Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из часов Shortt-Synchronome )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Короткие часы в музее Национального института стандартов и технологий США , Гейтерсбург, штат Мэриленд. Эти часы были приобретены в 1929 году и использовались при измерении гравитационной постоянной физиком Полом Р. Хейлем . Слева - первичный маятник в вакуумном резервуаре.

Shortt-Synchronome бесплатно маятниковые часы был сложным точность электромеханический маятниковые часы изобретен в 1921 году британский инженер железной дороги Уильям Гамильтон Shortt в сотрудничестве с часовщика Frank Хоуп-Джонс , [1] и изготовлен Synchronome Лтд Лондон , Великобритания . [2] Они были самыми точными маятниковыми часами, когда-либо производившимися на коммерческой основе, [3] [4] [5] [6] [7] и стали высшим стандартом для хронометража между 1920-ми и 1940-ми годами, [7] после чего механические часы были заменены кварцемстандарты времени. Они использовались во всем мире в астрономических обсерваториях , военно-морских обсерваториях , в научных исследованиях и в качестве основного стандарта для национальных служб распространения времени . Shortt были первыми часами, которые были более точными, чем сама Земля; его использовали в 1926 году для обнаружения крошечных сезонных изменений скорости вращения Земли. [3] [7] [8] Часы Shortt достигли точности около секунды в год, [3] [9] [10] [11], хотя недавние измерения показали, что они были еще более точными. Около 100 было произведено в период с 1922 по 1956 год. [10] [12]

Короткие часы отсчитывали время с помощью двух маятников , первичного маятника, качавшегося в вакуумном резервуаре, и вторичного маятника в отдельных часах, которые были синхронизированы с первичными с помощью электрической цепи и электромагнитов . Вторичный маятник был прикреплен к механизмам хронометража часов, поэтому первичный маятник практически не подвергался внешним воздействиям.

Описание [ править ]

Часы Shortt состоят из двух отдельных блоков: первичного маятника в медном вакуумном резервуаре диаметром 26 см и высотой 125 см, прикрепленном к стене, [13]и точные маятниковые часы, привязанные к нему, стояли в нескольких футах от него. Чтобы предотвратить любую возможность соединения между маятниками, два блока были либо установлены далеко друг от друга в разных комнатах, либо блоки были ориентированы так, чтобы плоскости качания двух маятников находились на расстоянии девяноста градусов. Вторичные часы были модифицированной версией стандартных часов точного регулятора Synchronome. Два компонента были связаны проводами, по которым передавались электрические импульсы, которые приводили в действие электромагниты в механизмах, чтобы оба маятника вращались синхронно. Первичный стержень маятника и его 14-фунтовый вес были изготовлены из сплава инвар для уменьшения теплового расширения.и сжатие маятника, которое заставляет период маятника меняться с изменениями температуры. Степень остаточного теплового расширения была компенсирована до нуля металлической вставкой под боб. Вакуумный бак откачивали с помощью ручного насоса до давления около 30  мм рт. Ст. [14], чтобы предотвратить влияние изменений атмосферного давления на скорость маятника, а также для значительного уменьшения аэродинамического сопротивления маятника, что увеличивало его сопротивление. Q-фактор от 25 000 до 110 000, [15]тем самым увеличивая его точность в четыре раза. Эксперименты Шортта показали, что при 30 мм рт.ст. энергия, потребляемая изгибом пружины подвески, просто равна энергии, затрачиваемой на отклонение остаточных молекул воздуха, и поэтому более высокий вакуум не требуется. [14]

Оба маятники были секунды маятников , около 1 метра (39 в ) в длину, с периодом 2 секунды; каждое колебание первичной составляющей занимало ровно одну секунду, а естественная частота вторичной частоты немного больше. Маятники получали толчок от механизма каждые 30 секунд, чтобы они продолжали раскачиваться. На вторичных часах было два циферблата, показывающие время, удерживаемое каждым маятником, чтобы убедиться, что они синхронизированы. У него также были электрические клеммы, которые производили сигнал синхронизации с частотой 1  Гц . К ним можно было присоединить провода, чтобы передавать сверхточный сигнал времени на часы в других городах или передавать его по радио.

Причина точности [ править ]

Первичный маятниковый бак

Маятник, раскачивающийся в вакууме без трения, с постоянной амплитудой и без внешних возмущений, теоретически сохраняет точное время. [2] Однако маятники в часах должны быть связаны с часовым механизмом, который нарушает их естественный ход, и это было основной причиной ошибок в точных часах начала 20 века. Механизм обычных часов взаимодействует с маятником при каждом качании, выполняя две функции: во-первых, маятник должен активировать какую-то связь, чтобы фиксировать ход времени. Во-вторых, часовой механизм, приводимый в действие тягой, должен дать маятнику толчок (импульс), чтобы заменить энергию, которую маятник теряет на трение, чтобы он оставался в движении. Обе эти две функции мешают движению маятника.

Преимущества часов Шортта состоят в том, что, во-первых, они уменьшили возмущение первичного маятника из-за импульса, давая маятникам импульс ровно каждые 30 секунд (30 качаний маятника), а во-вторых, они устранили все другие взаимодействия с первичным маятником. маятник, генерируя необходимый точный синхронизирующий сигнал для управления вторичными часами (и записывая ход времени) из самого импульсного механизма, оставляя маятник качаться «свободным» от помех.

Как это работало [ править ]

Первичный и вторичный маятники были связаны друг с другом в петлю обратной связи, которая обеспечивала синхронизацию вторичного и первичного маятников . [1] [14] [16] У вторичных часов был механический спуск с использованием счетного колеса с 15 зубьями, которое перемещалось вперед при каждом правом качании маятника с помощью собачки, прикрепленной к маятнику.

Каждые 15 колебаний (30 секунд) этот спуск освобождает рычаг силы тяжести, который толкает вторичный маятник. Когда он упал, рычаг силы тяжести вторичного маятника включил переключатель, который активировал электромагнит, который сбросил (поднял) рычаг силы тяжести вторичного маятника, а также послал импульс тока на электромагнит в первичном блоке, который освободил второй рычаг силы тяжести, чтобы дать первичному маятник толчок.

Импульс к первичному маятнику создавался весом гравитационного рычага первичного маятника (действующего как ремонт ), катящегося с колеса, прикрепленного к первичному маятнику, этот механизм гарантирует, что первичный маятник получал идентичный механический импульс каждые 30 секунд от главного маятника. первичный маятниковый рычаг силы тяжести, очень близко к той же части его хода.

Падающий первичный маятниковый гравитационный рычаг замыкает пару контактов во второй электрической цепи, которая сбрасывает этот рычаг и подает электрический импульс обратно на синхронизатор удара и промаха во вторичном блоке. Хотя начало цикла, начатое вторичным блоком, могло изменяться на очень небольшую величину каждые тридцать секунд, действие по сбросу и синхронизации (которое имело место только в момент, когда драгоценный камень узла гравитационного рычага первичных часов скатился с колеса на маятнике) было зафиксировано в положении первичного маятника и представляло точное время, полученное от «свободного» (первичного) маятника.

Хит и пропустить синхронизатор [ править ]

Импульс от первичного маятника использовался для поддержания вторичного маятника в фазе с ним с помощью устройства, называемого «синхронизатор попаданий и промахов». [17] Каждые 30 качаний, после того, как первичный маятник был подан импульс, положение двух маятников сравнивалось. Это было сделано с помощью электрического импульса от второй цепи, активируемого гравитационным рычагом первичного маятника, который использовал второй электромагнит во вторичном блоке, чтобы переместить лопасть на путь листовой пружины.прикреплен к вторичному маятнику. Если вторичный маятник отставал от первичного, пружина зацепилась бы за лопасть (это называется «ударом»). Пружина давала на вторичный маятник толчок, что сокращало время качания. Если вторичный маятник опережает первичный маятник («промах»), листовая пружина не попадает в лопатку, и вторичный маятник совершает свой нормальный поворот без ускорения со стороны листовой пружины. Вторичный маятник был настроен на немного меньшую скорость, чем первичный, поэтому вторичный маятник будет отставать от первичного больше каждый интервал, пока не получит «удар», который снова выведет его вперед. Обычно ускорение, возникающее в результате "удара", должно быть примерно в два раза выше нормальных потерь, так что циклы "попадания" и "промаха" будут примерно чередоваться,отсюда и название механизма. Этот цикл, повторяемый снова и снова, в течение долгого времени удерживал вторичную часть в точном соответствии с первичной. Этот контур обратной связи функционировал как электромеханическая версияФазовая автоподстройка частоты , позже использованная в электронике, кварцевых и атомных часах .

Первоначальная стоимость [ править ]

В 1928 году американский изобретатель Альфред Ли Лумис посетил мастерскую Фрэнка Хоуп-Джонса, где ему показали почти готовые шестые часы. После того, как Лумису сказали, что цена составляет 240 фунтов (что эквивалентно 14 567 долларам в 2019 году), он шокировал Фрэнка, заказав три часа и предоплатив за первые часы. Все три часа были установлены в его лаборатории Лумиса в Такседо-парке, Нью-Йорк . [18]

Последние измерения точности [ править ]

В 1984 году Пьер Бушерон изучил точность часов Шортта, хранящихся в Военно-морской обсерватории США . [3] [19] Используя современные оптические датчики, которые фиксировали точное время прохождения маятника, не нарушая его, он сравнил его скорость с атомными часами в течение месяца. Он обнаружил, что он был стабильным до 200 микросекунд в день (2,31 ppb ), что эквивалентно частоте ошибок в одну секунду за 12 лет, что намного точнее, чем 1 секунда в год, которая была измерена ранее. Его данные показали, что часы были настолько чувствительны, что обнаруживали небольшие изменения гравитации из-за приливных искажений твердой Земли, вызванных гравитацией Солнца и Луны. [20]

См. Также [ править ]

  • Мастер часы
  • Маятниковые часы
  • Хоуп-Джонс, Фрэнк (1940). Электрический хронометраж . Лондон: NAG Press. Первичный источник информации о разработке часов Shortt, а также история бесплатных маятниковых часов.
  • Майлз, Р.Х. (2019). Синхронома - мастера электронного хронометража . Лондон: AHS. ISBN 978-0901180551 . Две главы посвящены развитию часов Shortt, обильно иллюстрированных недавно снятыми фотографиями, особенно коротким номером. 0. Окончательный счет. 

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Бриттен, FJ; JW Player (1955). Бриттена Часы и Справочник часовщика, словарь и руководство, 15-е изд . Великобритания: Тейлор и Фрэнсис. С. 373–375.
  2. ^ a b День, Лэнс; Иэн Макнил (1998). Биографический словарь истории техники . Тейлор и Фрэнсис. п. 640. ISBN 978-0-415-19399-3.
  3. ^ a b c d Джонс, Тони (2000). Разделение второго: история атомного времени . США: CRC Press. п. 30. ISBN 978-0-7503-0640-9.
  4. ^ Милхэм, Уиллис I. (1945). Время и хронометристы . Нью-Йорк: Макмиллан. п. 615.
  5. ^ Маррисон, Уоррен (1948). «Эволюция кварцевых хрустальных часов» . Технический журнал Bell System . 27 (3): 510–588. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1948.tb01343.x . Архивировано из оригинала на 2014-02-28.
  6. ^ "Часы Рифлера и Шортта" . Институт времени и технологий JagAir . Проверено 29 декабря 2009 .
  7. ^ a b c Беттс, Джонатан (22 мая 2008 г.). «Заявление эксперта, дело 6 (2008–09), регулирующий орган Уильяма Гамильтона Шортта» . Слушания по вопросам лицензирования экспорта, Комиссия по надзору за экспортом произведений искусства и предметов, представляющих культурный интерес . Совет музеев, библиотек и архивов Великобритании. Архивировано из оригинала (DOC) 25 октября 2009 года . Проверено 29 декабря 2009 .
  8. ^ Зайдельманн, П. Кеннет; Деннис Д. Маккарти (2009). Время: от вращения Земли к атомной физике . Нью-Йорк: Wiley-VCH. п. 138. ISBN 978-3-527-40780-4.
  9. ^ Маттис, Роберт Дж. (2004). Точные маятники часов . Великобритания: Издательство Оксфордского университета. п. 1. ISBN 978-0-19-852971-2.
  10. ^ a b «Атомные часы, стр. 6» . Интернет-материалы . Музей науки, Кенсингтон, Великобритания, веб-сайт. 2008 . Проверено 29 декабря 2009 .
  11. ^ Riehle, Fritz (2004). Стандарты частоты: основы и приложения . Нью-Йорк: Wiley-VCH. п. 8. ISBN 978-3-527-40230-4.
  12. ^ "Лот 412 / Распродажа 6070: Английский регулятор электрической обсерватории" . Запись аукционной продажи . Сайт аукционного дома Christie's. 25 ноября 1998 . Проверено 29 декабря 2009 .
  13. ^ Кетчен, Ричард (февраль 2008 г.). «Маятниковый регулятор короткого действия, первичные часы № 17, инвентарный номер: 1998-1-0187a» . Коллекция историко-научных инструментов . Отделение истории науки Гарвардского унив. Архивировано из оригинала на 2011-07-19 . Проверено 30 декабря 2009 .
  14. ^ a b c Bosschieter, JE (2000). «Свободный маятник Шортта» . История развития электрических часов . Сайт Bosschieter . Проверено 30 декабря 2009 .
  15. ^ Matthys, 2004, с.112
  16. ^ "Testex Elmendorf Tear Tester" . testextextile.com. 30 апреля 2018.
  17. Перейти ↑ Usher, Abbot Payson (1988). История механических изобретений . Курьер Дувр. п. 317. ISBN 0-486-25593-X.
  18. ↑ Альварес, Луис В. (июль 1977 г.). Альфред Ли Лумис 1887-1975: биографические воспоминания (отчет). Управление энергетических исследований и разработок США. С. 15–17. Архивировано 30 октября 2020 года. CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  19. ^ Boucheron, Пьер Х. (апрель 1985). "Насколько хороши были короткие часы?" . Бюллетень Национальной ассоциации коллекционеров часов . Колумбия, Пенсильвания: NAWCC . 27 (2–235): 165–173. ISSN 0027-8688 . , цитируется в Rolling Ball Web Bibliography, заархивированной 8 августа 2010 г., на Wayback Machine.
  20. ^ Boucheron, Пьер H. (март 1986). «Влияние гравитационного притяжения Солнца и Луны на период маятника» (PDF) . Антикварное часовое дело . Тайхерст: Антикварное часовое общество . 16 (1): 53–65. ISSN 0003-5785 . Проверено 13 декабря 2013 .