Дерек Хауз - Гринвичское время и открытие долготы

Более компактное устройство решетчатого маятника Джона Арнольда было разработано примерно в 1800г.; в нем цинковые стержни были заменены цинковыми трубками, позволяющими передвигаться в них стальным маятниковым стержням. Это устройство температурной компенсации приспособили к «Денту № 1906». Различные старые регуляторы, имеющиеся в обсерватории, также модернизировали, заменив их первоначальные решетчатые или ртутные маятники устройствами цинково-стальной компенсации.

В то время, когда пост директора Гринвичской обсерватории занимал Фрэнк Дайсон, были приобретены новые маятниковые часы. Стало очевидным, что дальнейшего прогресса в области хранения времени можно достигнуть, защитив маятник от всяких внешних воздействий. В 1891 г. Зигмунд Рифлер из Мюнхена сделал шаг в этом направлении, применив специальное спусковое устройство, воздействующее на маятник посредством пружины, на которой он был подвешен. Колебания маятника поддерживались при помощи электрического тока, поэтому не было необходимости заводить механизм. Механизм и маятник помещались в вакуумном цилиндре и таким образом были изолированы от внешних воздействий. В этих условиях часы Рифлера имели точность хода порядка 0,01 с в сутки. Несмотря на это, подобные часы стали использоваться в Гринвиче только с 1922 г., заменив «Дент № 1906». Но и этот регулятор, изготовленный англичанином Коттингэмом, в 1925 г. заменили часы со свободным маятником Шорта.

Часы со свободным маятником Шорта широко применялись во многих обсерваториях. Это были первые хранители времени, способные выявить незначительные изменения в скорости вращения Земли (см. гл. 5).

На самом деле часы Шорта состоят из двух часов: главных - со свободным маятником и вторичных, поддерживающих движение свободного маятника и считающих его колебания. И в тех и в других часах применяются рычаги, подталкивающие маятники один раз в полминуты.

Поворотный крючок (а) (рис. 74), двигаясь вместе с маятником, поворачивает на один зуб счетное колесо раз в две секунды. При вращении колеса связанный с ним выступ (Ь) поднимает раз в 30 с защелку (с) и освобождает рычаг (d).

Маленький поворотный ролик, укрепленный на рычаге, скользит по импульсной плоскости маятника и тем самым сообщает ему импульс, после чего вертикальное плечо рычага касается контактного винта на якоре (е) и замыкает ток в контуре. Катушка притягивает якорь и подбрасывает рычаг (d) на защелку (с).

В главных часах колебания поддерживаются подобным образом, но их рычаг значительно легче, поскольку эти часы работают при более низком давлении и их маятник не воздействует на счетное колесо. Передача импульса и замыкание контакта производится двумя различными рычагами, более легким-для передачи импульса, более тяжелым - для замыкания контакта.

Синхронизация импульса, передаваемого свободному маятнику, контролируется вторичными часами, но ход, а следовательно, и счет времени вторичных часов контролируются корректирующим импульсом, вырабатываемым свободным маятником. Работа происходит следующим образом:

1. Рычаг вторичных часов освобождается выступом счетного колеса.

2. Маятник вторичных часов получает импульс, а рычаг возвращается в исходное положение; при замыкании контакта возникает импульс электрического тока, передвигающий на полминуты стрелки на циферблате вторичных часов и возбуждающий катушку (А).

3. Рычаг часов со свободным маятником освобождается от захвата.

4. Свободный маятник получает импульс, и его рычаг возвращается в исходное положение; через замкнутый контакт проходит импульс тока, передвигая на полминуты стрелку часов и возбуждая синхронизирующую катушку (В).

Вторичные часы отрегулированы на небольшое отставание, что позволяет синхронизировать их маятник при помощи корректирующего импульса главных часов. Синхронизация производится в тот момент, когда тонкая пластинка (а), связанная со стержнем вторичного маятника, отклоняется выступом якоря (b). В этот момент период колебаний уменьшается.

Стержень маятника в часах Шорта изготавливается из сплава никеля и стали и практически не реагирует на изменение температуры. Этот сплав, называемый инваром, впервые был получен в 1899 г. швейцарским физиком Шарлем Гийомом, работавшим во Франции. Коэффициент расширения инвара имеет величину порядка 10-6дюйм на градус. Некоторые образцы имеют отрицательный коэффициент расширения, вследствие чего они слегка сжимаются при увеличении температуры. Естественно, что этот материал был выбран для изготовления точных маятниковых часов; он же, обеспечивая температурную компенсацию, используется в подвесной пружине.

IV. Современные точные часы (Это приложение написано Джоном Пилкингтоном, руководителем отдела времени Гринвичской обсерватории в Хёрстмонсо)

Усовершенствования маятниковых часов, которые постепенно позволили обеспечить однородные шкалы времени, касались ослабления факторов, воздействующих на колебание главного маятника, и уменьшения влияния изменений внешних условий и трения в механизме часов. Однородность шкалы в дальнейшем была повышена объединением показаний разных часов, изолированных, насколько это было возможно, друг от друга. Наивысший эффект был достигнут с появлением радиосигналов, что позволило использовать показания часов, разнесенных на большие расстояния друг от друга. Прогресс электроники привел в конечном счете к совершенствованию самих часов: отныне единицы промежутков времени в них устанавливались на основе явлений, ни коим образом не связанных с движением маятника или какого-нибудь другого физического тела под действием гравитационного поля Земли.

Действие первых электронных часов, качественно превосходящих часы Шорта со свободным маятником, было основано на работе кварцевого генератора колебаний. Эти часы до сих пор входят как составная часть в большинство «атомных часов», используемых сегодня в службах времени, но при этом выполняют только роль махового колеса, сглаживающего короткопериодические вариации хода, а долгопериодическии контроль осуществляется на основе более фундаментальных принципов. Кварцевый генератор используется в телевизионных устройствах свыше 50 лет, а в последнее время начинает применяться в кварцевых наручных часах, обеспечивая их ход со стабильностью порядка несколько секунд в месяц. В настоящее время достигнута стабильность в несколько тысяч раз выше, что позволяет применять кварц в дорогостоящих прецизионных приборах.

Кварц - это природный минерал, но его можно производить и в искусственных условиях. Обладая постоянными механическими свойствами, не зависящими от температуры, и пьезоэлектрическим эффектом, он с успехом используется в приборах хранения времени. Пьезоэффект заключается в следующем: при наложении вдоль некоторого направления в кристалле электрического поля форма кристалла несколько изменяется, и наоборот, изменение формы кристалла приводит к появлению электрических зарядов на его поверхности. Механические колебания вызывают колебания напряжения между металлическими электродами, прикрепленными к поверхности кристалла. Если же эти электроды подсоединить соответствующим образом к входу и выходу электрического усилителя, то он будет поставлять энергию, необходимую для поддержания колебаний кварца на одной из его собственных резонансных частот.