Вы можете не верить в астрологию, но несомненно, планеты управляют нашей жизнью. Мы встаем, когда восходит солнце (или некоторое время спустя), и ложимся спать, когда оно садится. У нас есть календарь, основанный на днях, месяцах и годах - периодах времени, которые связаны с тем, как Луна и Земля движутся вокруг Солнца в небе. На протяжении большей части истории люди находили такой вид «астрономического хронометража» достаточно подходящим для своих нужд. Но по мере того, как мир становился все более безумным и изощренным, людям приходилось вести учет часов, минут и секунд, а также дней, месяцев и лет. Это означало, что нам нужны точные способы отсчета времени. Маятниковые и механические часы были лучшим способом сделать это. Сегодня многие люди вместо этого используют кварцевые часы, но что это такое и как они работают?
Как работают обычные часы
Все мы знаем, что часы отсчитывают время, но задумывались ли вы когда-нибудь о том, как они это делают? Наверное, самые простые часы, которые вы могли бы сделать, - это говорящие. Если вы считаете секунды, повторяя фразу, на произнесение которой требуется ровно одна секунда (например, «слон один», «слон два», «слон три» ...), вы обнаружите, что можете довольно точно отсчитывать время. Попробуйте сами. Назовите своих слонов от одного до шестидесяти и посмотрите, насколько хорошо вы отсчитываете время в течение минуты по сравнению с вашими часами.
Неплохо, а? Проблема в том, что у большинства из нас есть дела поважнее, чем сказать «слон». Вот почему люди изобрели часы. Некоторые из самых ранних часов использовали качающиеся маятники для измерения времени. Маятник представляет собой длинный стержень с весом , которыйкачается взад и вперед. В 1583 году итальянский физик Галилео Галилей (1564–1642) обнаружил, что маятнику определенной длины всегда требуется одно и то же время, чтобы качнуться взад и вперед, независимо от того, насколько он тяжелый или насколько велики колебания. Он понял это, наблюдая за огромной лампой, свисающей на цепочке с потолка Пизанского собора в Италии, и использовал свой пульс, чтобы отсчитывать время ее движения взад и вперед. В часах задача маятника - регулировать скорость шестеренок(колеса сцепления с зубьями врезаны в их края). Шестеренки подсчитывают количество прошедших секунд и преобразуют их в минуты и часы, отображаемые стрелками, вращающимися вокруг циферблата. Иными словами: шестеренки в маятниковых часах на самом деле просто считают слонов.
Вы можете сделать маятниковые часы, привязав груз к веревке. Если длина струны составляет около 25 см, маятник будет качаться вперед-назад примерно раз в секунду. Более короткие струны будут качаться быстрее, а более длинные - медленнее. Проблема с такими часами в том, что маятник будет стремиться остановиться. Сопротивление воздуха и трение скоро израсходуют его энергию и остановят ее. Вот почему в маятниковых часах есть пружины . Примерно раз в день вы заводите пружину внутри часов, чтобы накопить потенциальную энергию, чтобы маятник двигался в течение следующих 24 часов. Когда пружина раскручивается, она приводит в действие шестерни внутри часов. Через механизм качелей, называемый спусковым механизмом, маятник заставляет шестерни вращаться с определенной скоростью - и именно так шестерни удерживают время. Карманные часы явно слишком малы, чтобы внутри них мог быть маятник, поэтому в них используется другой механизм. Вместо маятника у него есть балансовое колесо, которое сначала поворачивается в одну, а затем в другую сторону, управляемая спусковым механизмом гораздо меньшего размера, чем в маятниковых часах.
Как работают кварцевые часы
Проблема с маятниковыми часами и обычными часами заключается в том, что их нужно постоянно заводить. Если вы забудете, они остановятся и вы не знаете, сколько сейчас времени. Другая трудность с маятниковыми часами заключается в том, что они зависят от силы тяжести, которая очень незначительно меняется от места к месту; это означает, что маятниковые часы показывают время на большой высоте иначе, чем на уровне моря! Маятники также меняют длину при изменении температуры, немного расширяясь в теплые дни и сужаясь в холодные дни, что снова делает их менее точными.
Все эти проблемы решают кварцевые часы. Они питаются от батареи и, поскольку они потребляют очень мало электроэнергии, батарея часто может прослужить несколько лет, прежде чем вам потребуется ее заменить. К тому же они намного точнее маятниковых часов. Кварцевые часы работают совершенно иначе, чем маятниковые и обычные часы. У них все еще есть шестеренки, чтобы считать секунды, минуты и часы и крутить стрелки по циферблату. Но шестерни регулируются крошечным кристаллом кварца, а не качающимся маятником или движущимся колесом баланса. Гравитация вообще не участвует в работе, поэтому кварцевые часы точно так же показывают время, когда вы поднимаетесь на Эверест, и когда вы находитесь в море.
Кварц звучит экзотично, но на самом деле это один из самых распространенных минералов на Земле. Он сделан из химического соединения, называемого диоксидом кремния (кремний также является материалом, из которого сделаны компьютерные микросхемы ), и вы можете найти его в песке и большинстве типов камней. Возможно, самое интересное в кварце - это то, что он пьезоэлектрический . Это означает, что если вы сжимаете кристалл кварца, он генерирует крошечное электрическое напряжение. Верно и обратное: если вы приложите напряжение к куску кварца, он будет вибрировать с определенной частотой (он будет сотрясаться определенное количество раз в секунду).
В кварцевых часах или часах батарея посылает электричество на кристалл кварца через электронную схему. Кристалл кварца колеблется (колеблется взад и вперед) с точной частотой: ровно 32768 раз в секунду. Схема подсчитывает количество колебаний и использует их для генерации регулярных электрических импульсов, один в секунду. Эти импульсы могут приводить в действие либо ЖК-дисплей (показывающий время в числовом виде), либо небольшой электродвигатель ( фактически, крошечный шаговый двигатель ), вращая зубчатые колеса,которые вращают секундную, минутную и часовую стрелки часов.
Внутри кварцевых часов
На практике...
А так на самом деле выглядит внутренняя часть кварцевых часов. Ни при каких обстоятельствах не разбирайте свои, если хотите, чтобы они снова заработали. Вы не можете увидеть все эти части, просто сняв заднюю крышку часов.
Почему кварцевые часы вообще выигрывают или теряют время?
Если кварцевые часы настолько удивительны, вы можете задаться вопросом, почему кварцевые часы не всегда отслеживают время с абсолютной точностью. Почему он все еще выигрывает или теряет секунды здесь и там? Ответ заключается в том, что кварц вибрирует с немного другой частотой при разных температурах и давлениях, поэтому на его способность хронометража в незначительной степени влияет нагревание, охлаждение, постоянно меняющийся мир вокруг нас. Теоретически, если вы все время держите часы на запястье (которое находится при более или менее постоянной температуре), они будут отслеживать время лучше, чем если бы вы их снимали и надевали (вызывая каждый раз довольно резкое изменение температуры). Но даже если кварцевый кристалл может вибрировать с совершенно постоянной частотой, то как он установлен в своей цепи, крошечные дефекты в зубчатой передаче, трении и т. д. также могут вносить незначительные ошибки в хронометраж.