ZEGARY

CZAS Pojęcie czasu narodziło się zapewne jeszcze w czasach

prehistorycznych. Ludzie musieli znać najdogodniejsze pory do

łowiectwa i rybołówstwa, a potem, gdy przeszli do życia

osiadłego – pory siewu i zbioru. Pomiar czasu potrzebny im był

do zaopatrzenia się w zasoby żywnościowe.

ZEGAR to przyrząd służący do mierzenia czasu. W starożytności

używano głównie zegarów słonecznych i klepsydr

piaskowych lub wodnych. Stosowano również zegary

ogniowe, które mierzyły czas długością spalającego się

knota lub ilością wypalonej oliwy.

GNOMON Gnomon (wskazówka zegara słonecznego) – jest to

jeden z najstarszych i najprostszych przyrządów

astronomicznych. Jest to najczęściej odpowiednio

osadzony pręt (kolumna, pionowy słup lub kijek wbity

w ziemię), którego cień wskazuje położenie Słońca.

Długość i kierunek cienia gnomonu wyznaczają

wysokość i azymut słońca.

Gnomony budowano w cywilizacjach starożytnego

Wschodu (Egipcie, Mezopotamii, Chinach, Indiach),

od ok. 3 tys. lat p.n.e. Wznoszone na placach

publicznych, stanowiły prawzór zegarów publicznych.

Dzień w lecie i noc w zimie miały dłuższe godziny.

Godziny nie były zatem stałymi jednostkami

czasowymi.

Podziały doby na 8, 12, 24 godziny.

Z czasem zastąpiono pionowy pręt gnomonu

wskazówką równoległą do osi Ziemi.

Namibia (4000 r.p.n.e)

ZEGAR SŁONECZNY…

Pojawia się 3000 roku p.n.e. w cywilizacjach dalekiego Wschodu,

Zegar wyskalowany w godzinach, określający czas na

podstawie pozycji słońca, przez wskazanie kierunku, z którego pada światło

Wskazówka stacjonarnego zegara słonecznego na półkuli północnej jest wymierzona w Gwiazdę Polarną, z tego powodu pod różnymi szerokościami

geograficznymi tworzy różny kąt w stosunku do płaszczyzny tarczy. Dzięki temu zegar wskazuje dokładny czas niezależnie od pory roku. Odległości kątowe pomiędzy godzinami na tarczy zegara nie są jednakowe, ale godzina 12 skierowana jest na

północ, a godziny 6 i 18 odpowiednio na zachód i wschód. Zegar słoneczny mierzy czas w dzień. Jego nocnym odpowiednikiem jest zegar księżycowy czasem stanowiący z nim jedną całość.

…ZEGAR SŁONECZNY Mówiąc o zegarach słonecznych mamy jednak do czynienia z czterema

wielkościami: godziną, datą, kierunkiem północ-południe i szerokością

geograficzną. Okazuje się, że przy pomocy odpowiednio dobranych

podziałek można wyznaczyć dowolne dwie spośród tych wielkości

znając dwie pozostałe.

JAK DZIAŁA ZEGAR RÓWNIKOWY?

Najstarszy zegar słoneczny odnaleźli

szwajcarscy archeolodzy

badający Dolinę Królów w

Egipcie. Jego pochodzenie datuje się na

ok. XIII wiek p.n.e.

Znalezisko wskazuje na to,

że dzień u Egipcjan trwał

12 godzin, co potwierdza

tezy uczonych, że z Egiptu

wywodzi się system 24

godzinny.

Zegary słoneczne dziś nie pełnią

już tak ważnej funkcji jaką pełniły

wcześniej. Stare zegary służą jako

zabytki w muzeach, zaś nowe

budowane są jedyne na wzór

zazwyczaj w dużych miastach, na

szlakach turystycznych np. Stare

Miasto. Są również

wykorzystywane jako ozdoba

ogrodowa, koszt takiego zegara

nie jest mały lecz dla kogoś z

pieniędzmi jest traktowany jako

„gadżet” i przedmiot na pokaz.

WYKORZYSTANIE ZEGARA SŁONECZNEGO DZIŚ

ZEGAR KSIĘŻYCOWY Odpowiednik zegara słonecznego.

Cień rzucany przez księżyc pada na

powierzchnię z odpowiednimi oznaczeniami

umożliwiającymi odczytanie aktualnej godziny.

Zegar księżycowy wskazuje poprawną godzinę

tylko przy pełni księżyca.

Każda noc po pełni księżyca daje 48 minut

opóźnienia, zaś każda noc przed pełnią

powoduje, że zegar spieszy o 48 min. Co w

tygodniu daje śpieszenie się lub opóźnieniem

zegara o 5 godz. 36 min.

Z czasem powstały bardziej zaawansowane

zegary księżycowe uwzględniające te

przesunięcia i dające możliwość odczytania

czasu nie zważając na pory księżycowe.

Zegar księżycowy na

Uniwersytecie Cambridge

STONEHENGE

Kromlech – kamienny krąg

2900 p.n.e. – 1600 p.n.e.

Oś budowli wskazuje wschód Słońca w okresie przesilenia letniego

oraz kierunek zachodu Słońca podczas przesilenia zimowego.

Jeżeli stanęło się w ich środku, to można było określić porę roku na

podstawie tego, zza którego głazu wzeszło, lub za który zaszło

Słońce.

Można było przewidywać zaćmienie księżyca, wyznaczać daty

przesilenia dnia z nocą czy mierzyć przesuwanie się Słońca

względem gwiazd.

STONEHENGE

ZEGARY OGNIOWE

Mierzyły czas długością spalającego się knota lub

ilością wypalonej oliwy

W Chinach zegar taki stanowiła świeca wykonana

np. za sproszkowanej kory drzewnej, wymieszanej ze

smołą, zawierająca na powierzchni odpowiednią

podziałkę. Świeca spalała się dość równomiernie,

znacząc na podziałce bieg czasu.

Niekiedy do świec dodawano pręciki sporządzane z

wonnych kadzideł, które sygnalizowały

poszczególne okresy czasu odpowiednim,

właściwym im zapachem.

Czasem w określonych miejscach zawieszano na

pręcie kulki metalowe, które przy spalaniu się pręta

spadały do porcelanowej wazy, wydając głośny

dźwięk — tak powstał budzik ogniowy.

ZEGARY WODNE Zwyczajne naczynia (specjalnie wyprofilowane), przez które

równomiernie wyciekała woda.

Odcinek czasu, jaki mijał, zanim naczynie opróżniło się

całkowicie, stanowił jeden okres.

Po jego upływie naczynie napełniano ponownie.

W celu przedłużenia pomiaru, stosowano często kilka takich

naczyń: trzy, cztery.

Pojawiły się w Chinach prawdopodobnie już około 2700 p.n.e. Ale

do Reszty świata zawędrowały o wiele później.

Doba dzieliła się na 12 okresów dwugodzinnych, tzw. „Ke”.

Pływak unoszący nad sobą sztabkę z podziałką. W miarę

wypływania wody pływak opadał wraz ze sztabką, podziałka jej

zaś wskazywała czas.

ZEGARY WODNE, A BUDZIKI W III wieku p.n.e. Ktesibios z Aleksandrii skonstruował udoskonalony zegar

w którym dzięki pomysłowemu układowi trzech naczyń oraz zastosowaniu

samoczynnego regulatora przepływu wody uzyskał stałą, równomierną

prędkość jej przepływu.

Woda wlewała się do naczynia, w którym znajdował się pływak,

podnoszący się wraz z jej poziomem. Kolumna zegara zawierała szereg

oddzielnych podziałek godzinnych, właściwych dla kolejnych dni roku.

Raz na dobę obracała się ona o odpowiedni kąt, dzięki czemu

wskazująca laseczka pływaka poruszała się zawsze wzdłuż podziałki,

przypadającej na dany dzień. Umieszczona na pływaku figurka

wskazywała na obracającym się bębnie odpowiednią dla danego dnia

godzinę.

Ktesibios wyposażył ponadto swój zegar w rozmaitą dźwiękową i wizualną

sygnalizację - budzik - upływu godzin, uruchamianą za pomocą

skomplikowanego mechanizmu złożonego między innymi z kół zębatych.

ZEGARY WODNE

Starożytny egipski zegar wodny Starożytny perski zegar wodny

ASTROLABIUM Wynalezienie najprawdopodobniej przez

Hipparcha w starożytnej Grecji

Początkowo składał się on z kilku

drewnianych kręgów, później

mosiężnych, miedzianych, a także

srebrnych.

Był to model rzutu nieba na powierzchnię

płaską, pokazuje on pozycję obiektów

na niebie w danym czasie lub danego

dnia.

Czas określano w dzień na podstawie

obserwacji Słońca oraz w nocy na

podstawie obserwacji gwiazd.

Podstawową częścią astrolabium była mosiężna płyta, na której wyryto linie

wysokości ciała niebieskiego nad horyzontem, linie azymutu i koła godzinne.

Przez środek płyty przechodziła linia oznaczająca północny biegun nieba.

ZEGAR PIASKOWY W średniowiecznej Europie zaczęto stosować

klepsydry piaskowe. Miały one bardzo prostą

konstrukcję i nie wymagały wiedzy

matematycznej, ani astronomicznej.

Stosowano je w kościołach i katedrach.

Później kilka klepsydr łączono w jeden zegar,

każda z nich wskazywała inny okres czasu.

Zaczęto zaopatrywać klepsydry w podziałki

minutowe i sporządzać zegary piaskowe o

krótszym upływie czasu.

W roku 1660 wynaleziono tzw. mechaniczną

klepsydrę piaskową, która odwracała się

samoczynnie gdy tylko dolna jej część

została zapełniona.

ZEGAR KOŁOWY W połowie XIV wieku w miastach włoskich pojawiły się wielkie zegary mechaniczne. Najpopularniejszymi tego typu były zegary z napędem ciężarkowym, w którym jako obciążników używano kamieni. Ich charakterystyczna cechą stanowiły mechanizmy bicia, których ciężar przekraczał 500 kg.

Zegary te umieszczano jedynie na wieżach. Wadą tych zegarów była mała dokładność.

W początku XVI wieku Peter Henelein z Norymbergi skonstruował pierwsze zegary poruszane sprężyną. Zegary te zwalniały w miarę rozkręcania sprężyny, ale były małe i mogły leżeć na stole, a nie wisieć na wieży.

ZEGAR WAHADŁOWY Zegar mechaniczny wykorzystywał wahadło

jako regulator chodu do odmierzania czasu.

Do wskazywania czasu w zegarach

wahadłowych wykorzystuje się wskaźnik

analogowy w postaci tarczy i wskazówek.

Zegar wahadłowy napędzany jest zazwyczaj

siłą grawitacji (obciążnik na lince), sprężyną

lub elektromagnesem.

W roku 1656 Huygnes zbudował pierwszy zegar

wahadłowy. Wskazywał dokładność 1 minuty

na dobę, późniejsze doskonalenia

doprowadziły do dokładności około 10 sekund

na dobę.

Zaletą zegara wahadłowego jest fakt, że okres

drgań wahadła można regulować, niezależnie

od mechanizmu napędowego samego zegara.

ZEGAR KWARCOWY

Działanie zegara kwarcowego opiera się

na zjawisku piezoelektrycznym.

Zasilany z baterii kryształ kwarcu drga z

częstotliwością 215 = 32768 Hz. Drgania

wytwarzają impulsy elektryczne, które

przechodzą przez zespół dzielników

częstotliwości.

Każdy dzielnik zmniejsza częstotliwość o

połowę, by w rezultacie - po piętnastu

podziałach - otrzymać jeden impuls na

sekundę.

Zegar kwarcowy został wynaleziony

w 1927 przez Anglika Warrena

Marrisona.

Przez następne trzy dekady zegary

kwarcowe były wykorzystywane

jedynie w laboratoriach, co było

spowodowane dużymi rozmiarami i

konstrukcją podatną na

uszkodzenia.

W 1932 roku zegary kwarcowe były

wystarczająco dokładne by

zmierzyć niewielkie tygodniowe

zmiany w tempie obrotu Ziemi.

ZEGAR PULSAROWY Zegar, którego działanie opiera

się na zliczaniu impulsów fal

radiowych emitowanych z dużą

regularnością okresu przez

pulsary.

W szczególności wykorzystanie

pulsarów o milisekundowym

okresie emisji pozwala na

zbudowanie stabilnie

działających zegarów o dużej

dokładności, jednak wymaga

to skorygowania naturalnie

występujących nieregularności

emisji.

Pierwszy na świecie zegar pulsarowy został zainstalowany w Gdańsku, w

kościele pw. św. Katarzyny Aleksandryjskiej w 2011 roku. Zegar kosztował

około 450 tysięcy złotych.

W momencie jego instalacji był to najdokładniejszy zegar na świecie oraz

pierwszy, który rejestruje upływ czasu opierając się na źródle sygnałów

spoza Ziemi. Sygnał pulsarowy umożliwi dziesięciokrotną poprawę

dokładności zegarów atomowych. Pulsarową skalę czasu można

wykorzystać np. do stworzenia sieci pozycjonowania GPS, niezależnej od

kosztownego w utrzymaniu systemu satelitów.

Czasomierz działa w oparciu o odbiór impulsów pulsarowych przez anteny

dipolowe przeznaczonego do tego celu radioteleskopu (interferometru)

zainstalowanego na dachu kościoła. Zegar składa się z radioteleskopu

wyposażonego w 16 anten, które odbierają sygnały od sześciu wybranych

pulsarów. Anteny ustawione są w macierz o wielkości cztery na cztery

metry. Sygnały z anten są wzmacniane, następnie filtrowane i przetwarzane

cyfrowo na system sekundowy.

ZEGAR ATOMOWY Rodzaj zegara, którego działanie opiera się na zliczaniu okresów atomowego wzorca częstotliwości. Wczesne zegary atomowe były maserami z dołączonym oprzyrządowaniem.

Współcześnie najdokładniejsze zegary atomowe bazują na bardziej zaawansowanej fizyce, np. na związkach cezu.

Dokładność takich zegarów dochodzi do 10-15, co oznacza 10-10 sekundy (1/10

nanosekundy) na dzień. Zegary te utrzymują ciągły i stabilny czas TAI (z fr. Temps

Atomique International). W zastosowaniach cywilnych używa się innej skali czasu – UTC

(z ang. Coordinated Universal Time). Czas ten jest obliczany na podstawie czasu TAI z

uwzględnieniem obserwacji astronomicznych, które wymagają okresowej korekcji o

tzw. sekundę przestępną (skokową).

W amerykańskim Narodowym Instytucie Standardów i

Technologii (NIST) powstał najbardziej dokładny zegar

świata. Zegar może wykazać niedokładność rzędu 1

sekundy raz na 31 miliardów lat.

Urządzenie wykorzystuje laser i lustra, które pozwalają

na złapanie atomów w pułapkę. Atomy muszą być

nieruchome, by uniknąć jakiejkolwiek interferencji,

która zakłóca pracę innych zegarów atomowych.

Następnie pułapka jest wypełniana atomami iterbu.

Później drugi laser mierzy drgania tych właśnie atomów.

Zbudowanie najdokładniejszego zegara świata rodzi

problem z określeniem jego dokładności. Aby temu

zaradzić uczeni z NIST stworzyli drugi taki zegar i

uruchomili oba, by sprawdzić, czy identycznie

odmierzają one jednostki czasu.

Okazało się, że tak. Jednym z pierwszych zadań, które

zostanie postawione przed nowym urządzeniem będzie

pomiar grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni, czyli

zjawiska polegającego na tym, że światło w polu

grawitacyjnym traci energię, a zatem zwiększa się

długość fali. Uczeni twierdzą, że dzięki nowemu

zegarowi możliwe będzie zmierzenie wysokości nad

poziomem morza z dokładnością do 1 cm.

W sierpniu 2004, uczeni z amerykańskiego National Institute of Standards and Technology (NIST) zademonstrowali miniaturowy zegar atomowy: właściwa część zegara – komora z cezem – ma wielkość ziarna ryżu: średnicę 1,5 mm i długość 4 mm. Cały układ (komora wraz z oprzyrządowaniem: diodą laserową, polaryzatorami, fotodiodą) zajmuje objętość około 1 cm³, a więc porównywalną z układami zegarów kwarcowych. Jego dokładność jest jednak tysiąckrotnie wyższa niż zegarów kwarcowych: wynosi jedną dziesięciomiliardową (10-10), co oznacza dopuszczalne odchylenie w postaci 1 sekundy w ciągu 300 lat.

Prezentację przygotowali:

Uczniowie kl. IIB

Koordynatorzy projektu:

Cezary Jackiewicz

Tomasz Murawski