|
Global Lithuanian Net: san-taka station: |
|
Laiko matavimo kronika
Tęsinys, pradžia žr. >>>>> Masiškai gaminami laikrodžiai
Ties 19 a. slenksčiu laikrodžiai buvo pakankamai tikslūs, tačiau liko brangiais. Jausdami poreikį pigiems
laikrodžiams, darbo ėmėsi du inžinieriai iš Waterbury (Konektikuto valst.). 1807 m. jie sudarė 3 m. trukmės
kontraktą su netoli Plymouth įsikūrusiu laikrodininku Eli Terry 4000 pailgųjų medinių laikrodžių pagaminimui.
Pakankamas išankstinis apmokėjimas leido Eli Terry pirmus metus skirti parengti įrangą masinei gamybai.
Gamindamas pakeičiamas detales jis atliko darbą per sutartyje numatytą laiką.
Po kelių metų Terry suprojektavo medinį lentyninį laikrodį panaudojant panašią techniką. Skirtingai nuo
pailgųjų laikrodžių, kai pirkėjas turėjo dėžę pirkti atskirai, ųis laikrodis buvo pilnai sukomplektuotas. Pirkėjui
tereikėjo padėti laikrodį ant lentynos ir jį prisukti. Dėl gana palankios kainos, 15 dolerių, laikrodį galėjo įsigyti daugelis žmonių.
Prieš geležinkelių bumą 19-me amžiuje, JAV ir Europos miestuose vietos laiko nustatymui naudotasi
saule. Bet, pvz., jei vidurdienis Bostone ateidavo 3 min. anksčiau nei Worcester, jo laikrodžiai taip pat galėjo
atitinkamai rodyti ant tiek ankstyvesnį laiką. Tačiau geležinkelių tinklui reikėjo vieningo laiko visoms stotims.
Astronominės observatorijos pradėjo telegrafu siųsti tikslų laiką geležinkelių kompanijoms. Pirmoji vieša laiko
tarnyba, įsteigta 1851-ais, rėmėsi laikrodžio dūžiais, perduodamais laidais iš Kembridžo Harvardo koledžo
observatorijos (Masačūsetso valst.). Kitais metais laiko tarnybą įsteigė Karališkoji observatorija, sukurdama
vieningą laiko standartą Didžiojoje Britanijoje.
1883 m. JAV nustatė 4 laiko zonas. Per kitus metus visų tautų vyriausybės pamatė vieningo laiko naudą
navigacijai bei prekybai. 1884 m. Tarptautinėje meridianų konferencijoje Vašingtone pasaulis buvo
padalintas į 24 zonas. Signatarai pasirinko Karališkąją observatoriją kaip pirmąjį meridianą
(0o ilguma, nuo kurio atskaičiuojamos visų kitų ilgumų reikšmės), kadangi 2/3 pasaulio
laivyno jį tuo tikslu jau naudojo atskaitą nuo Grinvičo.
Laikrodininkai matė, kad nešiojamų laikrodžių rinka gerokai viršytų stacionarių laikrodžių kiekį, jei gamybos
kainos būtų sumažintos. Problema su pakeičiamomis masiškai gaminamomis detalėmis ta, kad smulkių
detalių tikslumas turėjo būti didelis. Sunerimę, kad negali konkuruoti su europiečiais, Maine laikrodininkas
A.L. Dennisonas susitiko su E. Howardas iš Roxbury (Masačūsetso valst.), kad aptartų masinės nešiojamų
laikrodžių gamybos metodus. Howardas su partneriu Dennisonui suteikė patalpas ir įrangą. Iki 1852 m.
rudens buvo pagaminta 20 laikrodžių, o pavasarį užbaigta 100 laikrodžių, o po metų jau 1000. Roxbury
gamybiniai pajėgumai buvo per maži, tad Boston Watch Company persikėlė į Waltham (Masačūsetso
valst.), kurioje 1854 m. buvo surenkama po 36 laikrodžiai per savaitę.
Inovatyvus pirmųjų mechaninių laikrodžių (apie 1300-ius) buvo užraktas, detalė, valdanti karūnuoto
ratelio sukimąsi ir energijos perdavimą osciliatoriui, kuris, savo ruožtu valdė greitį, kuriuo veikė laikrodis.
Dantyta karūna arba užraktas, dantračių varomas ratelis, sustiprintas pakabinta vielute apsukta aplink ašį
Švytuoklinį laikrodį sukūrė Ch. Hiuigensas. Jis pastebėjo, kad švytuoklė mažu lanku švytuoja greičiau
nei ilgu. Šio reiškinio sukeltą problemą jis sprendė panaudodamas du išlenktus cikloidinius žandus ties
švytuoklės pakabos tašku. Veikdami pakabinimo virvę, jie sumažindavo švytavimo ilgį ir švytuoklės judėjimas
buvo labiau cikloide, o ne apskritimo lanku. Tad , teoriškai, švytuoklė kiekvieną švytavimą atlikdavo per tą
patį laiko tarpą, nepriklausomai nuo amplitudės. Hiuigenso laikrodyje gravitacijos veikiamos švytuoklės
judėjimas pakeitė vien mechaniškai varomo horizontalaus ratelio švytavimą pirmyn-atgal. Švytuoklinis
laikrodis buvo tikslesnis.
1675 m. Hiuigensas išrado spiralinę balansinę spyruoklę. Panašiai, kaip gravitacija atsakinga už
švytuoklės švytavimą, ši spyruoklė reguliuoja balansinio ratelio sukinius laiko vienetais. Balansinis ratelis
pradžioje sukasi į vieną pusę, o po to į kitą pusę, - ir taip kartojasi vėl ir vėl.
Inkarinis užraktas, sukurtas maždaug 1670-ais Anglijoje, yra svirtinė detalė, savo forma panaši į laivo
inkarą. Švytavimas priverčia inkarą užkabinti, o vėliau atleisti kiekvieną užrakto ratelio dantelį, leisdama
tiksliai laiko momentais pasukti jį. Skirtingai nuo strypelio (verge) užrakto ankstyvuosiuose
švytuokliniuose laikrodžiuose, inkaro užraktas leidžia švytuoklei švytuoti tokiu mažu lanku, kad cikloidinis
kelias tampa nebūtinas. Be to, šis užraktas leido praktikoje panaudoti ilgą, sekundes mušančią švytuoklę ir
įtakoti naują, ant grindų statomą laikrodžio dėžės formą, imtą vadinti senelio laikrodžiu.
Pasivadinusi Waltham Watch Company pelnėsi iš didelio laikrodžių poreikio Civilinio karo metu,
kai Suvienytosioms pajėgoms reikėjo koordinuoti veiksmus. Gamybos patobulinimai toliau didino pasiūlą ir
mažino kainas. Kūrėsi naujos kompanijos, besitikinčios irgi nukąsti šio pyrago gabalą.
Swiss, iki tol dominavusi šioje pramonėje, susirūpino, kai sumažėjo eksportas. Žvalgas, pasiųstas į
Masačūsetsą, išsiaiškino, kad Walthame ne tik aukštesnis produktyvumas, bet ir mažesni gamybos kaštai. Ir
net kai kurie pigūs amerikoniški laikrodžiai buvo pakankamai tikslūs. Laikrodis pagaliau buvo prieinamas masėms.
Kadangi 19-me a. moterys laikrodžius nešiojo ant riešo, rankiniai laikrodžiai ilgokai laikyti moterišku
aksesuaru. Pirmojo pasaulinio karo metu kišeninis laikrodis buvo taip modifikuotas, kad jį buvo lengva
pritvirtinti prie riešo, kur į jį mūšio metu pasižiūrėti buvo gerokai lengviau. Sėkmingos marketinginės
kampanijos dėka vyriški rankiniai laikrodžiai paplito po karo. 20 a. 3-me dešimtm. pasirodė savaime
prisisukantys mechaniniai rankiniai laikrodžiai.
Ypač tikslūs laikrodžiai
19 a. pabaigoje Siegmund Riefler Miunchene sukūrė radikaliai naują reguliatorių labai tikslų laikrodį,
naudojamą standartu kitiems. Patalpintas beveik vakuume, kad sumažintų barometrinio slėgio poveikį, ir
turintis švytuoklę, mažai veikiamą temperatūros pokyčių. S. Rieflerio reguliatorių paklaida per dieną tebuvo
dešimtosios sekundės dalys todėl buvo naudojami beveik visose astronominėse observatorijose.
Progresas įvyko po kelių dešimtmečių, kai Anglijos geležinkelių inžinierius William H. Shortt sukūrė
vadinamąjį laisvo kritimo švytuoklės laikrodį, kurio paklaida tebuvo sekundė per metus. Shortto sistemą
sudarė du švytuokliniai laikrodžiai, vienas pagrindinis (esantis išsiurbtame bake) ir priklausomas (turintis
laiko padalas). Kas 30 sek. priklausomas laikrodis sugeneruodavo elektromagnetinį impulsą ir, savo ruožtu,
buvo sureguliuojamas pagrindinio laikrodžio, kuris buvo apsaugotas nuo mechaninių trikdžių.
Nors Shortto laikrodžiai pradėjo keisti Rieflerio laikrodžius 3-iame dešimtm. jų viešpatavimas buvo
trumpalaikis. 1828 m. Warren A. Marrison, Bell laboratorijos Niujorke inžinierius, atrado ypač tikslų ir
patikimą dažnio šaltinį. Pradžioje sukurtas radijo transliavimo tikslams, kvarco kristalas, sužadintas elektros
srove, vibruoja labai tiksliai. Pirmųjų kvarco laikrodžių, įrengtų Karališkoje observatorijoje 1939-ais, paklaida
tebuvo dvi tūkstantosios sekundės dalys per dieną. Antrojo pasaulinio karo pabaigoje tas tikslumas buvo
padidintas iki sekundės per 30 metų.
Tačiau ir kvarciniai laikrodžiai neliko lyderiais ilgam laikui. 1948 m. Harold Lyons ir kolegos iš
Nacionalinio standartų biuro Vašingtone, įrengė pirmąjį atominį laikrodį, kuris rėmėsi natūraliu atomo
rezonansiniu dažniu, kylančiu iš periodinio dviejų energetinių būsenų kaitaliojimosi. Tolimesni tyrinėjimai 6-
me dešimtm., atlikti JAV ir Anglijoje, leido sukuri cezio spindulių atominį laikrodį. Dabar jie, veikiantys
įvairiose pasaulio vietose, palaiko Koordinuojamo Visuotinio laiko standartinį dažnį, - ir jų paklaida tėra
mažiau nei viena nanosekundė per dieną.
Iki 20 a. vidurio, laiko standartu buvo paros trukmė. Cezio laikrodžių atsiradimas privertė keisti požiūrį
jie leido išmatuoti pasikeitimus Žemės sukimesi. Todėl 1967 m. buvo priimtas naujas laiko vieneto
standartas, kuris remiasi cezio atomo rezonansiniu dažniu.
Tačiau laiko matavimo tikslumas yra toks svarbus, kad tebeieškoma dar didesnio tikslumo. Būsimų atominių
laikrodžių kartos (kaip vandenilio mazeris, cezio fontanas ir, atskiru atveju, optinis laikrodis) paklaida bus,
kaip tikimasi, 100 femtosekundžių per dieną.
Kvarciniai laikrodžiai
20 a. 7 dešimtm. pabaigoje laikrodininkai atsigręžė į elektroninius tranzistorinius osciliatorius, kurių nymios
vibracijos paverčiamos laiko rodmenimis. Tuo pat metu atsirado pigios, mažai energijos naudojančios
integrinės schemos bei šviesą skleidžiantys diodai (LED). Laikrodininkai netruko pritaikyti kvarco kristalus,
paimtus iš radijo transmiterių. Šie yra pjezoelektrikai, kurie vibruoja kai paveikiami elektros srove. Tada jie
vibruoja rezonuojančiai, tarsi skambutis. Tada virpesiai konvertuojami į pulsacijas, tinkančias laikrodžių
skaitmeninėms schemoms, atvaizduojančioms laiką LED ekranuose arba judinančiomis laikrodžio rodykles.
Cezio fontano (atominiai) laikrodžiai
Juose laiko skaičiavimas atliekamas pagal dažnį sukeltą cezio-133 atomų sukinio pokyčiu, kurį sukelia
paveikus mikrobangomis. Vakuume šeši lazeriai sulėtina cezio dujų atomų judėjimą, suformuodami nedidelį
debesėlį. Viršutinių ir apatinių lazerių dažnio pakeitimas atominį debesį pakelia aukštyn, tarsi fontaną, per
magnetiškai suformuotą mikrobangų ertmę. Gravitacijai spaudžiant debesį atgal žemyn, debesies elektronai
(vadinamojoje Ramsey ertmėje) sąveikauja su mikrobangomis sąveikauja antrą kartą. Mikrobangos paveikia
elektronų sukinius, pakeisdami jų kvantines energetines būsenas. Debesiui tebekrentant toliau, lazerinis
zondas priverčia cezį fluorescuoti, atskleidžiant, ar jo elektronų sukiniai pasikeitė, - ir tai stebi detektorius.
Detektoriaus signalai panaudojami nežymioms korekcijoms suderinant mikrobangų emiterį tikslesniam
rezonansiniam dažniui, kurį galima panaudoti laiko apskaitai.
Atominiame laikrodyje sekundė apibrėžiama kaip 9 192 631 770 cesio-133 virpesių.
Atominio laikrodžio istorija
Normanas Ramsey (1915-2011), eksperimentinės fizikos specialistas, II pas. karo metu dalyvavo kuriant
atominę bombą. Po karo grįžo prie magnetų ir radiacijos tyrimų. Jis išsiaiškino, kaip galima išvengti klaidų ir
patobulinti matavimą. Rezultatas pirmasis atominis laikrodis, o u- tuos darbus jam ir porai jo kolegų 1989
m. skirta Nobelio fizikos premija.
O kelias iki atominių laikrodžių buvo toks: Pradžią skaitykite >>>>>
Papildomai skaitykite:
|
