stringtranslate.com

Часы Shortt–Synchronome

Часы Shortt в музее Национального института стандартов и технологий США , Гейтерсберг, Мэриленд. Эти часы были приобретены в 1929 году и использовались физиком Полом Р. Хейлом при измерении гравитационной постоянной. Слева — первичный маятник в вакуумном резервуаре.

Часы Shortt–Synchronome free pendulum clock — это сложные прецизионные электромеханические маятниковые часы, изобретенные в 1921 году британским инженером-железнодорожником Уильямом Гамильтоном Шортом в сотрудничестве с часовщиком Фрэнком Хоупом-Джонсом [ 1] и изготовленные компанией Synchronome Company, Ltd. из Лондона . [2] Они были самыми точными маятниковыми часами, когда-либо производившимися в коммерческих целях [3] [4] [5] [6] [7] и стали наивысшим стандартом для хронометража в период с 1920-х по 1940-е годы [7] после чего механические часы были заменены кварцевыми стандартами времени. Они использовались по всему миру в астрономических обсерваториях , военно-морских обсерваториях , в научных исследованиях и в качестве основного стандарта для национальных служб распространения времени . Часы Shortt были первыми часами, которые были более точным хронометристом, чем сама Земля; они использовались 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 точнее. Около 100 были произведены между 1922 и 1956 годами. [10] [12]

Часы Shortt отсчитывали время с помощью двух маятников , первичный маятник качался в вакуумном резервуаре, а вторичный маятник находился в отдельных часах, которые были синхронизированы с первичным с помощью электромеханических средств. Вторичный маятник был прикреплен к хронометрическим механизмам часов, оставляя первичный маятник практически свободным от внешних помех.

Описание

Часы Шорта состоят из двух отдельных блоков: основного маятника в медном вакуумном баке диаметром 26 см и высотой 125 см, прикрепленного к стене, [13] и точных маятниковых часов, закрепленных на нем и стоящих на расстоянии нескольких футов. Чтобы предотвратить любую возможность связи между маятниками, два блока либо устанавливались далеко друг от друга в разных комнатах, либо блоки были ориентированы так, чтобы плоскости качания двух маятников были разнесены на девяносто градусов. Вторичные часы представляли собой модифицированную версию стандартных прецизионных регуляторных часов Synchronome. Два компонента были соединены проводами, по которым передавались электрические импульсы, которые управляли электромагнитами в механизмах, чтобы поддерживать синхронное качание двух маятников. Стержень основного маятника и его 14-фунтовый груз были изготовлены из сплава инвара для уменьшения теплового расширения и сжатия маятника, которые в противном случае привели бы к изменению периода маятника при изменении температуры. Остаточная скорость теплового расширения компенсировалась до нуля с помощью металлической вставки под грузом. Вакуумный резервуар был откачан ручным насосом до давления около 30  мм рт. ст. (40  гПа ) [14], чтобы 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] таким образом увеличив его точность в четыре раза. Эксперименты Шорта показали, что при 30 мм рт. ст. энергия, потребляемая при изгибе пружины подвески, как раз равнялась энергии, потребляемой при отклонении остаточных молекул воздуха, и поэтому более высокий вакуум не требовался. [14]

Оба маятника были секундными маятниками , длиной около 1 метра (39 дюймов ), с периодом 2 секунды; каждое колебание первичного занимало ровно одну секунду, а естественная скорость вторичного была немного больше. Маятники получали толчок от механизма каждые 30 секунд, чтобы они качались. На вторичных часах было два циферблата, показывающих время, отсчитываемое каждым маятником, для проверки их синхронизации. У них также были электрические клеммы, которые выдавали сигнал синхронизации частотой 1  Гц . К ним можно было прикрепить провода, чтобы передавать сверхточный сигнал времени часов на часы в других городах или транслировать его по радио.

Причина точности

Первичный маятниковый бак

Маятник, качающийся в вакууме без трения, с постоянной амплитудой, свободной от внешних возмущений, теоретически сохраняет идеальное время. [2] Однако маятники в часах должны быть связаны с механизмом часов, что нарушает их естественное качание, и это было главной причиной погрешности в точных часах начала 20-го 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, запускаемый связью, должен дать маятнику толчок (импульс), чтобы возместить энергию, которую маятник теряет из-за трения, чтобы поддерживать его качание. Обе эти функции нарушают движение маятника.

Преимущества часов Шорта заключаются в том, что, во-первых, они уменьшают возмущение основного маятника, вызванное импульсом, поскольку сообщают маятникам импульс только один раз в 30 секунд (30 колебаний маятника), а во-вторых, они устраняют все другие взаимодействия с основным маятником, генерируя необходимый точный сигнал синхронизации для управления вторичными часами (и регистрации хода времени) от самого импульсного механизма, позволяя маятнику качаться «свободно» от помех.

Как это работало

Первичный и вторичный маятники были связаны между собой цепью обратной связи , которая поддерживала синхронизацию вторичного маятника с первичным. [1] [14] Вторичные часы имели механический спусковой механизм, использовавший колесо с 15 зубцами , которое перемещалось вперед при каждом правом колебании маятника с помощью собачки , прикрепленной к маятнику.

Каждые 15 колебаний (30 секунд) этот спусковой механизм отпускал рычаг гравитации , который толкал вторичный маятник. Когда он падал, рычаг гравитации вторичного маятника замыкал переключатель, который активировал электромагнит, который сбрасывал (поднимал) рычаг гравитации вторичного маятника, а также посылал импульс тока на электромагнит в первичном блоке, который отпускал второй рычаг гравитации, чтобы толкать первичный маятник.

Импульс первичному маятнику сообщался весом гравитационного рычага первичного маятника (действующего как ремонтуар ) , катящегося по колесу, прикрепленному к первичному маятнику, причем этот механизм гарантировал, что первичный маятник каждые 30 секунд получал идентичный механический импульс от гравитационного рычага первичного маятника, практически в одной и той же точке своего хода.

Падающий рычаг гравитации первичного маятника замыкал пару контактов во второй электрической цепи, которая сбрасывала этот рычаг и обеспечивала электрический импульс обратно в синхронизатор hit and miss во вторичном блоке. Хотя начало цикла, начатое вторичным блоком, могло изменяться 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 скатывался с колеса на маятнике) было зафиксировано в положении первичного маятника и представляло собой точное время, полученное от «свободного» (первичного) маятника.

Синхронизатор попаданий и промахов

Импульс от первичного маятника использовался для поддержания вторичного маятника в фазе с ним посредством устройства, называемого «синхронизатором попаданий и промахов». [16]

Каждые 30 колебаний, после импульса первичного маятника, положение двух маятников сравнивалось. Это делалось электрическим импульсом из второго контура, активируемого рычагом гравитации первичного маятника, который использовал второй электромагнит во вторичном блоке для перемещения лопасти на путь пластинчатой ​​пружины, прикрепленной к вторичному маятнику. Если вторичный маятник отставал от первичного, пружина цеплялась за лопасть (называлось «ударом»). Пружина давала вторичному маятнику толчок, что сокращало время этого колебания. Если вторичный маятник опережал первичный маятник («промах»), пластинчатая пружина не попадала на лопасть, и вторичный маятник совершал свое нормальное колебание без ускорения от пластинчатой ​​пружины.

Вторичный маятник был настроен на немного более медленную скорость, чем первичный, поэтому вторичный маятник отставал от первичного больше с каждым интервалом, пока не получал «удар», который снова выводил его вперед. Обычно ускорение, возникающее в результате «удара», корректировалось так, чтобы оно было примерно вдвое больше нормальной потери, так что циклы «удар» и «промах» примерно чередовались, отсюда и название механизма. Этот цикл, повторяемый снова и снова, поддерживал вторичный точно в одном темпе с первичным в течение длительного времени. Эта петля обратной связи функционировала как электромеханическая версия петли фазовой автоподстройки частоты , позже использованной в электронике, кварцевых и атомных часах .

Первоначальная стоимость

В 1928 году американский изобретатель Альфред Ли Лумис посетил мастерскую Фрэнка Хоупа-Джонса и ему показали почти завершенные 6-е часы. После того, как Лумису сказали, что цена составляет 240 фунтов стерлингов (что эквивалентно 17 000 фунтов стерлингов в 2023 году), [17] он шокировал Хоупа-Джонса, заказав трое часов и оплатив авансом первые часы. Все трое часов были установлены в его лаборатории Лумиса в Такседо-парке, Нью-Йорк . [18]

Недавние измерения точности

В 1984 году Пьер Бушерон изучал точность рабочих 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 скорость с атомными часами в течение месяца. Он обнаружил, что они были стабильны 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 измерялась ранее. Его данные показали, что часы были настолько чувствительны, что обнаруживали небольшие изменения гравитации из-за приливных искажений в твердой Земле, вызванных гравитацией Солнца и Луны. [20]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Britten, FJ; JW Player (1955). Справочник, словарь и руководство часовщика Бриттена, 15-е изд. Великобритания: Taylor & Francis. стр. 373–375.
  2. ^ ab Day, Lance; Ian McNeil (1998). Биографический словарь истории технологий. Taylor & Francis. стр. 640. ISBN 978-0-415-19399-3.
  3. ^ abcd Джонс, Тони (2000). Разделение секунды: история атомного времени. США: CRC Press. стр. 30. ISBN 978-0-7503-0640-9.
  4. ^ Милхэм, Уиллис И. (1945). Время и хранители времени . Нью-Йорк: MacMillan. С. 615.
  5. ^ Маррисон, Уоррен (1948). «Эволюция кварцевых часов». Bell System Technical Journal . 27 (3): 510–588. doi :10.1002/j.1538-7305.1948.tb01343.x. Архивировано из оригинала 28.02.2014.
  6. ^ "Часы Рифлера и Шорта". Институт времени и технологий JagAir . Получено 29 декабря 2009 г.
  7. ^ abc Betts, Jonathan (22 мая 2008 г.). "Заявление эксперта, Дело 6 (2008–09) Регулятор Уильяма Гамильтона Шорта". Слушание по лицензированию экспорта, Комитет по рассмотрению экспорта произведений искусства и объектов культурного интереса . Совет музеев, библиотек и архивов Великобритании. Архивировано из оригинала (DOC) 25 октября 2009 г. Получено 29 декабря 2009 г.
  8. ^ Seidelmann, P. Kenneth; Dennis D. McCarthy (2009). Время: от вращения Земли до атомной физики. Нью-Йорк: Wiley-VCH. стр. 138. ISBN 978-3-527-40780-4.
  9. ^ Мэттис, Роберт Дж. (2004). Точные часовые маятники. Великобритания: Oxford University Press. стр. 1. ISBN 978-0-19-852971-2.
  10. ^ ab "Atomic Clocks, p. 6". Online Stuff . Science Museum, Kensington, UK, веб-сайт. 2008. Получено 29.12.2009 .
  11. ^ Риле, Фриц (2004). Стандарты частоты: основы и применение. Нью-Йорк: Wiley-VCH. стр. 8. ISBN 978-3-527-40230-4.
  12. ^ "Лот 412 / Продажа 6070: Регулятор английской электрической обсерватории". Запись аукционной продажи . Сайт аукционного дома Christie's. 25 ноября 1998 г. Получено 29 декабря 2009 г.
  13. ^ Кетчен, Ричард (февраль 2008 г.). "Shortt free-pendulum regulator, primary clock no. 17, Inventory Number: 1998-1-0187a". Collection of Historical Scientific Instruments . Dept. of History of Science, Harvard Univ. Архивировано из оригинала 2011-07-19 . Получено 2009-12-30 .
  14. ^ abc Bosschieter, JE (2000). "Свободный маятник Шортта". История эволюции электрических часов . Веб-сайт Bosschieter . Получено 30.12.2009 .
  15. ^ Маттис, 2004, стр.112
  16. ^ Ашер, Эббот Пейсон (1988). История механических изобретений. Courier Dover. стр. 317. ISBN 0-486-25593-X.
  17. ^ Данные дефлятора валового внутреннего продукта Соединенного Королевства следуют «согласованному ряду» MeasuringWorth, предоставленному в Thomas, Ryland; Williamson, Samuel H. (2024). «What Was the UK GDP Then?». MeasuringWorth . Получено 15 июля 2024 г.
  18. ^ Альварес, Луис В. (июль 1977 г.). Альфред Ли Лумис 1887-1975: биографические мемуары (отчет). Управление исследований и разработок в области энергетики США . стр. 15–17. Архивировано из оригинала 30 октября 2020 г.
  19. ↑ Boucheron, Pierre H. (апрель 1985 г.). «Насколько хороши были часы Shortt?». Бюллетень Национальной ассоциации коллекционеров часов . 27 (2–235). Колумбия, Пенсильвания: NAWCC : 165–173. ISSN  0027-8688. идентификатор книги 8247 ;
    цитируется в "Библиографии". Boucheron – NAWCC 235. Rolling Ball Web (Отчет). идентификатор книги 8247. Архивировано из оригинала 8 августа 2010 г.
  20. ^ 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