ЧАСЫ
Ретроспектива способов измерения времени, краткая популярная история часов — в качестве справочного материала к статье «Время и пространство НЕ ЯВЛЯЮТСЯ первичными категориями».

«Если смотреть на историю познания объективной природы пространства и времени в их «чистом» виде, т.е. в виде, «очищенном» от материи, то — не было такого познания. Было много нежизнеспособного пустословия философов об их объективности, а реально была практика измерений. В ходе истории изменялась только эталонная база измерений».

* * *

• Солнечные часы. Состоят из предмета, дающего длинную резкую тень, и циферблата, на который нанесены деления, соответствующие часам и долям часа. Два способа измерений — по длине тени и по её направлению (по углу). Зависят от погоды, времени года и требуют географической привязки.

• Песочные часы. Состоят из двух воронкообразных стеклянных сосудов, поставленных друг на друга. Верхний сосуд до определённого уровня засыпается песком, мера высыпания которого и служит мерой времени. Зависят от качества и состояния песка и требуют постоянного надзора (чтобы переворачивать).

• Огненные часы. Конструкции самые разнообразные. Мера времени — мера сгорания чего-либо — определённого объёма масла, стандартного изделия из горючего вещества, например, благовонных палочек или спиралей на Востоке или свечей на Западе (длина свечи разделялась метками). Зависят от однородности качества приготовления того, что сгорает, а также от условий горения — ветра, доступа кислорода…

• Водяные часы. Мера времени — объём вытекшей воды. Главная проблема — скорость вытекания не стабильна; она прямо пропорциональна давлению жидкости, зависящему от заполненности сосуда. Что компенсировалось сложным каскадным устройством часов, однако предел отставания 10-20 минут в сутки так и остался не преодолим.

• Механические часы:

Колёсные часы. Мера времени — угол поворота колеса. Общий принцип действия: если на горизонтальный вал намотать верёвку с гирей на конце и дать гире возможность свободно падать, то она будет тянуть верёвку и вращать вал. Если этот вал через промежуточные колёса соединить с основным храповым колесом, связанным со стрелками-указателями, то вся эта система будет как-то показывать время. Проблема в том, что гире надо куда-то падать, что обуславливает громадные размеры всего сооружения (как правило, в виде башни). Другая же проблема обусловлена тем, что вал вращается не равномерно, а ускоренно. Для получения медленного и по возможности равномерного вращения храпового колеса изобрели специальный регулятор — билянец — устройство, сдерживающее вращение колеса. Погрешность хода — несколько минут в сутки.

Пружинные часы. Усовершенствованный вариант колёсных: вместо падающего груза — пружинный механизм. Недостатки — точность хода зависит от натяжения пружины, трения колёс и др. причин.

Маятниковые часы. С их изобретением связывают имена Галилея и Гюйгенса. Являются усовершенствованием пружинных: пружина движет всю систему колёс, а маятник обеспечивает равномерность движения. Недостатки — период качания маятника зависит от его длины, которая меняется в зависимости от температуры окружающей среды. Выход — маятник из сочетания стержней из разных металлов, которые по-разному реагировали на изменение температуры (одни удлинялись, другие укорачивались) и в итоге компенсировали изменение длин друг друга.

Пружинные часы с балансом. Усовершенствование маятниковых: вместо маятника — баланс — маленькое маховое колесо, которое совершает колебательные движения около положения равновесия, попеременно вращаясь то вправо, то влево. Недостаток — точность хода подвержена влиянию температуры. Выход — биметаллический баланс: его дуга состоит из двух спаянных металлических полосок с разными коэффициентами расширения.

* * *

Общим недостатком всех механических часов является истирание всех их движущихся деталей, в том числе и тех, которые отвечают за точность хода.

* * *

• Кварцевые часы. Разработаны в 1927 году Моррисоном и Хортоном. Вместо маятника — пьезоэффект кристалла кварца, обеспечивающий высокое постоянство частоты колебаний. Состояли из радиотехнического генератора, стабилизированного пьезокварцем, каскадов деления частоты, синхронного электромотора и циферблата. Были громоздкими из-за применения радиоламп. В современных устройствах отсутствует электромотор, а число каскадов деления частоты увеличено. Недостатки — подверженность температуре, старение кварца. Погрешность хода — одна миллионная секунды в сутки.

* * *

Маятниковые и кварцевые астрономические часы позволили обнаружить, что вращение Земли происходит неравномерно — из-за приливного трения, из-за перемещения больших масс внутри Земли при землетрясениях, из-за колебания высоты и плотности атмосферы и др. Так эталон, на котором в конечном счёте было основано измерение, оказался сомнительным, и поэтому для дальнейшего повышения точности хода пришлось искать эталоны, уже не связанные с движением Земли.

* * *

• Молекулярные часы. Разработаны в 1953 году Г.Лионсом. Источник периодических колебаний — электромагнитные колебания, испускаемые молекулами. Подсчёт колебаний основан на явлении резонанса. Недостатки точности хода — из-за продольного эффекта Допплера.

• Атомные часы. Усовершенствованные молекулярные, только вместо молекул используются атомы, вылетающие пучком из накалённого источника, из-за соответствующей направленности которого продольный эффект Доплера почти не возникает.

• Часы с квантовым генератором. Комбинация двух предыдущих вариантов. В основе работы — то обстоятельство, что в неоднородном электрическом поле на возбуждённые и невозбуждённые молекулы газа действуют разнонаправленные силы.

* * *

С 1972 года СССР отказался от использования эталонной секунды, основанной на движении Земли вокруг Солнца, и перешёл на систему всемирного координированного времени, опирающуюся на работу группы атомных часов.

17 июня 2008 года.
Тимофей Веретяхин.

По материалам: Завельский Ф.С. Время и его измерение. М.: Изд-во Наука, 1977.

• При перепечатке материалов ссылка на www.timofey.ru обязательна.

главная контакты человек философия экология культура управление бизнес политика разное