Шортт – Синхронные часы
Часы со свободным маятником Шорта-Синхронома — это сложные прецизионные электромеханические маятниковые часы, изобретенные в 1921 году британским инженером путей сообщения Уильямом Гамильтоном Шорттом в сотрудничестве с часовщиком Фрэнком Хоуп-Джонсом . [1] и производится компанией Synchronome Company, Ltd. в Лондоне . [2] Это были самые точные маятниковые часы, когда-либо выпускавшиеся серийно. [3] [4] [5] [6] [7] и стал высшим стандартом хронометража между 1920-ми и 1940-ми годами, [7] после чего механические часы были заменены кварцевыми стандартами 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 . Шортт были первыми часами, показавшими более точный хронометраж, чем сама Земля; его использовали в 1926 году для обнаружения крошечных сезонных изменений скорости вращения Земли. [3] [7] [8] Короткие часы достигали точности около секунды в год. [3] [9] [10] [11] хотя недавние измерения показали, что они были еще более точными. В период с 1922 по 1956 год было произведено около 100 штук. [10] [12]
Короткие часы отсчитывали время с помощью двух маятников : основного маятника, качающегося в вакуумном резервуаре, и вторичного маятника в отдельных часах, которые синхронизировались с первичными электромеханическими средствами. Вторичный маятник был прикреплен к механизмам измерения времени, оставляя основной маятник практически свободным от внешних возмущений.
Описание
[ редактировать ]Часы Шортта состоят из двух отдельных блоков: основного маятника в медном вакуумном резервуаре диаметром 26 см и высотой 125 см, прикрепленном к стене, [13] и привязанные к нему точные маятниковые часы, стоящие в нескольких футах от него. Чтобы предотвратить любую возможность соединения маятников, два устройства либо устанавливались далеко друг от друга в разных комнатах, либо были ориентированы так, чтобы плоскости качания двух маятников находились на расстоянии девяноста градусов друг от друга. Вторичные часы представляли собой модифицированную версию стандартных часов с прецизионным регулятором Synchronome. Два компонента были связаны проводами, по которым передавались электрические импульсы, которые приводили в действие электромагниты в механизмах, поддерживая синхронное колебание двух маятников. Основной стержень маятника и его 14-фунтовый груз были изготовлены из инварного сплава, чтобы уменьшить тепловое расширение и сжатие маятника, что в противном случае привело бы к изменению периода маятника с изменениями температуры. Остаточное тепловое расширение компенсировалось до нуля металлической вставкой под боб. Вакуумный резервуар был вакуумирован с помощью ручного насоса до давления около 30 мм рт. ст. (40 гПа ). [14] предотвратить влияние изменений атмосферного давления на скорость маятника, а также значительно уменьшить аэродинамическое сопротивление маятника, что увеличило его добротность с 25 000 до 110 000, [15] тем самым увеличивая его точность в четыре раза. Эксперименты Шортта показали, что при давлении 30 мм рт. ст. энергия, затраченная на изгиб пружины подвески, равна энергии, затраченной на отклонение остаточных молекул воздуха, и поэтому более высокий вакуум не требуется. [14]
Оба маятника были секундными , длиной около 1 метра (39 дюймов ) с периодом 2 секунды; каждое колебание первичной обмотки занимало ровно одну секунду, а естественная скорость вторичной обмотки была немного больше. Маятники получали толчок от механизма каждые 30 секунд, чтобы поддерживать их раскачивание. Вторичные часы имели два циферблата, показывающие время, установленное каждым маятником, для проверки их синхронизации. У него также были электрические клеммы, которые выдавали сигнал синхронизации частотой 1 Гц . К ним можно было бы подключить провода, чтобы передавать сверхточный сигнал времени на часы в других городах или транслировать его по радио.
Причина точности
[ редактировать ]
Маятник, раскачивающийся в вакууме без трения, с постоянной амплитудой и без внешних возмущений, теоретически сохраняет идеальное время. [2] Однако маятники в часах должны быть связаны с часовым механизмом, что нарушает их естественное колебание, 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 некую связь, чтобы зафиксировать ход времени. Во-вторых, механизм часов, приводимый в действие рычажным механизмом, должен дать маятнику толчок (импульс), чтобы восполнить энергию, которую маятник теряет из-за трения, и поддерживать его колебание. Обе эти функции нарушают движение маятника.
Преимущества часов Шортта заключаются в том, что, во-первых, они уменьшили возмущение первичного маятника из-за импульса, подавая маятникам импульс только один раз ровно каждые 30 секунд (30 качаний маятника), и, во-вторых, они исключили любое другое взаимодействие с первичным маятником. маятник путем генерации необходимого точного сигнала синхронизации для управления вторичными часами (и записи хода времени) от самого импульсного механизма, оставляя маятнику качаться «свободно» от помех.
Как это работало
[ редактировать ]Первичный и вторичный маятники были связаны вместе в петлю обратной связи , которая поддерживала синхронизацию вторичного маятника с первичным. [1] [14] Вторичные часы имели механический спусковой механизм с 15 зубцами с счетным колесом , которое перемещалось вперед при каждом повороте правого маятника с помощью собачки , прикрепленной к маятнику.
Каждые 15 колебаний (30 секунд) этот спусковой механизм отпускал гравитационный рычаг , который толкал вторичный маятник. Когда он падал, гравитационный рычаг вторичного маятника замыкал переключатель, который активировал электромагнит, который сбрасывал (поднимал) гравитационный рычаг вторичного маятника, а также посылал импульс тока на электромагнит в первичном блоке, который освобождал второй гравитационный рычаг, чтобы дать первичному маятник толчок.
Импульс первичному маятнику обеспечивался весом гравитационного рычага первичного маятника (действующего как ремонтуар ), скатывающегося с колеса, прикрепленного к первичному маятнику. Этот механизм гарантировал, что основной маятник каждые 30 секунд получал идентичный механический импульс от маятника. гравитационный рычаг первичного маятника, находящийся очень близко к одной и той же части его хода.
Падающий гравитационный рычаг первичного маятника замыкал пару контактов во второй электрической цепи, которая сбрасывала этот рычаг и подавала электрический импульс обратно на синхронизатор попадания и промаха во вторичном блоке. Хотя начало цикла, начатого вторичным устройством, могло меняться на очень небольшую величину каждые тридцать секунд, действие сброса и синхронизации (которое имело место только в тот момент, когда драгоценный камень узла гравитационного рычага первичных часов скатился с колеса) на маятнике) фиксировалось в положении основного маятника и представляло собой точное время, полученное от «свободного» (первичного) маятника.
Синхронизатор попал и промахнулся
[ редактировать ]Импульс от первичного маятника использовался для удержания вторичного маятника в фазе с ним с помощью устройства, называемого «синхронизатором попаданий и промахов». [16]
Каждые 30 колебаний после подачи импульса на основной маятник сравнивали положение двух маятников. Это было сделано с помощью электрического импульса из второй цепи, активируемого гравитационным рычагом первичного маятника, который использовал второй электромагнит во вторичном блоке для перемещения лопатки на путь листовой пружины, прикрепленной к вторичному маятнику. Если вторичный маятник отстает от первичного, пружина зацепится за лопасть (это называется «ударом»). Пружина давала толчок вторичному маятнику, что сокращало время этого колебания. Если бы вторичный маятник находился впереди основного маятника («промах»), листовая пружина не попала бы в лопасть, и вторичный маятник совершил бы нормальное колебание без ускорения от листовой рессоры.
Вторичный маятник был настроен на немного более медленную скорость, чем основной, поэтому вторичный маятник отставал от основного все больше с каждым интервалом, пока не получил «удар», который снова вывел его вперед. Обычно ускорение, возникающее в результате «попадания», регулируется так, чтобы оно примерно в два раза превышало нормальную потерю, так что циклы «попадания» и «промаха» примерно чередовались, отсюда и название механизма. Этот цикл, повторяемый снова и снова, позволял второстепенной системе точно идти в ногу с первичной в течение длительного времени. Эта петля обратной связи функционировала как электромеханическая версия петли фазовой автоподстройки частоты , позже использованной в электронике, а также в кварцевых и атомных часах .
Первоначальная стоимость
[ редактировать ]В 1928 году американский изобретатель Альфред Ли Лумис посетил мастерскую Фрэнка Хоупа-Джонса и ему показали почти законченные шестые часы. После того, как Лумису сообщили, что цена составляет 240 фунтов стерлингов (что эквивалентно 14 000 фунтов стерлингов в 2019 году), [17] он шокировал Хоуп-Джонса, заказав три часа и внося предоплату за первые. Все три часа были установлены в его лаборатории Лумиса в Такседо-парке, Нью-Йорк . [18]
Недавнее измерение точности
[ редактировать ]В 1984 году Пьер Бушерон изучал точность работающих часов Шорта, выставленных в Военно-морской обсерватории США . [3] [19] Используя современные оптические датчики, которые определяли точное время прохождения маятника, не нарушая его, он сравнил его ход с атомными часами за месяц. Он обнаружил, что она стабильна на уровне 200 микросекунд в день (2,31 частей на миллиард ), что эквивалентно частоте ошибок в одну секунду за 12 лет, что гораздо точнее, чем 1 секунда в год, измеренная ранее. Его данные показали, что часы были настолько чувствительными, что обнаруживали небольшие изменения гравитации из-за приливных искажений в твердой Земле, вызванных гравитацией Солнца и Луны. [20]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Бриттен, Ф.Дж.; JW Player (1955). Справочник, словарь и руководство по часам и часовщику Бриттена, 15-е изд . Великобритания: Тейлор и Фрэнсис. стр. 373–375.
- ^ Jump up to: а б Дэй, Лэнс; Ян МакНил (1998). Биографический словарь истории техники . Тейлор и Фрэнсис. п. 640. ИСБН 978-0-415-19399-3 .
- ^ Jump up to: а б с д Джонс, Тони (2000). Разделение секунды: история атомного времени . США: CRC Press. п. 30. ISBN 978-0-7503-0640-9 .
- ^ Милхэм, Уиллис И. (1945). Время и хронометристы . Нью-Йорк: Макмиллан. п. 615.
- ^ Маррисон, Уоррен (1948). «Эволюция кварцевых часов» . Технический журнал Bell System . 27 (3): 510–588. дои : 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01343.x . Архивировано из оригинала 28 февраля 2014 г.
- ^ «Часы Рифлера и Шортта» . Институт времени и технологий JagAir . Проверено 29 декабря 2009 г.
- ^ Jump up to: а б с Беттс, Джонатан (22 мая 2008 г.). «Заявление эксперта, случай 6 (2008–09) регулятор Уильяма Гамильтона Шортта» . Слушания по вопросу лицензирования экспорта, Наблюдательная комиссия по экспорту произведений искусства и предметов культурного интереса . Совет музеев, библиотек и архивов Великобритании. Архивировано из оригинала (DOC) 25 октября 2009 года . Проверено 29 декабря 2009 г.
- ^ Зайдельманн, П. Кеннет; Деннис Д. Маккарти (2009). Время: от вращения Земли до атомной физики . Нью-Йорк: Wiley-VCH. п. 138. ИСБН 978-3-527-40780-4 .
- ^ Мэттис, Роберт Дж. (2004). Точные маятники для часов . Великобритания: Издательство Оксфордского университета. п. 1. ISBN 978-0-19-852971-2 .
- ^ Jump up to: а б «Атомные часы, стр. 6» . Интернет-материалы . Музей науки, Кенсингтон, Великобритания, веб-сайт. 2008 год . Проверено 29 декабря 2009 г.
- ^ Риле, Фриц (2004). Стандарты частоты: основы и приложения . Нью-Йорк: Wiley-VCH. п. 8. ISBN 978-3-527-40230-4 .
- ^ «Лот 412 / Продажа 6070: Регулятор английской электрической обсерватории» . Запись аукционной продажи . Сайт аукционного дома Christie’s. 25 ноября 1998 года . Проверено 29 декабря 2009 г.
- ^ Кетчен, Ричард (февраль 2008 г.). «Маятниковый регулятор Shortt, основные часы № 17, инвентарный номер: 1998-1-0187a» . Коллекция исторических научных инструментов . Кафедра истории науки Гарвардского университета. Архивировано из оригинала 19 июля 2011 г. Проверено 30 декабря 2009 г.
- ^ Jump up to: а б с Босшитер, Дж. Э. (2000). «Свободный маятник Шорта» . История эволюции электрических часов . Сайт Босшитера . Проверено 30 декабря 2009 г.
- ^ Маттис, 2004, стр.112.
- ^ Ашер, Эббот Пейсон (1988). История механических изобретений . Курьер Дувр. п. 317. ИСБН 0-486-25593-Х .
- ^ Соединенного Королевства Показатели дефлятора валового внутреннего продукта соответствуют «согласованному ряду» MeasuringWorth , представленному в Томас, Райланд; Уильямсон, Сэмюэл Х. (2018). «Какой тогда был ВВП Великобритании?» . Измерительная ценность . Проверено 2 февраля 2020 г.
- ^ Альварес, Луис В. (июль 1977 г.). Альфред Ли Лумис 1887–1975: Биографические мемуары (Отчет). США Управление энергетических исследований и разработок . стр. 15–17. Архивировано из оригинала 30 октября 2020 года.
- ^ Бушерон, Пьер Х. (апрель 1985 г.). «Насколько хороши были часы Шортта?» . Бюллетень Национальной ассоциации коллекционеров часов . 27 (2–235). Колумбия, Пенсильвания: NAWCC : 165–173. ISSN 0027-8688 . ID книги 8247 ;
цитируется в «Библиография» . Boucheron – NAWCC 235 . Rolling Ball Web (Отчет). ID книги 8247 . Архивировано из оригинала 8 августа 2010 года. - ^ Бушерон, Пьер Х. (март 1986 г.). «Влияние гравитационного притяжения Солнца и Луны на период маятника» (PDF) . Антикварное часовое дело . 16 (1). Тайсхерст , Восточный Суссекс, Великобритания: Антикварное часовое общество : 53–65. ISSN 0003-5785 . Проверено 13 декабря 2013 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Хоуп-Джонс, Фрэнк (1940). Электрический хронометраж . Лондон: НАГ Пресс.
- Майлз, Р.Х. (2019). Синхроном – Мастера электрического хронометража . Лондон: AHS. ISBN 978-0901180551