улитки для боя часов английским механиком Эдвардом Барлоу , изобретение Барлоу или Дэниела Куэра , лондонского часовщика, в 1676 году повторяющихся часов, которые отбивают куранты. число часов или минут, а также беспроигрышный спусковой механизм , изобретенный около 1675 года астрономом Ричардом Таунли .

Париж и Блуа были ранними центрами часового искусства во Франции, а французские часовщики, такие как Жюльен Ле Руа , часовщик Версаля , были лидерами в дизайне корпусов и декоративных часов. Ле Руа принадлежал к пятому поколению семьи часовщиков, и его современники описывали его как «самого искусного часовщика во Франции, возможно, в Европе». Он изобрел специальный повторяющийся механизм, который улучшил точность часов, циферблат, который можно было открыть, чтобы увидеть внутренний часовой механизм, и изготовил или контролировал более 3500 часов за свою почти пятидесятилетнюю карьеру, которая закончилась его смертью в 1759 году. Конкуренция и научное соперничество, возникшие в результате его открытий, побудили исследователей искать новые методы более точного измерения времени.

Любые ошибки, присущие ранним маятниковым часам, были меньше, чем другие ошибки, вызванные такими факторами, как изменение температуры. В 1729 году йоркширский плотник и часовщик-самоучка Джон Харрисон изобрел решетчатый маятник , в котором использовались по крайней мере три металла разной длины и свойств расширения , соединенных таким образом, чтобы поддерживать общую длину маятника, когда он нагревается или охлаждается окружающей средой. . В 1781 году часовщик Джордж Грэм компенсировал колебания температуры в железном маятнике с помощью боба, сделанного из стеклянного сосуда с ртутью - жидкого металла при комнатной температуре, который расширяется быстрее, чем стекло. Более точные версии этого нововведения содержали ртуть в более тонких железных сосудах, чтобы сделать их более отзывчивыми. Этот тип маятника с температурной компенсацией был еще более усовершенствован, когда ртуть содержалась внутри самого стержня, что позволило двум металлам термически соединиться более плотно. В 1895 году изобретение инвара , сплава железа и никеля, который очень мало расширяется, в значительной степени устранило необходимость в более ранних изобретениях, предназначенных для компенсации колебаний температуры.

В период с 1794 по 1795 год, после Французской революции , французское правительство обязало использовать десятичное время , когда день делился на 10 часов по 100 минут каждый. Часы во Дворце Тюильри отсчитывали десятичное время до 1801 года.

Морской хронометр

После военно-морской катастрофы в Силли в 1707 году, когда четыре корабля сели на мель из-за навигационных ошибок, британское правительство предложило приз в размере 20000 фунтов стерлингов, что эквивалентно миллионам фунтов сегодня, любому, кто сможет определить долготу с точностью до 50 километров (31 миль). широта к северу от экватора. Положение корабля в море можно было бы определить с точностью до 100 километров (62 миль), если бы штурман мог сослаться на часы, которые теряли или отставали менее чем примерно на шесть секунд в день. Предложения были рассмотрены вновь созданным Советом по долготе . Среди многих людей, которые пытались претендовать на приз, был часовщик из Йоркшира Джереми Такер , который впервые использовал термин хронометр в брошюре, опубликованной в 1714 году. Гюйгенс построил первые морские часы, предназначенные для того, чтобы оставаться в горизонтальном положении на борту движущегося корабля, но они перестали работать. если корабль внезапно сдвинулся с места.

фотография хронометра H4
Хронометр Harrison's H4

В 1715 году, в возрасте 22 лет, Харрисон применил свои столярные навыки, чтобы построить деревянные восьмидневные часы. В его часах были инновации, которые включали использование деревянных деталей для устранения необходимости в дополнительной смазке (и очистке), роликов для уменьшения трения, нового типа спускового механизма и использования двух разных металлов для уменьшения проблемы расширения, вызванного температурой. вариация. Он отправился в Лондон, чтобы обратиться за помощью к Совету долготы в изготовлении морских часов. Его отправили навестить Грэма, который помог Харрисону организовать финансирование его работы по созданию часов. Спустя 30 лет его устройство, теперь названное «H1», было построено и в 1736 году было испытано в море. Затем Харрисон приступил к разработке и изготовлению двух других морских часов, «H2» (завершено примерно в 1739 году) и «H3», оба из которых были готовы к 1755 году.

Харрисон сделал две модели: «H4» и «H5». Эрик Брутон в своей книге «История часов и часов » охарактеризовал H4 как «вероятно, самый выдающийся хронометрист из когда-либо созданных». После завершения ходовых испытаний зимой 1761–1762 гг. Было обнаружено, что он был в три раза точнее, чем требовалось, чтобы Харрисон получил приз долготы.

Электрические часы

фотография ранних электромагнитных часов
Один из первых электромагнитных часов Александра Бейна , 1840-х годов.

В 1815 году плодовитый английский изобретатель Фрэнсис Рональдс создал предшественника электрических часов - электростатические часы. Он питался от сухих свай , высоковольтной батареи с чрезвычайно долгим сроком службы, но недостатком ее электрических свойств, которые менялись в зависимости от температуры и влажности воздуха . Он экспериментировал со способами регулирования электричества, и его усовершенствованные устройства оказались более надежными.

В 1840 году шотландский производитель часов и инструментов Александр Бейн впервые использовал электричество для поддержания движения маятниковых часов, и поэтому ему можно приписать изобретение электрических часов. 11 января 1841 года Бейн и производитель хронометров Джон Барвайз получили патент, описывающий часы с электромагнитным маятником. Английский ученый Чарльз Уитстон , с которым Бейн встретился в Лондоне, чтобы обсудить свои идеи электрических часов, создал свою версию часов в ноябре 1840 года, но Бейн выиграл судебную тяжбу, чтобы утвердиться в качестве изобретателя.

В 1857 году французский физик Жюль Лиссажу показал, как с помощью электрического тока можно бесконечно долго вибрировать камертон , и, вероятно, был первым, кто использовал изобретение в качестве метода точного измерения частоты. В пьезоэлектрических свойствах кристаллического кварца были обнаружены французскими братьями физика Жака и Пьер Кюри в 1880 году.

Наиболее точные маятниковые часы управлялись электрически. Часы Shortt-Synchronome , электрический управляемый часы маятник разработан в 1921 году, были первые часами , чтобы быть более точным , чем хронометристом самой Земли.

Череда нововведений и открытий привела к изобретению современного кварцевого таймера. Генератор на вакуумной лампе был изобретен в 1912 году. Электрический генератор был впервые использован для поддержания движения камертона британским физиком Уильямом Экклсом в 1919 году; его достижение устранило большую часть демпфирования, связанного с механическими устройствами, и максимизировало стабильность частоты вибрации. Первый кварцевый кварцевый генератор был построен американским инженером Уолтером Кэди в 1921 году, а в октябре 1927 года первые кварцевые часы были описаны Джозефом Хортоном и Уорреном Маррисоном из Bell Telephone Laboratories . В последующие десятилетия кварцевые часы стали использоваться в качестве устройств для точного измерения времени в лабораторных условиях - громоздкая и хрупкая электроника для счета, построенная на электронных лампах , ограничивала их практическое использование в других местах. В 1932 году были разработаны кварцевые часы, способные измерять небольшие еженедельные изменения скорости вращения Земли. Присущие им физическая и химическая стабильность и точность привели к последующему распространению, а с 1940-х годов они стали основой для точных измерений времени и частоты во всем мире.

Развитие часов

рисунок балансовой пружины и балансового колеса Гюйгена
фотография карманных часов Tompion
(вверху) Иллюстрация балансира Гюйгенса, прикрепленного к балансовому колесу ; (внизу) Часы с пружиной раннего баланса от Томаса Томпиона

Первые наручные часы были изготовлены в 16 веке. В 1572 году английская Елизавета I провела инвентаризацию приобретенных ею часов, и все они считались частью ее ювелирной коллекции. Первые карманные часы были неточными, поскольку их размер не позволял им иметь достаточно хорошо сделанные движущиеся части. Часы без украшения начали появляться в c. 1625.

Циферблаты, показывающие минуты и секунды, стали обычным явлением после повышения точности, которое стало возможным благодаря пружине баланса (или волосковой пружине ). Изобретенный отдельно в 1675 году Гюйгенсом и Гуком, он позволил колебаниям балансового колеса иметь фиксированную частоту . Изобретение привело к значительному повышению точности механических часов : от получаса до нескольких минут в день. Остается спорным, была ли пружина баланса изобретена Гюйгенсом или Гуком; оба ученых заявили, что первыми придумали идею пружины баланса. Дизайн пружины баланса, разработанный Гюйгенсом, до сих пор используется практически во всех часах.

Томас Томпион был одним из первых часовых мастеров, которые осознали потенциал пружины баланса и успешно использовали ее в своих карманных часах; Повышенная точность позволила часам работать так же хорошо, как они обычно используются сегодня, в качестве секундной стрелки, добавляемой к циферблату , что произошло в 1690-х годах. Концентрическая минутная стрелка была изобретением раньше, но Quare изобрел механизм, позволяющий приводить стрелки в движение вместе. Николя Фатио де Дуйе , швейцарский натурфилософ , считается автором первых ювелирных подшипников в часах в 1704 году.

Среди других известных английских часовщиков 18 века - Джон Арнольд и Томас Эрншоу , посвятившие свою карьеру созданию высококачественных хронометров и так называемых «палубных часов», уменьшенных версий хронометра, которые можно было хранить в кармане.

Военное использование часов

Часы носили во время франко-прусской войны (1870–1871), а ко времени англо-бурской войны (1899–1902) часы были признаны ценным инструментом. Ранние модели представляли собой стандартные карманные часы с кожаным ремешком, но к началу 20 века производители начали производить специальные наручные часы. В 1904 году один из первых летчиков Альберто Сантос-Дюмон попросил своего друга, французского часовщика Луи Картье, разработать часы, которые можно было бы использовать во время его полетов.

Во время Первой мировой войны наручные часы использовались офицерами артиллерии . Так называемые траншейные часы , или «браслеты», были практичными, поскольку они освобождали одну руку, которая обычно использовалась для работы с карманными часами, и стали стандартным оборудованием. Требования позиционной войны означали, что солдатам нужно было защищать стекла своих часов, а иногда использовалась охрана в виде навесной клетки. Защитный кожух был спроектирован так, чтобы можно было легко читать цифры, но он закрыл руки - проблема, которая была решена после появления ударопрочного оргстекла в 1930-х годах. До того, как их использовали в военных целях, наручные часы обычно носили только женщины, но во время Первой мировой войны они стали символами мужественности и бравады.

Современные часы

Часы Harwood
Часы Rolex
астронавт
цифровые часы
Современные наручные часы: автоматические часы Harwood (1920-е годы); Rolex Submariner часы (1950 - е годы); астронавт Томас П. Стаффорд в 1966 году в Speedmaster ; цифровые кварцевые наручные часы ( ок. 1970-х гг.).

На рубеже 20-го века наручные часы Fob начали заменять. Швейцарцы, которые были нейтральными на протяжении всей Первой мировой войны, производили наручные часы для обеих сторон конфликта. Введение танка повлияло на дизайн Cartier Tank часы, а дизайн часов в течение 1920 - х годов под влиянием ар - деко стиле. Автоматические часы , впервые с ограниченным успехом в 18 - м веке, был вновь введен в 1920 году английским часовщиком Джон Харвуд . После того, как он обанкротился в 1929 году, ограничения на автоматические часы были сняты, и такие компании, как Rolex, смогли их производить. В 1930 году Tissot выпустила первые немагнитные наручные часы .

Первые часы с батарейным питанием были разработаны в 1950-х годах. Высококачественные часы производились такими фирмами, как Patek Philippe , например, выпущенные в 1933 году, например, Patek Philippe ref. 1518, возможно, самые сложные наручные часы из когда-либо сделанных из нержавеющей стали , которые в 2016 году были проданы на аукционе за 11 136 642 доллара, установив мировой рекорд по цене.

Ручной завод Speedmaster Professional или «Moonwatch» носил во время первого в США выхода в открытом космосе в рамках НАСА «s Близнецы 4 миссии и был первыми часами носили астронавт ходьба на Луне во время Аполлон 11 миссии. В 1969 году Seiko выпустила первые в мире кварцевые наручные часы Astron .

В течение 1960-х годов появление часов, изготовленных с использованием транзисторов и пластиковых деталей, позволило компаниям сократить свою рабочую силу. К 1970-м годам многие из тех фирм, которые использовали более сложные методы обработки металлов, обанкротились.

Атомные часы

Атомные часы - это самые точные приборы для измерения времени, которые сегодня используются на практике. С точностью до нескольких секунд на протяжении многих тысяч лет они используются для калибровки других часов и приборов для хронометража. США Национального бюро стандартов (NBS, в настоящее время Национальный института стандартов и технологии (NIST)) изменили способ это основанный на время стандарт Соединенных Штатов от кварца до атомных часов в 1960 - х годах.

фотография Эссена и Парри, стоящих у первых в мире атомных часов
Луи Эссен ( справа ) и Джек Парри рядом с первыми в мире атомными часами с цезием-133

Идея использования атомных переходов для измерения времени была впервые предложена британским ученым лордом Кельвином в 1879 году, хотя практический метод измерения времени таким способом появился только в 1930-х годах с развитием магнитного резонанса . Прототип аммиачного мазера был построен в 1948 году в NIST. Хотя они были менее точными, чем существующие в то время кварцевые часы, они служили для демонстрации концепции.

Первые точные атомные часы, эталон цезия, основанный на определенном переходе атома цезия-133 , были построены английским физиком Луи Эссеном в 1955 году в Национальной физической лаборатории в Лондоне. Он был откалиброван с использованием астрономической шкалы эфемерид времени (ET).

В 1967 году Международная система единиц (СИ) стандартизировала свою единицу времени, вторую, на свойствах цезия. СИ определяется второй , как 9192631770 циклов излучения , которое соответствует переходу между двумя спин электрона энергетических уровней основного состояния в 133 атома Cs. Атомные часы цезия, поддерживаемые NIST, имеют точность до 30 миллиардных долей секунды в год. В атомных часах используются другие элементы, такие как водород и пары рубидия , что обеспечивает большую стабильность (в случае водородных часов) и меньший размер, меньшее энергопотребление и, следовательно, меньшую стоимость (в случае рубидиевых часов).

Смотрите также

Примечания

Сноски

использованная литература

внешние ссылки