Как изобрели часы

История изобретения часов очень длинная. На протяжении тысячелетий люди пытались придумать разные способы и устройства для измерения времени. Ещё в далёкой древности были придуманы солнечные, водяные и песочные часы, об истории изобретения которых вы можете прочитать в первой части. Кроме того, люди придумали и использовали разные способы приблизительно определять время без часов. Ну а что же более привычные нам часы с циферблатом и стрелками? Когда они появились, кто и когда их изобрёл?

Изобретение механических часов

Самые первые механические часы появляются в Европе в 13 веке. О них сохранились лишь упоминания, и, к сожалению, имена изобретателей неизвестны. Появились самые первые часы в монастырях. Они ещё не имели циферблата, были довольно неточными, а сигналы времени передавали колокольным звоном. Например, одни из старейших в мире часов были установлены в 1288 г. в Вестминстерском аббатстве в Англии.

Массово башенные часы достаточно совершенной конструкции появляются в Италии в 14 веке. Такие часы имели циферблат с часовой стрелкой, а также оповещали о времени боем. Главным движителем механизма часов была тяжёлая гиря на длинном подвесе. Чтобы эта гиря опускалась постепенно, её движение передавалось на механизм часов через зубчатое колесо, которое тормозилось качающимся коромыслом. Выглядело это примерно так:

Такие часы также были не слишком точными (ошибка могла составлять полчаса-час за сутки), их нужно было несколько раз в день заводить, вручную подтягивая тяжёлую гирю. Однако башенные часы были очень сложными и дорогими, представляя собой вершину тогдашнего инженерного искусства. Такие часы были гордостью города, в котором их устанавливали, и мастера стремились всячески украсить часы и снабжали их всякими дополнительными элементами.

Например, одни из старейших сохранившихся до нашего времени башенных часов в Праге, построенные в 1410 г., украшены многочисленными фигурками ангелов и мифических животных, а также содержат календарь и показывают движение Луны и Солнца.

К концу 15 века появились более компактные часы, которые можно было разместить в доме. Важным нововведением, которое позволило уменьшить размер часов, стала пружина, которая заменила гирю на подвесе в качестве источника движущей силы для часового механизма. Наконец, в начале 16 века появились первые карманные часы. Изобретателем карманных часов считается мастер из немецкого города Нюрнберга Пётр Генлейн. Первые карманные часы были созданы им в 1505 г. Эти часы имели размер меньше 5 см. и были восприняты современниками как настоящее чудо.

Карманные часы конструкции Генлейна

 Изобретение часов с маятником

 До 17 века точность механических часов была не очень хорошей, кроме того, они имели, как правило, лишь часовую стрелку. Однако потребность в точном измерении времени, в т. ч. небольших промежутков, становилась всё больше. Точное время требовалось не только для повседневных нужд. Развивалась наука, в частности механика, описывающая движение тел. Но в уравнениях механики присутствовало время, и для точного расчёта движения его нужно было точно измерить. Врачам нужно было измерять частоту сердцебиения, чтобы оценить состояние больного. А мореплавателям нужны были точные часы, чтобы правильно определять географическую долготу (а следовательно, своё положение на земном шаре).

К 17 в. некоторые люди догадались использовать для определения промежутков времени колебания маятника. Одним из таких людей был известный учёный, один из основоположников механики Галилео Галилей. Он заметил, что период колебаний маятника почти не зависит ни от амплитуды (т. е. размаха колебаний), ни от веса груза, ни от материала, из которого сделан маятник. А зависит он лишь от его длины. Таким образом, наблюдая за колебаниями маятника и подсчитывая их, можно достаточно точно отмерять промежутки времени. Но, конечно, постоянно подсчитывать колебания было неудобно, нужно было приспособить маятник к механизму часов. Галилей попытался решить эту задачу, но так и не успел создать часы с маятником, т. к. к старости у него значительно ухудшилось зрение.

Христиан Гюйгенс

В результате часы с маятником изобрёл другой выдающийся физик Христиан Гюйгенс, который пришёл к этой идее независимо от Галилея. В 1656 г. Гюйгенс придумал конструкцию маятниковых часов, а в 1657 г. получил на них патент. Вскоре изобретатель выпустил книгу с описанием конструкции изобретённым им часов, и часы с маятником прочно заняли место главного прибора для измерения времени на несколько веков. Изобретение Гюйгенса оставалось самым существенным усовершенствованием в конструкции часов вплоть до 20 века.

Часы конструкции Гюйгенса

Часы Гюйгенса очень сильно повысили точность измерения времени, теперь погрешность хода за сутки составляла не десятки минут, а всего 5-10 секунд. Впоследствии сам Гюйгенс и другие изобретатели внесли разные усовершенствования в конструкцию маятниковых часов.

В 1671  г. англичанин Уильям Клемент изготовил маятниковые часы с анкерным механизмом вместо шпиндельного, более подходящий для того, чтобы маятник раскачивался с небольшой амплитудой.

Кроме того, ещё на несколько десятилетий растянулась история создания морского хронометра — корабельных часов, достаточно точных для того, чтобы правильно определять долготу в длительном плавании. Задача создания морского хронометра была настолько важной, что в 1714 г.  английский парламент создал специальную комиссию для её решения, а изобретателю, который создаст точный хронометр, была обещана огромная по тем временам награда в 20 тыс. фунтов стерлингов. Задачу в итоге решил английский часовщик Джон Гаррисон. Он взялся за создание хронометра в 1730 г., первый вариант представил в 1736 г., а четвёртый, точность которого, наконец, соответствовала требованиям, изготовил лишь в 1761 г. За время 61-дневного плавания этот хронометр отстал всего лишь на 9 секунд. Но из-за придирок комиссии свой приз престарелый Гаррисон окончательно получил только в 1772 году!

Морской хронометр Гаррисона — финальный вариант

В 19м веке значительный вклад в развитии часовой индустрии внесли швейцарские часовщики. Им не только удалось сделать свои часы очень точными, мало зависящими от колебаний температуры, влажности и других параметров, но и наладить их серийное производство.

В 20 веке были придуманы дополнительные способы повысить точность маятниковых часов. В 1921 г. Английский инженер Шорт сконструировал часы с маятником, погрешность хода которых составляла 0,01 с. за сутки. А самые точные маятниковые часы на сегодняшний день были созданы в 1954 г. советским изобретателем Ф. М, Федченко, их погрешность составляла всего 0,0003 с за сутки.

Изобретение карманных и наручных часов

Как мы уже отметили выше, первые карманные часы с пружиной вместо гири были созданы Гейнлейном ещё в 1505 г. Но в них не было маятника и они были очень неточными. Часы же с подвесным маятником, изобретённые Гюйгенсом, могли нормально работать лишь в неподвижном состоянии. Однако Гюйгенс нашёл решение — в 1674 он придумал пружинный аналог математического маятника.

После этого стало возможным изготовление достаточно точных карманных часов.

Что же касается наручных часов, то долгое время в них не видели необходимости, да и изготовить слишком миниатюрный и в то же время точный механизм было проблематично. Сложно сказать, когда именно и кто начал их изготовление, однако стали носить лишь в конце 19 века, а первыми обладателями таких часов были военные.

Английские военные, фото 1879 года, в центре — офицер с наручными часами

Но массово использоваться наручные часы стали лишь в 1930-е.

Изобретение кварцевых часов

 В 1880 г. французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект. Этот эффект заключается в том, что при деформации кристалла определённых минералов на гранях этого кристалла появляется положительный или отрицательный заряд. И наоборот — если подать на грань положительный или отрицательный потенциал, кристалл будет деформироваться.

Уже в 20 веке это свойство кристаллов догадались использовать для создания генераторов высокочастотных колебаний. Оказалось, что для таких генераторов особенно хорошо подходит кварц. Если к кристаллу кварца приложить напряжение, он начнёт колебаться, а если его чуть-чуть подпитывать энергией, он может колебаться бесконечно. При этом частота колебаний кристалла кварца очень стабильна и мало зависит от температуры.

В 1921 г. американский физик Уолтер Кейди построил первый кварцевый генератор. А в 1927 г. американский инженер Уоррен Моррисон построил первые кварцевые часы. Правда эти часы были большими и сложными и совсем не подходили для массового применения. В последующие несколько десятилетий кварцевые часы использовались лишь в качестве эталона времени в научных лабораториях и учреждениях. Ещё в 1954 г. кварцевые часы, выпущенные фирмой Longines, весили целых 53 кг.

Возможность создать компактные кварцевые часы возникла только во второй половине 20 в. с развитием полупроводниковой электроники. В 1960-х кварцевый генератор и элементы, управляющие его работой, наконец, удалось сделать достаточно маленькими, чтобы вместить их в наручные часы.

В 1962 г. появляются первые кварцевые часы для домашнего использования. Выпустила их японская фирма Seiko.

Первые домашние кварцевые часы

А в 1969 г. та же фирма запускает в производство первые наручные кварцевые часы Seiko Quartz-Astron 35SQ. Эти часы имели погрешность не более 5 сек. в месяц и могли целый год работать на одной батарейке. А стоили часы 1250 долларов, за те же деньги можно было купить новый автомобиль престижной марки!

Первые наручные кварцевые часы Quartz-Astron 35SQ

Изобретение атомных часов

Ещё в 19 веке было обнаружено, что спектр излучения нагретых до высокой температуры газов не является непрерывным, а состоит из отдельных линий.

Поскольку свет — это электромагнитное излучение, характеризующееся определённой длиной волны и частотой, каждая линия в спектре имеет определённую частоту. Было замечено, что каждый химический элемент имеет свой набор линий в спектре. Позже, открыв строение атома, учёные поняли, что каждая линия в спектре появляется в результате перехода электронов в атоме с одного определённого энергетического уровня на другой. И если отдельные атомы получают энергию (например, при нагревании), то они всегда будут испускать излучение строго определённой частоты.

Ещё в первой половине 20 в. некоторые физики высказали идею, что можно использовать это явление для измерения времени. Но только в 1955 г. были созданы первые атомные часы на атомах цезия. В этих часах кварцевый генератор задавал частоту излучения, которым облучали атомы цезия. Если частота имела требуемое значение, атомы цезия замыкали цепь. Таким образом производилась очень точная настройка работы кварцевого генератора.

Первые атомные часы на атомах цезия (1955 г.)

Погрешность этих атомных часов составляла одну секунду на миллион лет. А одна из последних моделей атомных часов, созданная в 2014 г., имеет погрешность 1 сек на 300 млн. лет.

Сейчас созданы уже достаточно компактные модели атомных часов, но всё же они остаются достаточно сложными и дорогими, а также слишком подверженными влиянию внешних факторов, которые могут повлиять на их точность. Так что самой массовой разновидностью часов на сегодняшний момент остаются более простые и надёжные кварцевые. Атомные часы используются как эталоны времени, а также там, где действительно требуется очень высокая точность, например, на спутниках, обеспечивающих работу систем спутниковой навигации.

Тут будут похожие посты. Загружаются.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *