ابزارهای زمان سنجی در گذر زمان

در این مقاله به بررسی کامل انواع ساعت ها و دستگاههای سنجش زمان پراخته شده است و اولین ساعت ها و دستگاهها مورد بررسی قرار گرفته اند تا ساعت هایی که در آینده ساخته خواهند شد ...
ابداع فنر برای ایجاد نیروی محرکه ساعت ، امکان ساخت ابزارهای زمان سنجی بسیار کوچکتر و پیشرفته‌تر را فراهم آورد. ساعتهای مکانیکی قدیمی‌تر ، بزرگ بودند و برای ایجاد نیروی محرک خود به وزنه‌هایی که سقوط می‌کردند، وابستگی داشتند. فنر مارپیچ نخستین بار حدود سال ۱۴۵۰ میلادی در ایتالیا مورد استفاده قرار گرفت. در سال ۱۵۰۰ شخصی بنام پیتر هنلین (Peter Henlein) که اهل شهر نونبرگ آلمان بود شروع به تولید نخستین زمان سنجهای قابل حمل نمود که آنها را "تخم مرغهای نورنبرگی" می نامیدند. این ساعتها تنها یک عقربه ساعت شمار داشتند و صفحه آنها در بالا و در تماس با هوا قرار داشت. یکی از مشکلات این ساعتهای فنری اولیه این بود....
● ساعت فنری
ابداع فنر برای ایجاد نیروی محرکه ساعت ، امکان ساخت ابزارهای زمان سنجی بسیار کوچکتر و پیشرفته‌تر را فراهم آورد. ساعتهای مکانیکی قدیمی‌تر ، بزرگ بودند و برای ایجاد نیروی محرک خود به وزنه‌هایی که سقوط می‌کردند، وابستگی داشتند. فنر مارپیچ نخستین بار حدود سال ۱۴۵۰ میلادی در ایتالیا مورد استفاده قرار گرفت. در سال ۱۵۰۰ شخصی بنام پیتر هنلین (Peter Henlein) که اهل شهر نونبرگ آلمان بود شروع به تولید نخستین زمان سنجهای قابل حمل نمود که آنها را "تخم مرغهای نورنبرگی" می نامیدند. این ساعتها تنها یک عقربه ساعت شمار داشتند و صفحه آنها در بالا و در تماس با هوا قرار داشت. یکی از مشکلات این ساعتهای فنری اولیه این بود که با باز شدن تدریجی فنر اصلی ، کارکرد آنها کندتر می‌شد.
در سال ۱۵۲۵ ژاکوب چک اهل پراگ نوعی قرقره مارپیچ یا رقاصک را ابداع کرد که کار آن یکسان سازی کشش غیر همگن فنر معمولی بود. اختراع رقاصک باعث افزایش دقت ابزارهای برخوردار از نیروی محرک فنری گردید. با این حال ساز و کار داخلی ساعتهای فنری هنوز هم نسبتا ساده بود و ساعتها عقربه دقیقه شمار نداشتند. در سال ۱۶۷۰ میلادی نوعی پوشش شیشه‌ای برای حفاظت صفحه ساعت ابداع شد و عقربه دقیقه شمار به مجموعه اضافه گردید.
شبکه دوار یک ساعت مجموعه‌ای از چرخ دنده‌های متحرک است که نیروی محرک را از فنر به عقربه ساعت منتقل می‌کند و دوران چرخ دنده‌ها توسط یک چرخ دنده قفلی تنظیم می‌شود. در این ابزار یک جفت زائده فلزی وجود دارد که به تناوب محرک تأثیر می‌گذارد و حاکم بر دقت زمان سنجی است. سرعت حرکت چرخ دنده‌ها طوری طراحی می‌شود که یکی از محورها (معمولا محور دوم یا سوم) یک بار در ساعت دوران می‌کند و می‌توان از آن برای نمایش دقیقه‌ها استفاده کرد. یک چرخ دنده با نسبت ساده یک به ۱۲ برای حرکت دادن عقربه ساعت شمار مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساز و کار فنر به گونه‌ای تنظیم شده است که می‌توان آن را دوباره کوک کرد و عقربه‌ها دارای یک کلاج ساده خلاص کننده‌اند که امکان تنظیم آنها را در موقعیت صحیح فراهم می‌آورد
● ساعتهای الکتریکی
ساعتهای الکتریکی نوین برای زمان سنجی از ویژگیهای دقیق منابع انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند. دقت اینگونه ساعتها وابسته به نظم جریانی است که توسط نیروگاه برق تأمین می‌شود. در ساعتهای الکتریکی اولیه ، الکتریسیته به عنوان منبع انرژی ساعت جایگزین وزنه‌های آویخته و فنر گردیده بود. نخستین ساعت الکتریکی که در سال ۱۸۴۰ میلادی ساخته شد، با باتری کار می‌کرد. گر چه در این ساعت از الکتریسیته برای حرکت دادن برخی از گردونه‌ها استفاده شده بود ولی هنوز هم یک آونگ ، انرژی ساعت را تأمین می‌کردند. پیشرفتهای آتی با کاربرد تکانه‌های الکتریکی حاصل از حرکت آونگ برای حرکت دادن گردونه‌ها بدست آمد. این رویداد منجر به افزایش دقت ساعتها گردید، زیرا تکانه‌های الکتریکی که بیشتر به عنوان جزئی از مجموعه مکانیکی مطرح بودند، مانعی برای حرکت آونگ را فراهم نمی‌کردند.
مشهورترین نوع از این گونه ساعتها ، ساعت آونگی شورت (Shortt Pendulum) است. آونگ شورت متشکل از دو آونگ بود. یک آونگ اصلی یا ارباب و یک آونگ فرعی یا برده. آونگ برده دستگاه تکانه الکتریکی و عقربه‌ها را فعال می‌کرد و باعث می‌شد تا آونگ ارباب بدون درگیر شدن با عوامل بازدارنده مکانیکی به کار خود ادامه دهد. تحت شرایط مناسب ممکن بود دقت این ساعت به چند هزارم ثانیه در روز هم برسد. تا زمان ابداع و عرضه ساعتهای کوارتز از این گونه ساعتها به عنوان استاندارد زمان سنجی استفاده می‌شد.
ساعت الکتریکی خانگی در سال ۱۹۱۸ طراحی شد و به خودی خود ، هیچ ابزار زمان سنجی داخلی نداشت. این ساعت از ویژگی دقت منبع تأمین نیروی الکتریسیته برای لحظه شماری استفاده می‌کرد. بدین ترتیب که نیروگاههای برق ملزم به تولید و عرضه جریان الکتریکی با تناوب دقیق ۶۰ دور در ثانیه (هرتز) می‌باشند. فقط کافی است مجموعه ساده‌ای از چرخ دنده‌ها برای راه انداختن موتور محرک عقربه‌های ساعت با سرعتی مناسب بکار گرفته شود. نام دیگر این نوع از ساعتها ساعت موتور همزمان (Synchronous Motor Clock) اسیت. ساعتهای موتور همزمان ، امروزه رواج زیادی دارند و براحتی از ساعتهای کوارتز قابل تشخیص هستند. لازم است دو شاخه این ساعتها بطور پیوسته در پریز برق باشد. با این حال پاره‌ای از آنها برای جلوگیری از خوابیدن ساعت ، هنگام قطع برق ، باتری هم دارند. وقت ساعتهای موتور همزمان بستگی به دقت جریان تولید شده در نیروگاه برق دارد و آنها بطور معمول تا چندین ثانیه در روز عقب و جلو می‌روند.
● ساعت کوارتز
ساعت کوارتز متشکل از یک حلقه از جنس کوارتز در یک مدار الکتریکی است که باعث می‌شود تا بین ده هزار هرتز (دور بر ثانیه) نوسان کند. بسامد نوسان بستگی به اندازه و شکل بلور کوارتز دارد و معمولا این بلورها را طوری می‌تراشند که با بسامد صد هزار هرتز نوسان داشته باشند. این پدیده را با عنوان خاصیت پیزوالکتریک کوارتز (Piezoelectric) می‌شناسند. نخستین بار در سال ۱۹۲۹ از بلور کوارتز برای زمان سنجی استفاده شد. این ابداع دقت زمان سنجی را بسیار فراتر از ساعتهای آونگ دار الکتریکی افزایش داد و در سالهای دهه ۱۹۳۰ به عنوان استاندارد اندازه گیری زمان جایگزین ساعت شورت (Shortt Clock) گردیدند. ساعتهای کوارتز اکنون بخاطر هزینه کم و عملکرد عالی ، رایجترین شکل ابزارهای زمان سنجی را تشکیل می‌دهند.
فرکانس (بسامد) بالای نوسان بلور به جریانی متناوب بدل می‌گردد که بسامد آن تا حدی که بیشتر در زمان سنجی قابل استفاده باشد کاهش داده می‌شود. جریان از یک موتور می‌گذرد و سپس با استفاده از یک شبکه چرخ دنده مکانیکی به صفحه ساعت یا نمایشگر دیجیتال (رقمی) می‌رسد. یک سیگنال (علامت) صد هزار هرتز که وارد یک مجموعه چرخ دنده مکانیکی ۶۰۰۰۰۰۰:۱ ترکیبی الکتریکی - مکانیکی می‌شود موجب گردش عقربه دقیقه شکار ساعت با سرعت دقیق یک بار در هر ۶۰ ثانیه می‌گردد. نوسانهای حاصل از بلور کوارتز بسیار دقیق هستند و حداکثر خطا برای دقیق ترینم آنها -/+ یک ثانیه در هر ده سال است. ساعتهای کوارتز نسبت به ساعتهای آونگ دار از دقت بسیار بیشتری برخوردارند، زیرا این ساعتها چرخ دنده یا چرخ تاجداری ندارند که موجب آشفتگی بسامدهای منظم آنها شود. دقت ساعتهای کوارتز محدود است، زیرا اندازه و شکل بلور بر ارتعاش مکانیکی تأثیر می‌گذارد و در واقع بروز خطا ناشی از این مطلب است که هیچ دو بلوری مشابه یکدیگر نیست.
● ساعت اتمی
ساعتهای اتمی روی بسامد امواج الکترومغناطیسی جذب شده ، هنگام برانگیخته شدن الکترونهای داخل یک اتم از سطح انرژی پایین‌تر به سطح بالاتر کوک می‌شوند. مقدار انرژی دخیل در انتقال یک الکترون در نهایت نظم قرار دارد و تحت تأثیر نیروهای خارجی قرار نمی‌گیرد. این امر باعث می‌شود که آنها مطلوبترین وسایل استاندارد برای تعیین وقت باشند. نخستین ساعت اتمی توسط مؤسسه ملی استاندارد و فناوری بریتانیا در سال ۱۹۴۹ ساخته شد و عملکرد آن مبتنی بر کاربرد ماده آمونیاک بود. کارکرد این ساعت چندان بهتر از دقیق‌ترین ساعتهای کوارتز نبود و دانشمندان توجه خود را معطوف به ابزارهای پرتو اتمی مبتنی بر عنصر سزیم کردند.
در ساعت سزیمی برای بمباران اتمهای ۱۳۳Cs از امواج میکروویو (ریز موج) استفاده می‌شود. بسامد امواج میکروویو به گونه‌ای تنظیم می‌شود که با ارتقاء الکترونها به سطح جدید ، انرژی را به حداکثر برساند. سپس دوره تناوب امواج میکروویو (زمان یک موج کامل) از روی بسامد امواج محاسبه می‌شود. به این ترتیب ثانیه به صورت ۷۷۰/۶۳۱/۱۹۲/۹ برابر زمان تناوب میکروویو مربوط به انتقال کوانتومی میان دو سطح انرژی تعریف می‌شود. در سال ۱۹۶۷ بسامد طبیعی اتمهای سزیم بطور رسمی به عنوان واحد بین المللی جدید زمان شناخته شد. دقیق‌ترین ساعت سزیمی کنونی چنان به دقت عمل می‌کند که قادر است با درستی ۱± ثانیه در هر سه میلیون سال زمان را بسنجد و به این ترتیب تقریبا ۳۰۰ هزار بار دقیقتر از ساعتهای کوارتز کار می‌کند. نوع دیگر ساعت اتمی ، ساعت روبیدیم است، این نوع ساعت نیز به روشی مشابه با ساعت سزیم کار می‌کند ولی عنصر مورد استفاده در آن ۷۷Rb است.
ساعتهای روبیدیمی به اندازه ساعتهای سزیمی دقت و ثبات ندارند ولی جمع و جورتر و ارزانتر هستند. عملکرد ساعت هیدروژنی و ساعت آمونیاکی نیز مبتنی بر خواص الکترونها به هنگام حرکت میان سطوح انرژی داخلی یک اتم می‌باشد. با این حال بجای اینکه زمان از طریق اندر کنش ریز موجها محاسبه شود، بر اساس تابش الکترومغناطیسی انتشار یافته از اتمهای برانگیخته محاسبه می‌گردد. ساعتهای اتمی بخش الزامی زندگی نوین را تشکیل می‌دهند. ترابری ، ارتباطات ، تولید کالا و انرژی و بسیاری از دیگر فناوریها نیازمند زمان سنجی دقیق می‌باشند. برای مثال سامانه جهانی تعیین موقعیت (GPS) برای تعیین محل دقیق یک گیرنده در هر کجای جهان ، از محاسبات بسیار دقیق زمانی استفاده می‌کند.
● ساعتهای آینده
در ساعتهای سزیمی رایج ، اتمها داغ هستند و در حالی که طی مدت زمانهای کوتاه در حد چند هزارم با سرعتهای سرسام آور شلیک می‌شوند، جلزوولز می‌کنند! در شکل جدیدی از ساعتهای اتمی که چشمه سزیم نامیده می‌شوند، برای جمع آوری اتمها به صورت یک ابر و سرد کردن آنها به گونه‌ای که باعث حرکت آهسته‌ترشان شود، از پرتوهای لیزر استفاده می‌شود. این ابر اتمی به داخل محفظه‌ای که حاوی امواج میکروویو می‌باشد افشانده می‌شود و اجازه می‌دهند تا تحت نیروی جاذبه در امتداد همان مسیر پسگرد کند. هر چه دوره زمانی سپری شده داخل این محفظه برای اتمها طولانی‌تر باشد امکان اندازه گیری دقیقتر بسامد رزونانس آنها بیشتر می‌شود. آزمایشگاه ملی فیزیک بریتانیا (NLP) مشغول ساخت یک ساعت چشمه سزیم است که دقت آن از یک ثانیه در هر ۱۵ میلیون سال هم بیشتر است.
اکنون ساعتهای پیشتاز قرن بیستم و یکم ساعتهای تله یونی هستند. یونها اتمهای بارداری هستند که بار الکتریکی آنها این امکان را فراهم می‌سازد تا به کمک میدانهای مغناطیسی بتوان یونهای منفرد را به دام انداخت و برای مدت نامحدود نگهداشت. سپس یک پرتو لیزر می‌تواند در حالی که یون ، ثابت نگه داشته شده است آن را تا نزدیکی صفر مطلق سرد کند. در آزمایشگاه ملی فیزیک بریتانیا برای این کار فلز یتربیوم را برگزیده اند که نسبت به سزیم فرکانس بسیار بالاتری دارد و تیک تیکهای قابل شمارش آن زیادترند. این مطلب باعث می‌شود که ثانیه شماری آن دقیق‌تر باشد. دستیابی به دقتهای حدود هزار برابر بیشتر از بهترین ساعتهای اتمی موجود امری ممکن است. چنین دقتی معادل یک ثانیه در تمام طول عمر کیهان و کائنات است

منبع : سایت علمی دانشجویان ایران