Czasami nie za bardzo wiem, jak zacząć artykuł, tak jak teraz. Temat niby prosty - historia pomiaru czasu, chronologia horologii. Ale co można napisać o czasie? Na pewno to, że mamy na jego punkcie niejaką obsesję. Wielu ma go za mało, albo wcale go nie mają, niektórzy zaś za dużo i nie wiedzą, co z wolnym czasem zrobić. Czas płynie, przecieka między palcami, ucieka, leczy rany, jest nauczycielem, ale przy tym zabija swoich uczniów. Wszystko ma swój odpowiedni czas. Oszczędność czasu, choć złudna, jest jednym z ulubionych haseł marketingowców. Czasem czas marnujemy, a czasem tracimy poczucie czasu. O czasie można napisać jeszcze więcej, jak się już zacznie, ale tymczasem czas zacząć.
Na początku był kij
Już starożytni odkryli, iż cień rzucany przez różne rzeczy zmienia swoją długość i położenie zależnie od pory dnia. Najprostszym zegarem zatem stał się kij wbity w ziemię. W dzień, i to słoneczny, działa to dość dobrze. Do pomiaru krótszych odcinków czasu dość szybko zaczęto używać zegarów wodnych, czyli naczyń z otworkiem w dnie, z których woda powoli ciurkała. Archimedes w trzecim wieku przed naszą erą zbudował zegar wodny, który używał przekładni zębatych. A co z odmierzaniem długich odcinków czasu? To też nie jest trudne - wystarczy obserwować położenie gwiazd czy słońca o wschodzie lub zachodzie. Można je sobie zaznaczyć stawiając duże kamienie. Przykładem takiego kalendarza może być Stonehenge, choć w tej kwestii zdania archeologów są mocno podzielone.
Ciekawym kalkulatorem/kalendarzem jest mechanizm z Antykithery - kto by się spodziewał po starożytnych Grekach zdolności do budowy tak złożonych konstrukcji, które w Europie powstaną wiele wieków później. Imć Clickspring na YouTube pokazuje swoją rekonstrukcję tego mechanizmu oraz technik rzemieślniczych prawdopodobnie użytych do jego budowy, i wyjaśnia dokładnie, jak on działa.
Kolejnym krokiem w pomiarze czasu były świece ze skalą na boku. Świece spalają się z w miarę stałą prędkością. Niewątpliwą zaletą był fakt, iż działają także w nocy. Najstarsza o nich wzmianka pochodzi z poematu napisanego w Chinach w roku 525n.e. Jednak dopiero klepsydry dały ludziom powtarzalny i wygodny sposób na odmierzanie czasu.
Pierwszy zegar mechaniczny w Europie został zbudowany w 996 roku n.e. przez późniejszego papieża, Sylwestra II. Zegar ten, i wiele późniejszych, ulepszonych konstrukcji, był przeznaczony do odmierzania czasu w klasztorach, nie miał cyferblatu, a godziny "oddzwaniał". Angielskie słowo "clock" pochodzi od średniowiecznego łacińskiego słowa clocca oznaczającego dzwon. Te wczesne konstrukcje były zwykle zegarami wodnymi. Na przełomie XIII i XIV wieku wiele z tych konstrukcji zostało zaadaptowanych do używania ciężarów na linach bądź łańcuchach jako źródeł energii, z nieznanym mechanizmem (prawdopodobnie opartym o mechanizm poruszający dzwonami) zapewniającym regulację, regularny "chód". Wkrótce potem wynaleziony został i rozpowszechnił się wychwyt wrzecionowy. W nim koło koronowe o nieparzystej liczbie zębów zaczepia o dwie łopatki umocowane na pionowej osi - wrzecionie. Na osi znajduje się też poprzeczna belka - kolebnik z zawieszonymi ciężarkami. Wrzeciono z kolebnikiem wykonują cykliczne częściowe obroty w lewo i w prawo hamując i regulując ruch koła wychwytu. Zmiana odległości ciężarków od wrzeciona zmienia częstotliwość "kolebania". Nie jest to szczególnie precyzyjny mechanizm, pochłaniający przy tym dużo energii, ale był łatwy w wykonaniu.
Zegary astronomiczne i inne ulepszenia
Prawdziwym motorem rozwoju zegarów byli astronomowie. Su Song, chiński matematyk, w 1092 wynalazł w pełni mechaniczny zegar wodny z mechanizmem wychwytowym. Jego Kosmiczna Machina miała wysokość 10 metrów i poza odmierzaniem czasu pozwalała na wykonywanie złożonych obliczeń astronomicznych.
Richard z Wallingford w 1336 roku w St. Albans zbudował zegar wyposażony w astrolabium i wskaźnik pływów. Giovanni de Dondi zbudował swój zegar, nazwany Astrarium między rokiem 1348 a 1364 w Padwie. Zegar ten m.in. pokazywał pozycje Merkurego, Wenus, księżyca, Marsa, Jowisza, Saturna, zegar 24-godzinny, ruch gwiazd w ciągu doby, położenie Słońca względem gwiazd w ciągu roku, kalendarz wskazujący stałe i ruchome święta katolickie. Oba zegary już nie istnieją, ale zbudowano ich reprodukcje. Nie wiemy, jak dokładnie "chodziły", ale prawdopodobnie były regulowane codziennie.
W XV wieku pojawiły się zegary napędzane sprężyną, co pozwoliło na zmniejszenie ich rozmiarów. Również w tym czasie pojawiły się wskazówki minutowe, a później sekundowe. Prostsze zegary stołowe używały pojedynczej wskazówki godzinowej, ale na cyferblacie znajdowały się znaczniki kwadransowe między znacznikami godzinowymi. Droższe modele były bardzo ozdobne i potrafiły m.in. odgrywać melodie. W roku 1584 Jost Bürgi, renomowany szwajcarski zegarmistrz, wynalazł wychwyt krzyżowy, który był rozwinięciem wychwytu wrzecionowego. W tym wychwycie dwa wrzeciona sprzężone ze sobą kołami zębatymi poruszały się w przeciwnych kierunkach, każde z nich posiadało jedną paletkę wchodzącą w interakcję z kołem wychwytu. Wychwyt ten sprawił, iż zegary Bürgiego miały dokładność do jednej minuty na dzień - rzecz nieosiągalna przy wychwycie wrzecionowym.
Wahadło
Galileusz jako pierwszy wpadł na pomysł by użyć wahadła do odmierzania czasu i regulacji pracy zegara. Zauważył on bowiem, iż ciężar zawieszony na linie lub łańcuchu i wprawiony w ruch potrzebuje zawsze tyle samo czasu na wychylenie z jednej skrajnej pozycji do drugiej, niezależnie od tego, jak bardzo się wychyla. Odkrył to w kościele podczas mszy obserwując ruch kadzidła zawieszonego nad nawą. Galileusz zaprojektował pierwszy wychwyt wahadłowy w 1637 roku, lecz nigdy nie zbudował zegara, gdyż był już wtedy niewidomy. Christian Huygens w 1650 roku opracował matematyczną formułę do obliczania długości wahadła względem okresu jego ruchu. I tak wahadło sekundowe powinno mieć długość 99,4 cm. Robert Hooke w roku 1657 wynalazł wychwyt kotwicowy, który wyparł wychwyt wrzecionowy.
Wychwyt tego typu składa się z trzech elementów: koła wychwytu, ramienia wychwytu w kształcie odwróconej kotwicy i właściwego wahadła połączonego z ramieniem. "Kotwy" na obu końcach ramienia na zmianę wsuwają się między zęby koła wychwytu blokując jego ruch przy skrajnych położeniach wahadła. Moment uderzenia któregoś z zębów koła o koniec ramienia wychwytu odpowiada za tykanie zegara. Dodatkowo ruch ramienia nie zatrzymuje się od razu powodując cofnięcie się koła wychwytu. Gdy wahadło wraca ze skrajnej pozycji w stronę środka, krawędź zęba koła zsuwa się po krawędzi "kotwy". Krawędź ta jest ścięta pod takim kątem, by ruch zęba po niej dodawał energii wahadłu.
Główną zaletą wychwytu kotwicowego w stosunku do wrzecionowego czy krzyżowego było ograniczenie wychyłu wahadła do 3-6°, co zmniejszało ilość energii potrzebnej na podtrzymanie ruchu wahadła i pozwoliło stosować wahadła o większej długości. W efekcie doprowadziło to do powstania zegarów stojących z drewnianą skrzynią. Pierwszy taki zegar został zbudowany przez Williama Clemena w 1670 lub 1671 roku.
W roku 1675 powstał wychwyt Grahama, czyli ulepszenie podstawowego wychwytu kotwicowego. Wychwyt ten jako pierwszy zastosował Thomas Tompion wedle projektu Richarda Towneley'a. Następca Tompiona, George Graham spopularyzował ten wychwyt w swoich zegarach. W wychwycie Grahama oba ramiona są prawie takie same, a części hamujące koło są częścią obwodu koła, w które ramię można wpisać. Zęby koła są skierowane w stronę jego ruchu, czyli odwrotnie niż w rozwiązaniu Richarda Hooke'a. Również w przeciwieństwie do wychwytu kotwicowego ruch koła następuje wtedy, gdy wahadło jest w skrajnych pozycjach, a ustaje, gdy wahadło jest na środku. Koło też nigdy się nie cofa. Daje to większą dokładność zegara, ale wymaga większej precyzji wykonania. Wychwyt kotwicowy nawet po stu latach będzie działał prawidłowo. W optymalnych warunkach zapewnia on dokładność 5-10 sekund na tydzień, ale wynik na poziomie minuty do dwóch na tydzień jest bardziej typowy. Wychwyt Grahama zaś zapewnia dokładność nawet poniżej sekundy na tydzień, zużywając 25-50% energii zużywanej przez wychwyt kotwicowy, ale wszelkie niedokładności wykonania oraz zużycie z czasem zmienią go w wychwyt kotwicowy. Z tych powodów wychwyt Grahama stosowany był w droższych zegarach, podczas gdy tańsze używały wychwytu kotwicowego.
Balans i zegarki kieszonkowe
Musimy cofnąć się trochę w czasie do wychwytu wrzecionowego. Już w XV wieku podejmowano próby miniaturyzacji zegarów, na co pozwoliło dodanie sprężyny napędowej. Wtedy też belkę z ciężarkami w wychwycie wrzecionowym zastąpiono kołem, którego większość masy była na obwodzie. Moment inercji takiego koła jest większy, niż moment inercji belki z ciężarkami o tej samej masie całkowitej. Wychwyt wrzecionowy z kołem balansowym był zatem pewnym ulepszeniem, zwłaszcza że był mniej podatny na rozszerzalność termiczną metalu, co w standardowym wychwycie zmieniało częstotliwość oscylacji.
Pierwsze zegarki były masywnymi walcami z mosiądzu w rozmiarze przypominającym bardziej XX-wieczny budzik, z mechanizmem wykonanym ze stali lub żelaza. Z powodu swej wielkości były noszone albo przypięte do ubrania, albo na łańcuchu jako wisiory. Posiadały też tylko wskazówkę godzinową, ale w zamian mogły godziny wybijać lub/i mieć funkcję budzika. Bardziej zaokrąglone formy powstały w drugiej połowie XVI wieku i były nazywane norymberskimi jajkami.
W 1675 roku król Anglii Karol II zapoczątkował modę na kamizelki, a wraz z nimi pojawiły się zegarki kieszonkowe o mniejszej masie, zaokrąglonych kształtach, i wyposażone zarówno w szybkę chroniącą cyferblat, jak i w uszko i łańcuszek do przypięcia do guzika. W tym samym roku Huygens i Hooke dodali do koła balansu sprężynę włosową, która stabilizowała oscylacje. Thomas Tompion jako pierwszy zbudował zegarek kieszonkowy z tym rozwiązaniem, co pozwoliło mu też dodać wskazówkę minutową.
Wadą wychwytu wrzecionowego (i jego wariantów) poza dużym rozmiarem i nie największą dokładnością jest "ciężki chód" - elementy, zwłaszcza osie, zużywały się z powodu dużego tarcia i relatywnie dużej masy, zwłaszcza że nie stosowano wtedy kamieni szlachetnych do redukcji zużycia. Zegarki, który dotrwały do czasów współczesnych potrafią śpieszyć się o nawet godzinę na dzień. Na początku XVIII wieku Jean de Hautefeuille zaprojektował wychwyt cylindrowy, z którego korzystał jako pierwszy George Graham. W wychwycie tym zamiast wrzeciona z łopatkami i prostopadłego do niego koła koronowego znajduje się bardziej złożone koło wychwytu oraz cylinder metalowy z wycięciem, w które łopatki na kole się wsuwają. W jednej skrajnej pozycji łopatka znajduje się wewnątrz cylindra i nie może go opuścić. Gdy cylinder obróci się częściowo, czołowa krawędź łopatki ześlizgnie się po krawędzi cylindra przekazując mu energię, jednocześnie druga ścianka cylindra zablokuje drogę następnej łopatce, dopóki ten nie wróci z drugiej skrajnej pozycji, gdzie czoło łopatki znów prześlizgnie się po krawędzi cylindra dostarczając mu energii, by potem zatrzymać się w jego wnętrzu.
Wychwyt cylindrowy w połączeniu ze sprężyną włosową na kole balansu był dokładniejszy od wychwytu wrzecionowego, był też od niego mniejszy, a zwłaszcza bardziej płaski. Za to zużywał się dość szybko, zwłaszcza łopatki i krawędzie cylindra ulegały degradacji przez ciągłe tarcie.
Hooke wynalazł też w 1700 roku wychwyt typu duplex, w którym koło wychwytu posiada dwa zestawy zębów, bądź zestaw zębów i bolców. Dłuższe, wąskie zęby są blokowane przez walec na osi koła balansowego. Walec ten posiada nacięcie na tyle duże, by ząb mógł przeskoczyć do przodu, ale tylko wtedy gdy balans obraca się w przeciwną stronę, niż koło wychwytu. Zaraz po pokonaniu nacięcia krótszy ząb bądź bolec zaczepia o ramię na osi koła balansu dostarczając mu impuls energii. Koło wykonuje swój ruch do skrajnej pozycji, a potem obraca się w drugą stronę - w tym kierunku nacięcie nie pozwala na ruch wychwytu do przodu - to się lekko cofa, jak w wychwycie kotwicowym. Wychwyt ten oferował sporą dokładność, ale z powodu wymaganej precyzji wykonania stosowany był tylko w zegarkach wysokiej klasy w drugiej połowie XVIII wieku.
Mechanizmem wychwytu, który zdominował konstrukcje zegarków od drugiej połowy XVIII wieku aż do obecnych czasów stał się wychwyt szwajcarski, zwany też dźwigniowym. Wynalazł go w 1754 brytyjski zegarmistrz Thomas Mudge, ulepszony później przez Abrahama-Louisa Bregueta w 1787, do którego jeszcze wrócimy. Mechanizm był ulepszony też przez Petera Litherlanda w 1791 i George'a Savage'a na początku XIX wieku. Od początku XX wieku praktycznie wyparł inne rozwiązania z mechanicznych zegarków naręcznych czy kieszonkowych.
Mechanizm ten różni się od innych tym, że koło balansu pracuje prawie cały czas niezależnie od reszty zegarka, a interakcja z kołem wychwytu za pośrednictwem dźwigni wychwytu jest bardzo krótka. Geometria koła i dźwigni wychwytu sprawiają, iż ten mechanizm startuje sam, gdy tylko sprężyna zegarka zacznie go napędzać. Przez minimalną interakcję koła balansu z dźwignią oraz użycie kamieni szlachetnych w kluczowych miejscach mechanizm ten jest bardzo dokładny i trwały.
Sposób pracy wychwytu szwajcarskiego przypomina trochę pracę wychwytu zapadkowego - koło wychwytu przez większość czasu jest zablokowane przez jedną z dwóch paletek, zwykle wyciętych ze sztucznego rubinu. Paletki są na końcach dźwigni w kształcie przypominającym literę T. Na końcu dłuższego ramienia znajduje się rozwidlenie, które wchodzi w interakcję z kołem balansu za sprawą bolca, który też jest wykonany ze sztucznego rubinu. Ruch dźwigni ograniczają dwa metalowe bolce blisko jej dłuższego końca. Koło balansu przechodząc z pozycji skrajnej do środkowej zaczepia bolcem o jedno z ramion rozwidlenia. To powoduje, iż kamień paletki zsuwa się z zęba koła wychwytu. Krawędź zęba ześlizgując się po ściętej krawędzi paletki przekazuje impuls energii do dźwigni, widełki na jej końcu dostarczają ją do koła balansu przez zderzenie z bolcem. Dźwignia osiąga drugą, skrajną pozycję i blokuje ponownie koło wychwytu. Cały cykl powtarza się, gdy koło balansu wraca do pozycji środkowej, a jego bolec uderza o widełki dźwigni wychwytu.
Abraham-Louis Breguet stworzył też dwie inne, istotne innowacje: mechanizm samonakręcający zegarek w trakcie noszenia oraz tourbillon, czyli ulepszenie wychwytu dźwigniowego mające wyeliminować wpływ grawitacji na wychwyt. Tourbillon, czyli z francuskiego "trąba powietrzna" to prosta modyfikacja wychwytu dźwigniowego, w którym cały mechanizm wychwytu zamontowany jest w obrotowej klatce współosiowo z kołem balansu. Napęd jest przekazywany na zębatkę klatki, a ruch regulowany jest przez koło wychwytu, którego zębatka zaczepia o stacjonarne koło zębate. Dzięki temu cały mechanizm wychwytu wykonuje pełny obrót, co sprawia, iż pole grawitacyjne Ziemi w ciągu pełnego obrotu mechanizmu przyciąga koło balansu z każdej strony, co równoważy jego wpływ. Co ciekawe, jeśli koło balansu byłoby ustawione poziomo, tourbillon byłby zbędny.
Chronometry
Ważnym impulsem do rozwoju mechanizmów zegarowych były eksploracja, kolonizacja i handel morski. W celu dokładnej nawigacji, zwłaszcza do obliczania długości geograficznej, potrzebny jest zegar zapewniający dokładność przynajmniej 10 sekund na dzień. W warunkach morskich zegary wahadłowe są kompletnie bezużyteczne. Problem był na tyle poważny, że w 1714 roku rząd brytyjski ogłosił nagrodę w wysokości 20 tysięcy funtów każdemu, komu uda się dokładnie określić długość geograficzną. John Harrison, który poświęcił swoje życie na poprawę dokładności swoich zegarów, otrzymał później znaczne sumy pieniędzy na mocy Ustawy o Długości Geograficznej.
Harrison zbudował swój pierwszy chronometr w 1735 roku, ulepszając go przez kolejne trzydzieści lat. Wprowadził takie ulepszenia jak: łożyska, cięższe i wyważone koło balansu by było odporniejsze na przechył statku, czy użycie dwóch różnych metali w sprężynie balansu, by zredukować wpływ temperatury. W 1761 chronometr został przetestowany przez syna Harrisona - po 10 tygodniach zegar miał błąd poniżej 5 sekund. Chronometry z rozwiązaniami Harrisona były stosowane do nawigacji aż do powstania zegarów elektronicznych.
W 1748 we Francji Pierre Le Roy wynalazł wychwyt zapadkowy, używany w chronometrach mechanicznych aż do dzisiaj. W tym mechanizmie koło wychwytu jest blokowane niewielką zapadką zamocowaną na płaskiej sprężynie. Na osi balansu znajdują się dwa ścięte zęby. Jeden z nich odsuwa zapadkę odblokowując koło wychwytu, wtedy jeden z zębów koła przekazuje energię drugiemu zębowi na osi balansu. Zapadka wraca na swoje miejsce blokując koło wychwytu. Koło balansu kończy ruch do przodu, w czasie ruchu powrotnego ząb impulsowy omija wychwyt, a ząb zapadkowy prześlizguje się po niej. W połączeniu ze skompensowaną termicznie sprężyną balansu i dobrym wyważeniem mechanizm ten zapewnia największą dokładność pośród zegarków mechanicznych.
Zegary elektromechaniczne i elektroniczne
Do XIX wieku wszystkie kluczowe ulepszenia zegarów mechanicznych zostały wynalezione i zaimplementowane. Stulecie to upłynęło pod znakiem ulepszeń procesu produkcji i jego mechanizacji. Powiązane to było z zapotrzebowaniem na tanie czasomierze dla zwykłych mieszkańców, czy budziki dla pracowników fabrycznych. Nie bez znaczenia też był wpływ kolei, której rozkłady jazdy były rozpisane według czasu stacji początkowej i nie uwzględniały czasu lokalnego, ustawianego wedle położenia Słońca. W 1816 roku Eli Terry wraz z innymi zegarmistrzami z Connecticut zapoczątkował produkcję zegarków z wymiennymi częściami - wcześniej każdy zegarek był wykonywany indywidualnie od początku do końca przez zegarmistrza. Standaryzacja samego mechanizmu pozwalała na podział pracy na oddzielne etapy: wycinanie poszczególnych kół zębatych i elementów nośnych mechanizmu, nawijanie sprężyn, wyważanie kół balansu, wykonywanie korpusów i montaż całości. Szczególnie produkcja kół zębatych za pomocą ulepszonych, precyzyjnych maszyn upraszczała proces produkcyjny całego zegarka - dokładne ustalanie położenia każdej osi koła zębatego, by zęby obu sąsiednich kół zaczepiały o siebie na tyle, by minimalizować luzy, ale nie na tyle, by się blokować, było wielką oszczędnością czasu - proces ten trzeba wykonać raz, dla prototypu, a potem rozstaw otworów przenieść na wzornik do masowej produkcji.
Pierwszy zegar elektryczny zbudował Sir Francis Ronalds w 1814 roku. Zasilał go wysokonapięciowymi "suchymi stosami" Volty. Zegar działał sprawnie, ale stosy były wrażliwe na warunki atmosferyczne. W 1815 Giuseppe Zamboni ulepszył stos i zbudował zegar tak wydajny elektrycznie, iż pomimo ograniczeń stosu mógł pracować przez 50 lat. Stos Zamboniego potrafi mieć napięcie liczone w tysiącach woltów, ale prąd jest ograniczony do skali nanoamperowej. Z tego powodu zegary te mają bardzo lekkie mechanizmy.
W 1840 Alexander Bain, szkocki zegarmistrz i konstruktor instrumentów, zbudował i opatentował zegar o napędzie elektrycznym. Na początku 1841 wraz z budowniczym chronometrów Johnem Barwisem opatentował zegar, w którym za cały napęd odpowiada wahadło, które jest rozpędzane elektromagnesem. Matthäus Hipp, niemiecki zegarmistrz w 1843 roku, zaprezentował specjalny przełącznik sprzężony z wahadłem lub kołem balansu. Przełącznik Hippa załączał na krótko elektromagnes dostarczający energii do wahadła lub koła balansu gdy oscylacje były za niskie. Rozwiązanie Hippa było tak wydajne, że stosowano je przez ponad sto lat. Ba, dobrze zaprojektowany zegar systemu Hippa, w hermetycznej obudowie i z wahadłem skompensowanym termicznie oferował niewiarygodnie dużą dokładność. Zegar można było trzymać w próżni, co przy ograniczonej powierzchni kontaktu elementów montażowych z obudową jeszcze bardziej poprawiało stabilność temperaturową zegara. Co więcej, zegar taki może generować impulsy synchronizacyjne dla zegarów podległych, które już nie wymagały trzymania w hermetycznych obudowach próżniowych. Prostsze systemy zegarów centralnych i zegarów podległych używały silników synchronicznych - zegar główny generował energię z użyciem prądnicy synchronicznej, zaś zegary podległe używały silników synchronicznych do napędu wskazówek.
W roku 1918 Henry Ellis Warren wykonał pierwszy zegar synchronizowany do sieci elektrycznej. Zegar ten używał sieci elektrycznej jako źródła podstawy czasu. Seryjne modele pojawiły się w handlu dopiero w 1931 roku, i o ile w ciągu doby zegar taki zwalniał bądź przyspieszał zależnie od obciążenia sieci elektrycznej, to dokładność z doby na dobę była dość wysoka. Oczywiście, zależało to od samej sieci elektrycznej, i w jednych regionach zegary te działały lepiej, a w innych gorzej.
Pierwszym naręcznym zegarkiem elektrycznym był Hamilton Electric 500 z 1957 roku wyprodukowany przez amerykańską firmę Hamilton Watch Company. W zegarku tym zamiast sprężyny napędowej znajdowała się zminiaturyzowana bateria. Koło balansu posiada zamontowany z jednej strony elektromagnes, w płytce nośnej zaś znajdują się dwa magnesy stałe. Za każdym razem, gdy elektromagnes znajdzie się między magnesami, metalowy kontakt styka się ze sprężynującym drutem zasilającym elektromagnes, przez co niewielki prąd płynie do niego z baterii. Inaczej pisząc jest to rozwiązanie w stylu Hippa.
Firma Bulova rozpoczęła w październiku 1960 roku sprzedaż rewolucyjnego jak na owe czasy zegarka o nazwie Accutron. W miejscu koła balansu i dźwigni balansu znajduje się duży, metalowy kamerton. Z jednej strony posiada on niewielki wypust, którego koniec opiera się o ząb koła wychwytu. Obok znajduje się niewielka zapadka, która zapobiega cofaniu się koła, gdy wypust się cofa i ześlizguje z zęba, by zaczepić o następny. Kamerton zestrojony jest na częstotliwość 360 Hz. W górnej części zegarka końce kamertonu obejmują dwa karkasy z cewkami. Schemat elektryczny wygląda następująco:
Cewki D1 i D2 to cewki napędowe. Na jednym z karkasów nawinięta też jest cewka F1, sprzężenia zwrotnego. Prąd płynie od bieguna dodatniego przez emiter tranzystora PNP, część prądu popłynie do bazy i dalej przez rezystor zbocznikowany kondensatorem do cewki F1. Większość jednak trafi przez kolektor tranzystora do obu cewek napędowych. To wzbudza oscylację kamertonu i powoduje powstanie impulsu prądowego w cewce F1, który to impuls zatyka tranzystor wyłączając zasilanie w cewkach napędowych. Kondensator oznaczony gwiazdką był stosowany we wczesnych modelach jako dodatkowy filtr. Accutron miał gwarantowaną dokładność 1 minuty na miesiąc, albo dwóch sekund na dzień - więcej, niż mogły zaoferować zegarki mechaniczne. Jednocześnie był dość tani w produkcji, co przyczyniło się do jego popularności. Ale jedna seria, Spaceview, jest obecnie bardzo poszukiwana przez kolekcjonerów. W tych zegarkach nie ma cyferblatu, a wszelkie oznaczenia są na akrylowej szybce - za to widać dokładnie kamerton, cewki i elementy elektroniczne. Doprowadziło to do sytuacji, w której tańsze, tradycyjne modele są skupywane i przerabiane na modele Spaceview.
Kwarc
O kwarcu jest osobny artykuł, do którego czytania zapraszam. William Eccles iw 1919 roku zbudował obwód, który podtrzymywał elektrycznie drgania kamertonu generując stabilną częstotliwość. W 1921 roku Walter G. Cady zbudował pierwszy oscylator kwarcowy. W 1923 roku David W. Dye w Narodowym Laboratorium Fizycznym w Wielkiej Brytanii oraz Warren A. Marrison w Laboratorium Bell użył oscylatorów kwarcowych do generowania precyzyjnych sygnałów czasowych. W październiku 1927 roku Marrison oraz Joseph W. Horton w tym samym laboratorium zbudowali pierwszy zegar kwarcowy. W zegarze tym blok kwarcu był wzbudzany do drgań z częstotliwością 50 kHz, impulsy te sterowały generatorem niższej częstotliwości, która to napędzała silnik synchroniczny mechanizmu zegarowego.
Przez następne trzy dekady zegary kwarcowe nie opuszczały laboratoriów - były zbyt duże, zbyt skomplikowane i zbyt prądożerne. Dopiero w latach 60tych udało się zintegrować elektronikę na tyle, by zegary kwarcowe na rynek konsumencki miały sens. I tak pierwszym przenośnym zegarem, który odniósł sukces, był Seiko Crystal Chronometer QC-951. Użyty był jako chronometr zapasowy w czasie biegów maratonowych na Letnich Igrzyskach Olimpijskich w Tokio w 1964 roku. Pierwszym zegarem kwarcowym dostępnym na rynku europejskim był Astrochron z 1967 roku. Wtedy też Centre Electronique Horloger (CEH) i Seiko przedstawiły swoje prototypy kwarcowych zegarków naręcznych. Seiko wyprzedziło o prawie rok konkurencję ze Szwajcarii prezentując Seiko-Quartz Astron 35SQ w grudniu 1969 roku. Astron używał oscylatora o niezwykle niskiej częstotliwości 8192 Hz. Oscylator ten współpracował z hybrydowym układem scalonym, który z kolei sterował miniaturowym silnikiem krokowym napędzającym mechanizm. Astron zapewniał dokładność ±0,2 s na dzień, albo ±5 s na miesiąc - dziesięciokrotnie większą, niż accutron Bulovy. Szwajcarski mechanizm Beta 21 trafił na rynek w 1970 roku i był używany przez takie firmy jak Patek, Omega czy Rolex.
Hamilton na wiosnę 1972 roku wypuścił pierwszy na świecie całkowicie elektroniczny zegarek naręczny - Pulsar. Co ciekawe, radzieckie zakłady produkcyjne Pulsar w podobnym czasie wypuściły podobny zegarek - Elektronika 1. Oba zegarki używały zintegrowanych obwodów scalonych, kwarcowych oscylatorów oraz siedmiosegmentowych wyświetlaczy LED. Wyświetlacze były sporym problemem, gdyż pobierały dużo prądu - dlatego zegarki LEDowe wyświetlały czas i datę po naciśnięciu przycisku tylko przez kilka sekund. Z tego też powodu zegarki tego typu istniały na rynku dość krótko. Wyparły je bowiem zegarki z ekranami LCD. Jednym z pierwszych był Seiko 06LC z 1973 roku. Wyświetlacz ciekłokrystaliczny pobiera tak mało energii, że zegarek mógł cały czas wyświetlać godzinę. Niestety, większość wczesnych modeli już nie wyświetla czasu - ciekłe kryształy nie były zbyt stabilne.
Skutkiem ubocznym powstania takich zegarków, jak Astron, Pulsar czy Seiko 06LC był tzw. "kryzys kwarcowy". Kryzys ten spowodował drastyczny spadek produkcji zegarków mechanicznych i schyłek zegarmistrzostwa jako takiego. Zegarki mechaniczne w 1982 roku stanowiły już mniejszość na rynku. W 1970 w Szwajcarii było 1600 zegarmistrzów, w 1983, gdy kryzys kwarcowy osiągnął szczyt, było ich już tylko 600. W marcu 1983 roku dwie największe grupy procentów zegarków: ASUAG (Allgemeine Schweizerische Uhrenindustrie AG) oraz SSIH (Société Suisse pour l'Industrie Horlogère) połączyły się, by ratować przemysł zegarkowy w Szwajcarii. Ich rozwiązanie było proste: budować tanie, łatwe w produkcji zegarki używając zautomatyzowanych linii, i zalać nimi rynek. Poza swoją marką, Swatch, nowa grupa przejęła też inne marki zegarków, pod którymi sprzedawali najróżniejsze modele. W 1998 roku przyjęli nazwę Swatch Group i stali się największym producentem zegarków na świecie.
Rynek zegarków dość szybko podzielił się na dwa oddzielne rynki: tanich, masowo produkowanych zegarków cyfrowych i kwarcowych z tarczą, oraz rynek drogich, mechanicznych cacek, przedmiotów luksusowych łączących w sobie zarówno wyrafinowanie samego mechanizmu, jak i wręcz biżuteryjne wykonanie korpusu i cyferblatów. Te pierwsze zegarki zostały wyparte w latach dwutysięcznych przez rozpowszechnienie się najpierw telefonów komórkowych, a potem smartfonów, a potem i smartwatchy. W świecie zegarków luksusowych zaś pojawiło się kilka ciekawych rozwiązań, jak użycie krzemu do budowy wysoce stabilnego elementu drgającego, który zastępuje koło balansu w mechanizmie wychwytu. Programy CAD oraz maszyny CNC pozwoliły też na budowę niezwykle rozbudowanych mechanizmów składających się z setek części, z licznymi "komplikacjami", a dodatkowo wciąż składanych ręcznie. I tak Patek Philippe Grand Master Chime ref. 5175 zawiera 1366 ruchowych elementów w mechanizmie i 20 komplikacji, czyli funkcji, które robią wrażenie, ale niewielu ludzi z nich skorzysta. Dodajmy do tego wybijanie godzin, kwadransów, minut, daty i godziny alarmu. Gdy pierwszy raz zobaczyłem film o tym zegarku, szczękę z podłogi zbierałem.
Atom i radio
Lord Kelvin już w 1879 roku przedstawił teoretyczne podstawy budowy zegara atomowego. Ale dopiero w latach 30stych XX wieku dopracowanie atomowego rezonansu magnetycznego pozwoliło na praktyczną realizację takiego zegara. W 1949 roku w Narodowym Biurze Standardów w USA zbudowano maser amoniakowy. Maser używa mikrofal do wzbudzania atomów w komorze rezonansowej, co wytwarza cykliczne drgania. Maser NBS był mniej dokładny w odmierzaniu czasu od istniejących zegarów kwarcowych, ale zademonstrował praktyczne możliwości realizacji zegara atomowego. Louis Essen w 1955 roku zbudował zegar atomowy używający cezu 133 w Narodowym Laboratorium Fizycznym w UK.
Zegary atomowe na bazie rubidu są od lat używane w sieciach telefonii komórkowej jako standardy czasu i częstotliwości do synchronizacji i stabilizacji pracy wież transmisyjnych. Cezowe zegary atomowe są używane w laboratoriach i jako wzorce w systemach transmisji czasu drogą radiową, oraz w satelitach GPS. Najdokładniejsze zegary iterbowe przez lata były wzorcami do kalibracji pozostałych typów. W 2004 roku stworzono pierwszy zegar atomowy w mikroskali, miał wielkość ziarnka ryżu. Firma Microsemi jako jedyna produkuje scalone zegary atomowe SA.45s, w cenie tylko 1500 dolarów od sztuki, czyli niecałe 7500 złotych wg. bieżącego kursu.
Przesyłanie sygnałów czasu drogą radiową zaczęło się już w 1905 roku przez dedykowane stacje nadawcze. W 1922 roku radio BBC zaczęło dodawać sygnał czasu w formie serii pisków do swojego programu - praktyka spopularyzowana na całym świecie. Pierwsze zegary synchronizujące się automatycznie do dedykowanych stacji nadających bieżący czas w formie cyfrowej pojawiły się w latach 80tych. Ponieważ częstotliwości nadawania tych sygnałów i sposób kodowania różnią się znacznie między różnymi krajami, większość zegarów może synchronizować się tylko w ich zasięgu. Są też zegary i zegarki zdolne odbierać kilka różnych standardów, ale są droższe. W Polsce najłatwiej dostępnym sygnałem jest nadawany spod Frankfurtu sygnał DCF77 na częstotliwości 77,5 kHz. Sygnał ten, jak wszystkie dedykowane sygnały czasu, jest kontrolowany przez zegar atomowy. Ponadto ponoć częstotliwość nośna Pierwszego Programu Polskiego Radia na na falach długich, czyli 225 kHz również jest stabilizowana zegarem atomowym, i można jej używać do regulowania pracy zegarów kwarcowych.
Wielką wadą sygnału DCF77 są problemy z jego odbiorem wywołane przez wszędobylskie przetwornice impulsowe. Ten sam problem dotyka też krótkofalowców chcących pracować na falach długich. Ale jeśli da się ten sygnał "złapać", to regulowany nim zegar może osiągnąć dokładność nawet kilku milisekund na dobę.
Istnieją też zegary synchronizowane sygnałem nawigacji satelitarnej oraz zegary pobierające bieżący czas przez Internet z pomocą protokołu NTP. Te ostatnie, często budowane na ESP8266 albo Raspberry Pi, kilka lat temu spowodowały problemy z serwerami czasu należącymi do Google - wszystkie pobierały czas o tej samej porze z jednego adresu IP, co jest prostym przepisem na przypadkowy atak DDoS.
Na zakończenie
Zegary i zegarki to fascynujący dla mnie temat. Szczególnie ciekawym aspektem jest rozwój zegara mechanicznego: od prostego mechanizmu do regulacji klasztornego życia przez przedmiot luksusowy, narzędzie dla astronomów i nawigatorów, w końcu przedmiot codzienny, by na końcu znów stać się majstersztykiem mechaniki precyzyjnej. Z tego też powodu moim skrytym marzeniem jest wykonać zegar mechaniczny od zera.
Mam nadzieję, iż czytanie tego przydługiego elaboratu historycznego sprawiło Wam tyle przyjemności, co mi jego pisanie. Jak zawsze zapraszam do komentowania.
Na początku był kij
Już starożytni odkryli, iż cień rzucany przez różne rzeczy zmienia swoją długość i położenie zależnie od pory dnia. Najprostszym zegarem zatem stał się kij wbity w ziemię. W dzień, i to słoneczny, działa to dość dobrze. Do pomiaru krótszych odcinków czasu dość szybko zaczęto używać zegarów wodnych, czyli naczyń z otworkiem w dnie, z których woda powoli ciurkała. Archimedes w trzecim wieku przed naszą erą zbudował zegar wodny, który używał przekładni zębatych. A co z odmierzaniem długich odcinków czasu? To też nie jest trudne - wystarczy obserwować położenie gwiazd czy słońca o wschodzie lub zachodzie. Można je sobie zaznaczyć stawiając duże kamienie. Przykładem takiego kalendarza może być Stonehenge, choć w tej kwestii zdania archeologów są mocno podzielone.
Ciekawym kalkulatorem/kalendarzem jest mechanizm z Antykithery - kto by się spodziewał po starożytnych Grekach zdolności do budowy tak złożonych konstrukcji, które w Europie powstaną wiele wieków później. Imć Clickspring na YouTube pokazuje swoją rekonstrukcję tego mechanizmu oraz technik rzemieślniczych prawdopodobnie użytych do jego budowy, i wyjaśnia dokładnie, jak on działa.
Kolejnym krokiem w pomiarze czasu były świece ze skalą na boku. Świece spalają się z w miarę stałą prędkością. Niewątpliwą zaletą był fakt, iż działają także w nocy. Najstarsza o nich wzmianka pochodzi z poematu napisanego w Chinach w roku 525n.e. Jednak dopiero klepsydry dały ludziom powtarzalny i wygodny sposób na odmierzanie czasu.
Pierwszy zegar mechaniczny w Europie został zbudowany w 996 roku n.e. przez późniejszego papieża, Sylwestra II. Zegar ten, i wiele późniejszych, ulepszonych konstrukcji, był przeznaczony do odmierzania czasu w klasztorach, nie miał cyferblatu, a godziny "oddzwaniał". Angielskie słowo "clock" pochodzi od średniowiecznego łacińskiego słowa clocca oznaczającego dzwon. Te wczesne konstrukcje były zwykle zegarami wodnymi. Na przełomie XIII i XIV wieku wiele z tych konstrukcji zostało zaadaptowanych do używania ciężarów na linach bądź łańcuchach jako źródeł energii, z nieznanym mechanizmem (prawdopodobnie opartym o mechanizm poruszający dzwonami) zapewniającym regulację, regularny "chód". Wkrótce potem wynaleziony został i rozpowszechnił się wychwyt wrzecionowy. W nim koło koronowe o nieparzystej liczbie zębów zaczepia o dwie łopatki umocowane na pionowej osi - wrzecionie. Na osi znajduje się też poprzeczna belka - kolebnik z zawieszonymi ciężarkami. Wrzeciono z kolebnikiem wykonują cykliczne częściowe obroty w lewo i w prawo hamując i regulując ruch koła wychwytu. Zmiana odległości ciężarków od wrzeciona zmienia częstotliwość "kolebania". Nie jest to szczególnie precyzyjny mechanizm, pochłaniający przy tym dużo energii, ale był łatwy w wykonaniu.
Zegary astronomiczne i inne ulepszenia
Prawdziwym motorem rozwoju zegarów byli astronomowie. Su Song, chiński matematyk, w 1092 wynalazł w pełni mechaniczny zegar wodny z mechanizmem wychwytowym. Jego Kosmiczna Machina miała wysokość 10 metrów i poza odmierzaniem czasu pozwalała na wykonywanie złożonych obliczeń astronomicznych.
Richard z Wallingford w 1336 roku w St. Albans zbudował zegar wyposażony w astrolabium i wskaźnik pływów. Giovanni de Dondi zbudował swój zegar, nazwany Astrarium między rokiem 1348 a 1364 w Padwie. Zegar ten m.in. pokazywał pozycje Merkurego, Wenus, księżyca, Marsa, Jowisza, Saturna, zegar 24-godzinny, ruch gwiazd w ciągu doby, położenie Słońca względem gwiazd w ciągu roku, kalendarz wskazujący stałe i ruchome święta katolickie. Oba zegary już nie istnieją, ale zbudowano ich reprodukcje. Nie wiemy, jak dokładnie "chodziły", ale prawdopodobnie były regulowane codziennie.
W XV wieku pojawiły się zegary napędzane sprężyną, co pozwoliło na zmniejszenie ich rozmiarów. Również w tym czasie pojawiły się wskazówki minutowe, a później sekundowe. Prostsze zegary stołowe używały pojedynczej wskazówki godzinowej, ale na cyferblacie znajdowały się znaczniki kwadransowe między znacznikami godzinowymi. Droższe modele były bardzo ozdobne i potrafiły m.in. odgrywać melodie. W roku 1584 Jost Bürgi, renomowany szwajcarski zegarmistrz, wynalazł wychwyt krzyżowy, który był rozwinięciem wychwytu wrzecionowego. W tym wychwycie dwa wrzeciona sprzężone ze sobą kołami zębatymi poruszały się w przeciwnych kierunkach, każde z nich posiadało jedną paletkę wchodzącą w interakcję z kołem wychwytu. Wychwyt ten sprawił, iż zegary Bürgiego miały dokładność do jednej minuty na dzień - rzecz nieosiągalna przy wychwycie wrzecionowym.
Wahadło
Galileusz jako pierwszy wpadł na pomysł by użyć wahadła do odmierzania czasu i regulacji pracy zegara. Zauważył on bowiem, iż ciężar zawieszony na linie lub łańcuchu i wprawiony w ruch potrzebuje zawsze tyle samo czasu na wychylenie z jednej skrajnej pozycji do drugiej, niezależnie od tego, jak bardzo się wychyla. Odkrył to w kościele podczas mszy obserwując ruch kadzidła zawieszonego nad nawą. Galileusz zaprojektował pierwszy wychwyt wahadłowy w 1637 roku, lecz nigdy nie zbudował zegara, gdyż był już wtedy niewidomy. Christian Huygens w 1650 roku opracował matematyczną formułę do obliczania długości wahadła względem okresu jego ruchu. I tak wahadło sekundowe powinno mieć długość 99,4 cm. Robert Hooke w roku 1657 wynalazł wychwyt kotwicowy, który wyparł wychwyt wrzecionowy.
Wychwyt tego typu składa się z trzech elementów: koła wychwytu, ramienia wychwytu w kształcie odwróconej kotwicy i właściwego wahadła połączonego z ramieniem. "Kotwy" na obu końcach ramienia na zmianę wsuwają się między zęby koła wychwytu blokując jego ruch przy skrajnych położeniach wahadła. Moment uderzenia któregoś z zębów koła o koniec ramienia wychwytu odpowiada za tykanie zegara. Dodatkowo ruch ramienia nie zatrzymuje się od razu powodując cofnięcie się koła wychwytu. Gdy wahadło wraca ze skrajnej pozycji w stronę środka, krawędź zęba koła zsuwa się po krawędzi "kotwy". Krawędź ta jest ścięta pod takim kątem, by ruch zęba po niej dodawał energii wahadłu.
Główną zaletą wychwytu kotwicowego w stosunku do wrzecionowego czy krzyżowego było ograniczenie wychyłu wahadła do 3-6°, co zmniejszało ilość energii potrzebnej na podtrzymanie ruchu wahadła i pozwoliło stosować wahadła o większej długości. W efekcie doprowadziło to do powstania zegarów stojących z drewnianą skrzynią. Pierwszy taki zegar został zbudowany przez Williama Clemena w 1670 lub 1671 roku.
W roku 1675 powstał wychwyt Grahama, czyli ulepszenie podstawowego wychwytu kotwicowego. Wychwyt ten jako pierwszy zastosował Thomas Tompion wedle projektu Richarda Towneley'a. Następca Tompiona, George Graham spopularyzował ten wychwyt w swoich zegarach. W wychwycie Grahama oba ramiona są prawie takie same, a części hamujące koło są częścią obwodu koła, w które ramię można wpisać. Zęby koła są skierowane w stronę jego ruchu, czyli odwrotnie niż w rozwiązaniu Richarda Hooke'a. Również w przeciwieństwie do wychwytu kotwicowego ruch koła następuje wtedy, gdy wahadło jest w skrajnych pozycjach, a ustaje, gdy wahadło jest na środku. Koło też nigdy się nie cofa. Daje to większą dokładność zegara, ale wymaga większej precyzji wykonania. Wychwyt kotwicowy nawet po stu latach będzie działał prawidłowo. W optymalnych warunkach zapewnia on dokładność 5-10 sekund na tydzień, ale wynik na poziomie minuty do dwóch na tydzień jest bardziej typowy. Wychwyt Grahama zaś zapewnia dokładność nawet poniżej sekundy na tydzień, zużywając 25-50% energii zużywanej przez wychwyt kotwicowy, ale wszelkie niedokładności wykonania oraz zużycie z czasem zmienią go w wychwyt kotwicowy. Z tych powodów wychwyt Grahama stosowany był w droższych zegarach, podczas gdy tańsze używały wychwytu kotwicowego.
Balans i zegarki kieszonkowe
Musimy cofnąć się trochę w czasie do wychwytu wrzecionowego. Już w XV wieku podejmowano próby miniaturyzacji zegarów, na co pozwoliło dodanie sprężyny napędowej. Wtedy też belkę z ciężarkami w wychwycie wrzecionowym zastąpiono kołem, którego większość masy była na obwodzie. Moment inercji takiego koła jest większy, niż moment inercji belki z ciężarkami o tej samej masie całkowitej. Wychwyt wrzecionowy z kołem balansowym był zatem pewnym ulepszeniem, zwłaszcza że był mniej podatny na rozszerzalność termiczną metalu, co w standardowym wychwycie zmieniało częstotliwość oscylacji.
Pierwsze zegarki były masywnymi walcami z mosiądzu w rozmiarze przypominającym bardziej XX-wieczny budzik, z mechanizmem wykonanym ze stali lub żelaza. Z powodu swej wielkości były noszone albo przypięte do ubrania, albo na łańcuchu jako wisiory. Posiadały też tylko wskazówkę godzinową, ale w zamian mogły godziny wybijać lub/i mieć funkcję budzika. Bardziej zaokrąglone formy powstały w drugiej połowie XVI wieku i były nazywane norymberskimi jajkami.
W 1675 roku król Anglii Karol II zapoczątkował modę na kamizelki, a wraz z nimi pojawiły się zegarki kieszonkowe o mniejszej masie, zaokrąglonych kształtach, i wyposażone zarówno w szybkę chroniącą cyferblat, jak i w uszko i łańcuszek do przypięcia do guzika. W tym samym roku Huygens i Hooke dodali do koła balansu sprężynę włosową, która stabilizowała oscylacje. Thomas Tompion jako pierwszy zbudował zegarek kieszonkowy z tym rozwiązaniem, co pozwoliło mu też dodać wskazówkę minutową.
Wadą wychwytu wrzecionowego (i jego wariantów) poza dużym rozmiarem i nie największą dokładnością jest "ciężki chód" - elementy, zwłaszcza osie, zużywały się z powodu dużego tarcia i relatywnie dużej masy, zwłaszcza że nie stosowano wtedy kamieni szlachetnych do redukcji zużycia. Zegarki, który dotrwały do czasów współczesnych potrafią śpieszyć się o nawet godzinę na dzień. Na początku XVIII wieku Jean de Hautefeuille zaprojektował wychwyt cylindrowy, z którego korzystał jako pierwszy George Graham. W wychwycie tym zamiast wrzeciona z łopatkami i prostopadłego do niego koła koronowego znajduje się bardziej złożone koło wychwytu oraz cylinder metalowy z wycięciem, w które łopatki na kole się wsuwają. W jednej skrajnej pozycji łopatka znajduje się wewnątrz cylindra i nie może go opuścić. Gdy cylinder obróci się częściowo, czołowa krawędź łopatki ześlizgnie się po krawędzi cylindra przekazując mu energię, jednocześnie druga ścianka cylindra zablokuje drogę następnej łopatce, dopóki ten nie wróci z drugiej skrajnej pozycji, gdzie czoło łopatki znów prześlizgnie się po krawędzi cylindra dostarczając mu energii, by potem zatrzymać się w jego wnętrzu.
Wychwyt cylindrowy w połączeniu ze sprężyną włosową na kole balansu był dokładniejszy od wychwytu wrzecionowego, był też od niego mniejszy, a zwłaszcza bardziej płaski. Za to zużywał się dość szybko, zwłaszcza łopatki i krawędzie cylindra ulegały degradacji przez ciągłe tarcie.
Hooke wynalazł też w 1700 roku wychwyt typu duplex, w którym koło wychwytu posiada dwa zestawy zębów, bądź zestaw zębów i bolców. Dłuższe, wąskie zęby są blokowane przez walec na osi koła balansowego. Walec ten posiada nacięcie na tyle duże, by ząb mógł przeskoczyć do przodu, ale tylko wtedy gdy balans obraca się w przeciwną stronę, niż koło wychwytu. Zaraz po pokonaniu nacięcia krótszy ząb bądź bolec zaczepia o ramię na osi koła balansu dostarczając mu impuls energii. Koło wykonuje swój ruch do skrajnej pozycji, a potem obraca się w drugą stronę - w tym kierunku nacięcie nie pozwala na ruch wychwytu do przodu - to się lekko cofa, jak w wychwycie kotwicowym. Wychwyt ten oferował sporą dokładność, ale z powodu wymaganej precyzji wykonania stosowany był tylko w zegarkach wysokiej klasy w drugiej połowie XVIII wieku.
Mechanizmem wychwytu, który zdominował konstrukcje zegarków od drugiej połowy XVIII wieku aż do obecnych czasów stał się wychwyt szwajcarski, zwany też dźwigniowym. Wynalazł go w 1754 brytyjski zegarmistrz Thomas Mudge, ulepszony później przez Abrahama-Louisa Bregueta w 1787, do którego jeszcze wrócimy. Mechanizm był ulepszony też przez Petera Litherlanda w 1791 i George'a Savage'a na początku XIX wieku. Od początku XX wieku praktycznie wyparł inne rozwiązania z mechanicznych zegarków naręcznych czy kieszonkowych.
Mechanizm ten różni się od innych tym, że koło balansu pracuje prawie cały czas niezależnie od reszty zegarka, a interakcja z kołem wychwytu za pośrednictwem dźwigni wychwytu jest bardzo krótka. Geometria koła i dźwigni wychwytu sprawiają, iż ten mechanizm startuje sam, gdy tylko sprężyna zegarka zacznie go napędzać. Przez minimalną interakcję koła balansu z dźwignią oraz użycie kamieni szlachetnych w kluczowych miejscach mechanizm ten jest bardzo dokładny i trwały.
Sposób pracy wychwytu szwajcarskiego przypomina trochę pracę wychwytu zapadkowego - koło wychwytu przez większość czasu jest zablokowane przez jedną z dwóch paletek, zwykle wyciętych ze sztucznego rubinu. Paletki są na końcach dźwigni w kształcie przypominającym literę T. Na końcu dłuższego ramienia znajduje się rozwidlenie, które wchodzi w interakcję z kołem balansu za sprawą bolca, który też jest wykonany ze sztucznego rubinu. Ruch dźwigni ograniczają dwa metalowe bolce blisko jej dłuższego końca. Koło balansu przechodząc z pozycji skrajnej do środkowej zaczepia bolcem o jedno z ramion rozwidlenia. To powoduje, iż kamień paletki zsuwa się z zęba koła wychwytu. Krawędź zęba ześlizgując się po ściętej krawędzi paletki przekazuje impuls energii do dźwigni, widełki na jej końcu dostarczają ją do koła balansu przez zderzenie z bolcem. Dźwignia osiąga drugą, skrajną pozycję i blokuje ponownie koło wychwytu. Cały cykl powtarza się, gdy koło balansu wraca do pozycji środkowej, a jego bolec uderza o widełki dźwigni wychwytu.

Abraham-Louis Breguet stworzył też dwie inne, istotne innowacje: mechanizm samonakręcający zegarek w trakcie noszenia oraz tourbillon, czyli ulepszenie wychwytu dźwigniowego mające wyeliminować wpływ grawitacji na wychwyt. Tourbillon, czyli z francuskiego "trąba powietrzna" to prosta modyfikacja wychwytu dźwigniowego, w którym cały mechanizm wychwytu zamontowany jest w obrotowej klatce współosiowo z kołem balansu. Napęd jest przekazywany na zębatkę klatki, a ruch regulowany jest przez koło wychwytu, którego zębatka zaczepia o stacjonarne koło zębate. Dzięki temu cały mechanizm wychwytu wykonuje pełny obrót, co sprawia, iż pole grawitacyjne Ziemi w ciągu pełnego obrotu mechanizmu przyciąga koło balansu z każdej strony, co równoważy jego wpływ. Co ciekawe, jeśli koło balansu byłoby ustawione poziomo, tourbillon byłby zbędny.
Chronometry
Ważnym impulsem do rozwoju mechanizmów zegarowych były eksploracja, kolonizacja i handel morski. W celu dokładnej nawigacji, zwłaszcza do obliczania długości geograficznej, potrzebny jest zegar zapewniający dokładność przynajmniej 10 sekund na dzień. W warunkach morskich zegary wahadłowe są kompletnie bezużyteczne. Problem był na tyle poważny, że w 1714 roku rząd brytyjski ogłosił nagrodę w wysokości 20 tysięcy funtów każdemu, komu uda się dokładnie określić długość geograficzną. John Harrison, który poświęcił swoje życie na poprawę dokładności swoich zegarów, otrzymał później znaczne sumy pieniędzy na mocy Ustawy o Długości Geograficznej.
Harrison zbudował swój pierwszy chronometr w 1735 roku, ulepszając go przez kolejne trzydzieści lat. Wprowadził takie ulepszenia jak: łożyska, cięższe i wyważone koło balansu by było odporniejsze na przechył statku, czy użycie dwóch różnych metali w sprężynie balansu, by zredukować wpływ temperatury. W 1761 chronometr został przetestowany przez syna Harrisona - po 10 tygodniach zegar miał błąd poniżej 5 sekund. Chronometry z rozwiązaniami Harrisona były stosowane do nawigacji aż do powstania zegarów elektronicznych.
W 1748 we Francji Pierre Le Roy wynalazł wychwyt zapadkowy, używany w chronometrach mechanicznych aż do dzisiaj. W tym mechanizmie koło wychwytu jest blokowane niewielką zapadką zamocowaną na płaskiej sprężynie. Na osi balansu znajdują się dwa ścięte zęby. Jeden z nich odsuwa zapadkę odblokowując koło wychwytu, wtedy jeden z zębów koła przekazuje energię drugiemu zębowi na osi balansu. Zapadka wraca na swoje miejsce blokując koło wychwytu. Koło balansu kończy ruch do przodu, w czasie ruchu powrotnego ząb impulsowy omija wychwyt, a ząb zapadkowy prześlizguje się po niej. W połączeniu ze skompensowaną termicznie sprężyną balansu i dobrym wyważeniem mechanizm ten zapewnia największą dokładność pośród zegarków mechanicznych.
Zegary elektromechaniczne i elektroniczne
Do XIX wieku wszystkie kluczowe ulepszenia zegarów mechanicznych zostały wynalezione i zaimplementowane. Stulecie to upłynęło pod znakiem ulepszeń procesu produkcji i jego mechanizacji. Powiązane to było z zapotrzebowaniem na tanie czasomierze dla zwykłych mieszkańców, czy budziki dla pracowników fabrycznych. Nie bez znaczenia też był wpływ kolei, której rozkłady jazdy były rozpisane według czasu stacji początkowej i nie uwzględniały czasu lokalnego, ustawianego wedle położenia Słońca. W 1816 roku Eli Terry wraz z innymi zegarmistrzami z Connecticut zapoczątkował produkcję zegarków z wymiennymi częściami - wcześniej każdy zegarek był wykonywany indywidualnie od początku do końca przez zegarmistrza. Standaryzacja samego mechanizmu pozwalała na podział pracy na oddzielne etapy: wycinanie poszczególnych kół zębatych i elementów nośnych mechanizmu, nawijanie sprężyn, wyważanie kół balansu, wykonywanie korpusów i montaż całości. Szczególnie produkcja kół zębatych za pomocą ulepszonych, precyzyjnych maszyn upraszczała proces produkcyjny całego zegarka - dokładne ustalanie położenia każdej osi koła zębatego, by zęby obu sąsiednich kół zaczepiały o siebie na tyle, by minimalizować luzy, ale nie na tyle, by się blokować, było wielką oszczędnością czasu - proces ten trzeba wykonać raz, dla prototypu, a potem rozstaw otworów przenieść na wzornik do masowej produkcji.
Pierwszy zegar elektryczny zbudował Sir Francis Ronalds w 1814 roku. Zasilał go wysokonapięciowymi "suchymi stosami" Volty. Zegar działał sprawnie, ale stosy były wrażliwe na warunki atmosferyczne. W 1815 Giuseppe Zamboni ulepszył stos i zbudował zegar tak wydajny elektrycznie, iż pomimo ograniczeń stosu mógł pracować przez 50 lat. Stos Zamboniego potrafi mieć napięcie liczone w tysiącach woltów, ale prąd jest ograniczony do skali nanoamperowej. Z tego powodu zegary te mają bardzo lekkie mechanizmy.
W 1840 Alexander Bain, szkocki zegarmistrz i konstruktor instrumentów, zbudował i opatentował zegar o napędzie elektrycznym. Na początku 1841 wraz z budowniczym chronometrów Johnem Barwisem opatentował zegar, w którym za cały napęd odpowiada wahadło, które jest rozpędzane elektromagnesem. Matthäus Hipp, niemiecki zegarmistrz w 1843 roku, zaprezentował specjalny przełącznik sprzężony z wahadłem lub kołem balansu. Przełącznik Hippa załączał na krótko elektromagnes dostarczający energii do wahadła lub koła balansu gdy oscylacje były za niskie. Rozwiązanie Hippa było tak wydajne, że stosowano je przez ponad sto lat. Ba, dobrze zaprojektowany zegar systemu Hippa, w hermetycznej obudowie i z wahadłem skompensowanym termicznie oferował niewiarygodnie dużą dokładność. Zegar można było trzymać w próżni, co przy ograniczonej powierzchni kontaktu elementów montażowych z obudową jeszcze bardziej poprawiało stabilność temperaturową zegara. Co więcej, zegar taki może generować impulsy synchronizacyjne dla zegarów podległych, które już nie wymagały trzymania w hermetycznych obudowach próżniowych. Prostsze systemy zegarów centralnych i zegarów podległych używały silników synchronicznych - zegar główny generował energię z użyciem prądnicy synchronicznej, zaś zegary podległe używały silników synchronicznych do napędu wskazówek.
W roku 1918 Henry Ellis Warren wykonał pierwszy zegar synchronizowany do sieci elektrycznej. Zegar ten używał sieci elektrycznej jako źródła podstawy czasu. Seryjne modele pojawiły się w handlu dopiero w 1931 roku, i o ile w ciągu doby zegar taki zwalniał bądź przyspieszał zależnie od obciążenia sieci elektrycznej, to dokładność z doby na dobę była dość wysoka. Oczywiście, zależało to od samej sieci elektrycznej, i w jednych regionach zegary te działały lepiej, a w innych gorzej.
Pierwszym naręcznym zegarkiem elektrycznym był Hamilton Electric 500 z 1957 roku wyprodukowany przez amerykańską firmę Hamilton Watch Company. W zegarku tym zamiast sprężyny napędowej znajdowała się zminiaturyzowana bateria. Koło balansu posiada zamontowany z jednej strony elektromagnes, w płytce nośnej zaś znajdują się dwa magnesy stałe. Za każdym razem, gdy elektromagnes znajdzie się między magnesami, metalowy kontakt styka się ze sprężynującym drutem zasilającym elektromagnes, przez co niewielki prąd płynie do niego z baterii. Inaczej pisząc jest to rozwiązanie w stylu Hippa.
Firma Bulova rozpoczęła w październiku 1960 roku sprzedaż rewolucyjnego jak na owe czasy zegarka o nazwie Accutron. W miejscu koła balansu i dźwigni balansu znajduje się duży, metalowy kamerton. Z jednej strony posiada on niewielki wypust, którego koniec opiera się o ząb koła wychwytu. Obok znajduje się niewielka zapadka, która zapobiega cofaniu się koła, gdy wypust się cofa i ześlizguje z zęba, by zaczepić o następny. Kamerton zestrojony jest na częstotliwość 360 Hz. W górnej części zegarka końce kamertonu obejmują dwa karkasy z cewkami. Schemat elektryczny wygląda następująco:

Cewki D1 i D2 to cewki napędowe. Na jednym z karkasów nawinięta też jest cewka F1, sprzężenia zwrotnego. Prąd płynie od bieguna dodatniego przez emiter tranzystora PNP, część prądu popłynie do bazy i dalej przez rezystor zbocznikowany kondensatorem do cewki F1. Większość jednak trafi przez kolektor tranzystora do obu cewek napędowych. To wzbudza oscylację kamertonu i powoduje powstanie impulsu prądowego w cewce F1, który to impuls zatyka tranzystor wyłączając zasilanie w cewkach napędowych. Kondensator oznaczony gwiazdką był stosowany we wczesnych modelach jako dodatkowy filtr. Accutron miał gwarantowaną dokładność 1 minuty na miesiąc, albo dwóch sekund na dzień - więcej, niż mogły zaoferować zegarki mechaniczne. Jednocześnie był dość tani w produkcji, co przyczyniło się do jego popularności. Ale jedna seria, Spaceview, jest obecnie bardzo poszukiwana przez kolekcjonerów. W tych zegarkach nie ma cyferblatu, a wszelkie oznaczenia są na akrylowej szybce - za to widać dokładnie kamerton, cewki i elementy elektroniczne. Doprowadziło to do sytuacji, w której tańsze, tradycyjne modele są skupywane i przerabiane na modele Spaceview.
Kwarc
O kwarcu jest osobny artykuł, do którego czytania zapraszam. William Eccles iw 1919 roku zbudował obwód, który podtrzymywał elektrycznie drgania kamertonu generując stabilną częstotliwość. W 1921 roku Walter G. Cady zbudował pierwszy oscylator kwarcowy. W 1923 roku David W. Dye w Narodowym Laboratorium Fizycznym w Wielkiej Brytanii oraz Warren A. Marrison w Laboratorium Bell użył oscylatorów kwarcowych do generowania precyzyjnych sygnałów czasowych. W październiku 1927 roku Marrison oraz Joseph W. Horton w tym samym laboratorium zbudowali pierwszy zegar kwarcowy. W zegarze tym blok kwarcu był wzbudzany do drgań z częstotliwością 50 kHz, impulsy te sterowały generatorem niższej częstotliwości, która to napędzała silnik synchroniczny mechanizmu zegarowego.
Przez następne trzy dekady zegary kwarcowe nie opuszczały laboratoriów - były zbyt duże, zbyt skomplikowane i zbyt prądożerne. Dopiero w latach 60tych udało się zintegrować elektronikę na tyle, by zegary kwarcowe na rynek konsumencki miały sens. I tak pierwszym przenośnym zegarem, który odniósł sukces, był Seiko Crystal Chronometer QC-951. Użyty był jako chronometr zapasowy w czasie biegów maratonowych na Letnich Igrzyskach Olimpijskich w Tokio w 1964 roku. Pierwszym zegarem kwarcowym dostępnym na rynku europejskim był Astrochron z 1967 roku. Wtedy też Centre Electronique Horloger (CEH) i Seiko przedstawiły swoje prototypy kwarcowych zegarków naręcznych. Seiko wyprzedziło o prawie rok konkurencję ze Szwajcarii prezentując Seiko-Quartz Astron 35SQ w grudniu 1969 roku. Astron używał oscylatora o niezwykle niskiej częstotliwości 8192 Hz. Oscylator ten współpracował z hybrydowym układem scalonym, który z kolei sterował miniaturowym silnikiem krokowym napędzającym mechanizm. Astron zapewniał dokładność ±0,2 s na dzień, albo ±5 s na miesiąc - dziesięciokrotnie większą, niż accutron Bulovy. Szwajcarski mechanizm Beta 21 trafił na rynek w 1970 roku i był używany przez takie firmy jak Patek, Omega czy Rolex.
Hamilton na wiosnę 1972 roku wypuścił pierwszy na świecie całkowicie elektroniczny zegarek naręczny - Pulsar. Co ciekawe, radzieckie zakłady produkcyjne Pulsar w podobnym czasie wypuściły podobny zegarek - Elektronika 1. Oba zegarki używały zintegrowanych obwodów scalonych, kwarcowych oscylatorów oraz siedmiosegmentowych wyświetlaczy LED. Wyświetlacze były sporym problemem, gdyż pobierały dużo prądu - dlatego zegarki LEDowe wyświetlały czas i datę po naciśnięciu przycisku tylko przez kilka sekund. Z tego też powodu zegarki tego typu istniały na rynku dość krótko. Wyparły je bowiem zegarki z ekranami LCD. Jednym z pierwszych był Seiko 06LC z 1973 roku. Wyświetlacz ciekłokrystaliczny pobiera tak mało energii, że zegarek mógł cały czas wyświetlać godzinę. Niestety, większość wczesnych modeli już nie wyświetla czasu - ciekłe kryształy nie były zbyt stabilne.
Skutkiem ubocznym powstania takich zegarków, jak Astron, Pulsar czy Seiko 06LC był tzw. "kryzys kwarcowy". Kryzys ten spowodował drastyczny spadek produkcji zegarków mechanicznych i schyłek zegarmistrzostwa jako takiego. Zegarki mechaniczne w 1982 roku stanowiły już mniejszość na rynku. W 1970 w Szwajcarii było 1600 zegarmistrzów, w 1983, gdy kryzys kwarcowy osiągnął szczyt, było ich już tylko 600. W marcu 1983 roku dwie największe grupy procentów zegarków: ASUAG (Allgemeine Schweizerische Uhrenindustrie AG) oraz SSIH (Société Suisse pour l'Industrie Horlogère) połączyły się, by ratować przemysł zegarkowy w Szwajcarii. Ich rozwiązanie było proste: budować tanie, łatwe w produkcji zegarki używając zautomatyzowanych linii, i zalać nimi rynek. Poza swoją marką, Swatch, nowa grupa przejęła też inne marki zegarków, pod którymi sprzedawali najróżniejsze modele. W 1998 roku przyjęli nazwę Swatch Group i stali się największym producentem zegarków na świecie.
Rynek zegarków dość szybko podzielił się na dwa oddzielne rynki: tanich, masowo produkowanych zegarków cyfrowych i kwarcowych z tarczą, oraz rynek drogich, mechanicznych cacek, przedmiotów luksusowych łączących w sobie zarówno wyrafinowanie samego mechanizmu, jak i wręcz biżuteryjne wykonanie korpusu i cyferblatów. Te pierwsze zegarki zostały wyparte w latach dwutysięcznych przez rozpowszechnienie się najpierw telefonów komórkowych, a potem smartfonów, a potem i smartwatchy. W świecie zegarków luksusowych zaś pojawiło się kilka ciekawych rozwiązań, jak użycie krzemu do budowy wysoce stabilnego elementu drgającego, który zastępuje koło balansu w mechanizmie wychwytu. Programy CAD oraz maszyny CNC pozwoliły też na budowę niezwykle rozbudowanych mechanizmów składających się z setek części, z licznymi "komplikacjami", a dodatkowo wciąż składanych ręcznie. I tak Patek Philippe Grand Master Chime ref. 5175 zawiera 1366 ruchowych elementów w mechanizmie i 20 komplikacji, czyli funkcji, które robią wrażenie, ale niewielu ludzi z nich skorzysta. Dodajmy do tego wybijanie godzin, kwadransów, minut, daty i godziny alarmu. Gdy pierwszy raz zobaczyłem film o tym zegarku, szczękę z podłogi zbierałem.
Atom i radio
Lord Kelvin już w 1879 roku przedstawił teoretyczne podstawy budowy zegara atomowego. Ale dopiero w latach 30stych XX wieku dopracowanie atomowego rezonansu magnetycznego pozwoliło na praktyczną realizację takiego zegara. W 1949 roku w Narodowym Biurze Standardów w USA zbudowano maser amoniakowy. Maser używa mikrofal do wzbudzania atomów w komorze rezonansowej, co wytwarza cykliczne drgania. Maser NBS był mniej dokładny w odmierzaniu czasu od istniejących zegarów kwarcowych, ale zademonstrował praktyczne możliwości realizacji zegara atomowego. Louis Essen w 1955 roku zbudował zegar atomowy używający cezu 133 w Narodowym Laboratorium Fizycznym w UK.
Zegary atomowe na bazie rubidu są od lat używane w sieciach telefonii komórkowej jako standardy czasu i częstotliwości do synchronizacji i stabilizacji pracy wież transmisyjnych. Cezowe zegary atomowe są używane w laboratoriach i jako wzorce w systemach transmisji czasu drogą radiową, oraz w satelitach GPS. Najdokładniejsze zegary iterbowe przez lata były wzorcami do kalibracji pozostałych typów. W 2004 roku stworzono pierwszy zegar atomowy w mikroskali, miał wielkość ziarnka ryżu. Firma Microsemi jako jedyna produkuje scalone zegary atomowe SA.45s, w cenie tylko 1500 dolarów od sztuki, czyli niecałe 7500 złotych wg. bieżącego kursu.
Przesyłanie sygnałów czasu drogą radiową zaczęło się już w 1905 roku przez dedykowane stacje nadawcze. W 1922 roku radio BBC zaczęło dodawać sygnał czasu w formie serii pisków do swojego programu - praktyka spopularyzowana na całym świecie. Pierwsze zegary synchronizujące się automatycznie do dedykowanych stacji nadających bieżący czas w formie cyfrowej pojawiły się w latach 80tych. Ponieważ częstotliwości nadawania tych sygnałów i sposób kodowania różnią się znacznie między różnymi krajami, większość zegarów może synchronizować się tylko w ich zasięgu. Są też zegary i zegarki zdolne odbierać kilka różnych standardów, ale są droższe. W Polsce najłatwiej dostępnym sygnałem jest nadawany spod Frankfurtu sygnał DCF77 na częstotliwości 77,5 kHz. Sygnał ten, jak wszystkie dedykowane sygnały czasu, jest kontrolowany przez zegar atomowy. Ponadto ponoć częstotliwość nośna Pierwszego Programu Polskiego Radia na na falach długich, czyli 225 kHz również jest stabilizowana zegarem atomowym, i można jej używać do regulowania pracy zegarów kwarcowych.
Wielką wadą sygnału DCF77 są problemy z jego odbiorem wywołane przez wszędobylskie przetwornice impulsowe. Ten sam problem dotyka też krótkofalowców chcących pracować na falach długich. Ale jeśli da się ten sygnał "złapać", to regulowany nim zegar może osiągnąć dokładność nawet kilku milisekund na dobę.
Istnieją też zegary synchronizowane sygnałem nawigacji satelitarnej oraz zegary pobierające bieżący czas przez Internet z pomocą protokołu NTP. Te ostatnie, często budowane na ESP8266 albo Raspberry Pi, kilka lat temu spowodowały problemy z serwerami czasu należącymi do Google - wszystkie pobierały czas o tej samej porze z jednego adresu IP, co jest prostym przepisem na przypadkowy atak DDoS.
Na zakończenie
Zegary i zegarki to fascynujący dla mnie temat. Szczególnie ciekawym aspektem jest rozwój zegara mechanicznego: od prostego mechanizmu do regulacji klasztornego życia przez przedmiot luksusowy, narzędzie dla astronomów i nawigatorów, w końcu przedmiot codzienny, by na końcu znów stać się majstersztykiem mechaniki precyzyjnej. Z tego też powodu moim skrytym marzeniem jest wykonać zegar mechaniczny od zera.
Mam nadzieję, iż czytanie tego przydługiego elaboratu historycznego sprawiło Wam tyle przyjemności, co mi jego pisanie. Jak zawsze zapraszam do komentowania.
Fajne? Ranking DIY






