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.
WYKORZYSTANIE ZEGARA SŁONECZNEGO DZIŚ 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.
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 2 15 = 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