zegar
 
Encyklopedia PWN
zegar
[niem.],
przyrząd do wyznaczania czasu.
Działanie zegara jest oparte na zjawiskach okresowych (obrót Ziemi dookoła Słońca i dookoła własnej osi, ruchy pulsarów, ruch wahadła fizycznego i drgający) lub na zjawiskach nieokresowych, opisanych określonym prawem (połowiczny okres rozpadu pierwiastków promieniotwórczych, wypływ cieczy z naczynia). Zjawiska nieokresowe są obecnie wykorzystywane w rachubie czasu tylko do specjalnych celów (np. datowanie odległych w czasie zdarzeń na podstawie przebiegu rozpadu pierwiastków promieniotwórczych), a także w starego typu czasomierzach (np. klepsydrach). Budowa większości współczesnych zegarów jest oparta na zjawiskach okresowych. Zegary takie składają się z następujących zasadniczych części: oscylatora, tj. elementu wytwarzającego przebieg okresowy („generującego” powtarzające się zdarzenia, tj. własną skalę czasu), układu przetwarzającego informację o liczbie okresów na wskazanie, układu nastawczego oraz układu zasilającego (źródła energii). Oscylatory konstruowane przez człowieka to głównie: wahadło fizyczne, koło zamachowe ze sprężyną (balans), kryształ kwarcu wprawiony w ruch drgający (oscylator kwarcowy); oscylatory naturalne to atomy i cząsteczki oraz ciała niebieskie. W zależności od rodzaju oscylatora dzieli się zegary odpowiednio na mechaniczne (wahadłowe i balansowe), kwarcowe, atomowe i astronomiczne. Cechą charakterystyczną każdego zegara jest stałość lub niedokładność jego chodu, określona wielkością fluktuacji wskazań czasu w określonym przedziale czasu.
W zegarach wahadłowych wykorzystuje się ruch harmoniczny wahadła, a źródłem napędu jest siła ciężkości (opadanie obciążnika) lub siła sprężystości (naciągana sprężyna). W zegarach balansowych wykorzystuje się izochroniczne drgania balansu; balans ma np. postać pierścienia (osadzonego na wałku), mogącego się obracać dookoła osi, przechodzącej przez jego środek ciężkości, i wykonującego wokół tej osi obrotowy ruch drgający pod działaniem przymocowanej do wałka sprężyny (tzw. włosa). Stałość chodu zegarów mechanicznych zależy od warunków zewnętrznych (temperatury, ciśnienia) oraz zużywania się części zegara i zwykle jest rzędu kilku sekund na dobę. Zegary te są ostatnio zastępowane różnego rodzaju zegarami kwarcowymi.
W zegarach kwarcowych oscylatorem jest kryształ kwarcu pobudzany do drgań przykładanym do jego ścian okresowo zmiennym napięciem (piezoelektryczność); drgania te są podtrzymywane za pomocą układów elektronicznych, np. układu generatora samowzbudnego tak skonstruowanego, że płytka kwarcu stanowi jego główną część i spełnia funkcję stabilizatora drgań samowzbudnych. Zegary kwarcowe są zwykle zasilane ze źródeł elektrochemicznych (baterie, ogniwa). Drgania mechaniczne kwarcu przebiegają z bardzo małymi stratami energii; okres drgań, w porównaniu z oscylatorami mechanicznymi, w małym stopniu zależy od temperatury i in. czynników zewnętrznych, w większym stopniu — od obróbki płytki kwarcowej i jej starzenia się. Stałość chodu zegarów kwarcowych wynosi dla zegarów naręcznych co najmniej 10–3 s na dobę, a dla zegarów laboratoryjnych 10–3–10–5 s na dobę. Zegary kwarcowe są stosowane jako zegary i zegarki powszechnego użytku, a także jako elementy przyrządów nawigacyjnych, lokacyjnych i in.
W zegarach atomowych wykorzystuje się zjawisko absorpcji lub emisji promieniowania elektromagnetycznego przez cząstki (atomy, cząsteczki) podczas ich przejścia z jednego stanu energetycznego do drugiego; dla danej cząstki częstotliwość promieniowania odpowiadająca określonemu przejściu jest niezmienna w czasie i zwykle w bardzo małym stopniu zależy od warunków zewnętrznych. Umożliwia to konstruowanie identycznych egzemplarzy danego zegara atomowego (co nie jest możliwe w przypadku innych zegarów), odznaczających się ponadto dużą stałością chodu. Z tego względu zegary atomowe zostały uznane za najdokładniejsze wzorce czasu i częstotliwości. Obecnie stosowane wzorce atomowe to głównie: wzorce cezowe (laboratoryjne i przenośne, o małych i bardzo małych rozmiarach), wykorzystujące właściwości atomu izotopu cezu 133Cs; przenośny wzorzec rubidowy, w którym zastosowano atomy izotopu rubidu 87Rb; wodorowy maser typu laboratoryjnego i przenośny. Wzorce cezowe pracują na zasadzie stabilizacji częstotliwości oscylatora (zwykle kwarcowego) względem częstotliwości 9 192 631 770 Hz, odpowiadającej przejściu F3,0F4,0 między poziomami energetycznymi atomu izotopu cezu 133Cs. W urządzeniu zwanym spektrometrem odbywa się wzbudzanie atomów za pomocą pola elektromagnetycznego o tej właśnie częstotliwości. W warunkach wysokiej próżni uformowane w wiązki atomy cezu są najpierw ujednolicane pod względem stanów energetycznych, a następnie poddawane w obszarze rezonatora mikrofalowego działaniu pola elektromagnetycznego; liczbę wzbudzonych atomów mierzy urządzenie detekcyjne; jest ona tym większa, im częstotliwość pola jest bliższa częstotliwości przejścia energetycznego atomów i osiąga wartość maksymalną, kiedy te częstotliwości stają się sobie równe (zachodzi wówczas rezonans). Sygnał z detektora dostarcza więc informacji o częstotliwości wzbudzającego sygnału elektromagnetycznego i jest wykorzystywany do „dostrajania” drgań rezonatora do częstotliwości rezonansowej. Stałość chodu laboratoryjnego zegara cezowego wynosi ok. 2 · 10–9 s na dobę. Stanowi on wzorzec, na podstawie którego zdefiniowano czas atomowy międzynarodowy (TAI) i podstawową jednostkę czasu — sekundę. Zegary atomowe ze względu na ich zastosowanie w metrologii czasu i częstotliwości stały się istotnym czynnikiem rozwoju wielu dziedzin nauki i techniki. Przenośne wzorce cezowe, produkowane seryjnie przez kilka firm na świecie, odznaczają się stałością chodu ok. 2 · 10–7 s na dobę. Ostatnio są prowadzone intensywne badania nad właściwościami kilkudziesięciu atomów i cząsteczek, które mogą być wykorzystywane do budowy wzorców czasu i częstotliwości pracujących w różnych zakresach widma promieniowania elektromagnetycznego.
Współczesne zegary używane w codziennym życiu mają bardzo rozbudowaną część wskazującą i podają godziny, minuty i sekundy, a także dane kalendarzowe. Pod względem wskazań rozróżnia się zegary analogowe (tarcza z naniesionymi na nią wskazami i ze wskazówką) i cyfrowe (ze wskaźnikami najczęściej z diod świecących lub ciekłych kryształów). Rozróżnia się też zegary samodzielne, tzn. mające własny, niezależny układ oscylacyjny (własny takt), oraz zegary zależne, wykorzystujące obcy układ oscylacyjny (np. zegary sterowane sygnałami elektrycznymi z centralnego zegara-matki lub z sieci elektroenergetycznej). Wszystkie zegary w danej strefie geograficznej (i ewentualnie w danym sezonie) powinny być ze sobą zsynchronizowane; do tego celu służą podawane przez radio sygnały czasu. Ostatnio pojawiły się kwarcowe zegary naręczne synchronizowane drogą radiową z odległych radiostacji, nadających zakodowane sygnały czasu.
Zegary są też wykorzystywane w urządzeniach napędzających elementy przyrządów, których działanie jest związane z upływem czasu, m.in. programatorów, rejestratorów, sygnalizatorów, wyłączników automatycznych; zegary atomowe znalazły liczne zastosowania, m.in. w telekomunikacji (np. w systemie GPS), technice wojskowej (rakietowe pociski kierowane).
Najstarszymi zegarami były znane od starożytności zegary słoneczne (gnomony), wskazujące czas za pomocą cienia rzucanego przez nieruchomą wskazówkę na powierzchnię tarczy z podziałką godzinową; w średniowieczu konstruowano zegary słoneczne przenośne oraz monumentalne, często zdobione. W starożytnej Grecji, Egipcie, Babilonii i Rzymie były używane piaskowe i wodne klepsydry. W starożytności oraz w średniowieczu używano również tzw. zegarów ogniowych w postaci świec i lampek oliwnych (miarą czasu był opadający w zbiorniku poziom oliwy). Za wynalazcę zegara mechanicznego jest uważany uczony chiński Liang Lingzan (724), a według innych źródeł — Gerbert z Aurillac, francuski astronom i matematyk (od 999 papież Sylwester II). Wczesne zegary mechaniczne były zegarami wieżowymi; wybijały godziny i miały tylko jedną wskazówkę — godzinową. W Polsce pierwsze zegary mechaniczne (wskazujące i wybijające godziny) miały miasta: Wrocław (1368), Gniezno (1414), a nieco później Gdańsk, Kraków i Warszawa. Zegary mechaniczne noszone zaczął konstruować ok. 1510 w Norymberdze P. Henlein (według innych źródeł ok. 1518 Francuz J. Couldray). W XVI–XVIII w. popularne były tzw. pektoraliki, noszone na szyi lub u pasa, mające różne kształty (np. czaszki, krzyża, muszli); były one często arcydziełami sztuki złotniczej. Pojawiły się też wówczas kafelkowe zegary stołowe z poziomą tarczą oraz zegary stojące (głównie we Francji, Anglii, Niemczech). Dla rokoka typowy był ozdobny zegar ścienny, tzw. cartel, dla klasycyzmu — zegary kominkowe, które przybierały formy budowli i alegorycznych kompozycji figuralnych. W 1657 holenderski astronom Ch. Huygens zbudował zegar wahadłowy, a 1675 wynalazł regulator balansowy (niezależnie od Huygensa regulator balansowy skonstruował Polak A.A. Kochański). Około 1735 Anglik J. Harrison skonstruował chronometr okrętowy. W 1839 A.N. Patek (wraz z F. Czapkiem) założyli w Genewie niewielką wytwórnię zegarków, a 1845 razem z A. Philippem (wynalazcą naciągu główkowego) rozwinął masową produkcję zegarków kieszonkowych, potem naręcznych (do dziś istnieje firma pod nazwą Patek–Philippe). Pierwsze zegary z napędem elektrycznym skonstruowali niezależnie od siebie K.A. Steinheil (1839), A. Bain (1840) i zegarmistrz szwajcarski M. Hipp (1860). Zegarki naręczne pojawiły się pod koniec I wojny światowej. Zegar kwarcowy wynalazł 1929 Anglik W.A. Marrison. W 1952 rozpoczęto produkcję elektrycznych zegarków naręcznych, a w latach 60. — elektronicznych (kwarcowych) zegarków naręcznych ze wskaźnikiem cyfrowym. Zegar atomowy (oscylator kwarcowy o częstotliwości stabilizowanej względem częstotliwości 23 870 MHz, odpowiadającej przejściu energetycznemu w cząsteczce amoniaku) skonstruował 1948–49 H. Lyons w National Bureau of Standards (USA); eksperymentalny atomowy zegar cezowy zbudowali 1948–52 tamże Lyons i J. Sherwood, a pierwszy komercyjny atomowy wzorzec częstotliwości i czasu wyprodukowano 1956 w National Company Atomichron (USA); prace nad maserem wodorowym przeprowadzili 1960 N.F. Ramsay, M. Goldenberg i D. Kleppner (USA). Pierwszą eksperymentalną fontannę cezową skonstruowano na początku lat 90. XX w. we Francji.
Ilustracje
Zegar słoneczny na fasadzie pałacu w Wilanowie, 1686 fot. M. Zieliński/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Zegarek kieszonkowy firmy Patek-Philippe, 1860–65 — Muzeum Narodowe, Warszawa fot. T. Żółtowska-Huszcza/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia