Часы Shortt – Synchronome - Shortt–Synchronome clock

Короткие часы в США Национальный институт стандартов и технологий музей, Гейтерсбург, Мэриленд. Эти часы были куплены в 1929 году и использовались в физике. Пол Р. Хейл измерение гравитационной постоянной. Слева - первичный маятник в вакуумной камере.

В Маятниковые часы Shortt – Synchronome free была сложная точность электромеханический маятниковые часы изобретен в 1921 году британским инженером-железнодорожником Уильям Гамильтон Шортт в сотрудничестве с часовщик Фрэнк Хоуп-Джонс,[1] и производится компанией Synchronome Co., Ltd. Лондон, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ.[2] Это были самые точные маятниковые часы, когда-либо производившиеся на рынке.[3][4][5][6][7] и стал самым высоким стандартом для хронометража между 1920-ми и 1940-ми годами,[7] после чего механические часы были заменены кварц стандарты времени. Они использовались во всем мире в астрономические обсерватории, военно-морские обсерватории, в научных исследованиях и как первичный стандарт для национальных услуги распространения времени. Shortt были первыми часами, которые были более точными хронометрами, чем сама Земля; его использовали в 1926 году для обнаружения крошечных сезонных изменений скорости вращения Земли.[3][7][8] Часы Shortt достигают точности около секунды в год,[3][9][10][11] несмотря на то что указано последнее измерение они были даже точнее. С 1922 по 1956 год было произведено около 100 экземпляров.[10][12]

Короткие часы отсчитывают время с двумя маятники, первичный маятник, раскачивающийся в вакуумном резервуаре, и вторичный маятник в отдельных часах, которые были синхронизированы с первичным посредством электрической цепи и электромагниты. Вторичный маятник был прикреплен к механизмам хронометража часов, в результате чего первичный маятник практически не подвергался внешним воздействиям.

Описание

Часы Shortt состоят из двух отдельных блоков: основного маятник в котле вакуум резервуар диаметром 26 см и высотой 125 см, прикрепленный 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 таким образом, чтобы плоскости качания двух маятников находились на расстоянии девяноста градусов. Вторичные часы были модифицированной версией стандартных часов точного регулятора Synchronome. Эти два компонента были связаны проводами, по которым передавались электрические импульсы, которые приводили в действие электромагниты в механизмах, чтобы два маятника вращались синхронно. Первичный стержень маятника и его 14-фунтовый груз были изготовлены из сплава инвар уменьшить тепловое расширение и сжатие маятника, которое заставляет период маятника изменяться с изменениями температуры. Скорость остаточного теплового расширения была компенсирована до нуля металлической вставкой под боб. Вакуумный резервуар откачивали ручным насосом до давления около 30 ° С.мм рт.[14] предотвратить изменения в атмосферное давление от воздействия на скорость маятника, а также для значительного уменьшения аэродинамическое сопротивление на маятнике, что увеличивало его Добротность 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, потребляемой при отклонении остаточных молекул воздуха, и поэтому более высокий вакуум не требуется.[14]

Оба маятника были секундные маятники, около 1 метра (39 в ) длинный, с период 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, для проверки их синхронизации. Он также имел электрические клеммы, которые производили 1Гц сигнал синхронизации. К ним можно было подключить провода для передачи сверхточного сигнала времени на часы в других городах или для передачи его по радио.

Причина точности

Первичный маятниковый бак

Маятник, раскачивающийся в вакууме без трения, с постоянной амплитуда без внешних помех, теоретически отлично держит 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 течение 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 заключаются 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

Первичный и вторичный маятники были связаны друг с другом. Обратная связь что поддерживало вторичную синхронизацию с первичной.[1][14][16] Вторичные часы имели механический спусковой механизм с помощью 15-зуба счетное колесо который перемещался вперед при каждом качании правого маятника собачка прикреплен к маятнику.

Каждые 15 колебаний (30 секунд) этот спуск выпускал рычаг силы тяжести который дал толчок вторичному маятнику. Когда он упал, рычаг силы тяжести вторичного маятника замыкал переключатель, который активировал электромагнит, который сбрасывал (поднимал) рычаг силы тяжести вторичного маятника, а также посылал импульс тока на электромагнит в первичном блоке, который отпускал второй рычаг силы тяжести, чтобы дать первичный маятник толчок.

Импульс к первичному маятнику создавался весом гравитационного рычага первичного маятника (действующего как ремонт ) катится с колеса, прикрепленного к первичному маятнику, этот механизм гарантирует, что первичный маятник каждые 30 секунд получает идентичный механический импульс от рычага силы тяжести первичного маятника, на очень близкой к точно такой 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) была зафиксирована в положении первичного маятника и представляла точное время, полученное от «свободного» (первичного) маятника.

Синхронизатор попаданий и промахов

Импульс от первичного маятника использовался для удержания вторичного маятника. в фазе с ним через устройство, называемое "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 лопатку на путь движения. листовая рессора 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 от 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 отрегулировано примерно в два раза выше нормальных потерь, так что циклы «попадания» и «промаха» будут примерно чередоваться, отсюда и название механизма. Этот цикл, повторяющийся снова и снова, в течение долгого времени удерживал вторичную часть в точном соответствии с первичной. Этот контур обратной связи функционировал как электромеханическая версия ФАПЧ, позже использованный в электронике и кварц и атомные часы.

Недавнее измерение точности

В 1984 году Пьер Бушерон изучил точность часов Шортта, хранившихся в Военно-морская обсерватория США.[3][18] Используя современные оптические датчики, которые фиксировали точное время прохождения маятника, не нарушая его, он сравнил его скорость со скоростью. атомные часы на месяц. Он обнаружил, что она стабильна до 200 микросекунды в сутки (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 силы тяжести, вызванные приливные искажения в твердой Земле вызвано гравитацией Солнца и Луны.[19]

Смотрите также

  • Мастер часы
  • Маятниковые часы
  • Хоуп-Джонс, Франк (1940). Электрический хронометраж. Лондон: NAG Press. Первичный источник информации о разработке часов Shortt, а также история бесплатных маятниковых часов
  • Майлз, Р.Х. (2019). Синхроном - 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.

Рекомендации

  1. ^ а б Бриттен, Ф. Дж .; Дж. У. Плейер (1955). Руководство, словарь и руководство Бриттена по часам и часовщику, 15-е изд.. Великобритания: Тейлор и Фрэнсис. С. 373–375.
  2. ^ а б Дэй, Лэнс; Ян Макнил (1998). Биографический словарь истории техники. Тейлор и Фрэнсис. п. 640. ISBN  978-0-415-19399-3.
  3. ^ а б 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: 510–588. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1948.tb01343.x. Архивировано из оригинал 28 февраля 2014 г.
  6. ^ "Часы Рифлера и Шортта". Институт времени и технологий JagAir. Получено 2009-12-29.
  7. ^ а б c Беттс, Джонатан (22 мая 2008 г.). «Заявление эксперта, дело 6 (2008–09), регулирующий орган Уильяма Гамильтона Шортта». Слушания по лицензированию экспорта, Комитет по надзору за экспортом произведений искусства и предметов, представляющих культурный интерес. Совет музеев, библиотек и архивов Великобритании. Архивировано из оригинал (ДОК) 25 октября 2009 г.. Получено 2009-12-29.
  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. ^ а б "Атомные часы, стр. 6". Интернет-материалы. Музей науки, Кенсингтон, Великобритания, веб-сайт. 2008 г.. Получено 2009-12-29.
  11. ^ Риле, Фриц (2004). Стандарты частоты: основы и приложения. Нью-Йорк: Wiley-VCH. п. 8. ISBN  978-3-527-40230-4.
  12. ^ "Лот 412 / Распродажа 6070: Регулятор английской электрической обсерватории". Запись о продаже на аукционе. Сайт аукционного дома Christie's. 25 ноября 1998 г.. Получено 2009-12-29.
  13. ^ Кетчен, Ричард (февраль 2008 г.). «Маятниковый регулятор короткого действия, первичные часы № 17, инвентарный номер: 1998-1-0187a». Коллекция исторических научных инструментов. Отделение истории науки Гарвардского университета. Архивировано из оригинал на 2011-07-19. Получено 2009-12-30.
  14. ^ а б c Босхитер, Дж. Э. (2000). "Свободный маятник Шортта". История эволюции электрических часов. Сайт Bosschieter. Получено 2009-12-30.
  15. ^ Маттис, 2004, стр.112
  16. ^ «Тестер разрывов Testex Elmendorf». testextextile.com. 30 апреля 2018. Cite имеет пустой неизвестный параметр: |1= (помощь)
  17. ^ Ашер, аббат Пейсон (1988). История механических изобретений. Курьер Дувр. п. 317. ISBN  0-486-25593-X.
  18. ^ Бушерон, Пьер Х. (апрель 1985 г.). "Насколько хороши были короткие часы?". Бюллетень Национальной ассоциации коллекционеров часов. Колумбия, Пенсильвания: NAWCC. 27 (2–235): 165–173. ISSN  0027-8688., цитируется в Катящийся шар в паутине Библиография В архиве 8 августа 2010 г. Wayback Machine
  19. ^ Бушерон, Пьер Х. (март 1986 г.). «Влияние гравитационного притяжения Солнца и Луны на период маятника» (PDF). Антикварные часы. Тайсхерст: Антикварное часовое общество. 16 (1): 53–65. ISSN  0003-5785. Получено 2013-12-13.