Почему кварцевые часы такие точные?
Почему кварцевые часы такие точные?
Начиная со второй половины 20-го века наручные часы стали дешеветь и становиться более точными. Это произошло благодаря изобретению кварцевых часов, которые представляют собой электрические часы или часы, работающие от батарейки. Кварцевые часы - это наиболее распространенная альтернатива механическим часам.
Кварцевые часы могут быть как дешевыми, так и ошеломляюще дорогими. Общей чертой кварцевых часов является высокая точность измерения времени. Чтобы понять, почему кварцевые часы настолько точны по сравнению с механическими, необходимо рассмотреть механизм. Механизм кварцевых часов всегда работает с одной и той же частотой и не испытывает трения, из-за которого механические часы со временем теряют точность.
История возникновения кварцевых часов
Возможно, вы никогда не слышали о "кварцевом кризисе", но если вы были часовщиком или любителем часов в 1970-х годах, то он был неизбежен. За столетия, прошедшие с момента изобретения первых карманных часов в начале XVI века, часовая промышленность претерпела множество изменений, но ничто не было столь сейсмическим, как создание кварцевых часов.
Первые кварцевые часы были созданы в 1927 году в Bell Telephone Laboratories. В 20 веке мифическая лаборатория Bell Labs была местом рождения многих самых революционных изобретений в мире, и кварцевые часы, безусловно, изменили мир. Прошли годы, прежде чем кварцевая механика стала достаточно маленькой, чтобы поместиться в часы, но когда это произошло, все изменилось. Так началась кварцевая революция (для одного человека революция - это кризис для другого).
Этот поворотный момент произошел на Рождество 1969 года. Японская часовая компания Seiko выпустила ограниченную серию часов Astron, которые стоили столько же, сколько автомобиль. Несмотря на такое дорогое начало, прошло еще несколько лет, прежде чем кварцевые часы стали настолько популярны, что ранее доминировавшие швейцарские часовщики были в панике.
Аналоговые и цифровые часы
На протяжении большей части своей истории часы были аналоговыми. То есть они имели циферблат с физическими часами, минутами и, как правило, секундной стрелкой. Кварцевая революция в часовом деле совпала с появлением цифровых часов, оснащенных электронными световыми индикаторами. Первые цифровые часы были выпущены на рынок в 1972 году и были созданы американской компанией Hamilton Watch Co.
Хотя первые цифровые часы были американскими, именно Япония взяла эту концепцию, усовершенствовала ее и сделала дешевле. Компания Seiko, естественно, возглавила этот процесс и вскоре стала одним из крупнейших производителей часов в мире. Эта новаторская компания разумно решила производить как кварцевые аналоговые, так и цифровые часы, что помогает ей продолжать доминировать на рынке, который она помогла изобрести.
Основы измерения времени
Чтобы оценить огромную трансформацию, которую произвели кварцевые часы, необходимо понять, как работают кварцевые часы, а для этого сначала нужно кратко обсудить принцип работы часов в целом.
Первые часы использовали смесь качающихся маятников и шестеренок для учета секунд, а затем для подсчета минут и часов. Откровение о том, что маятники являются идеальным инструментом для поддержания точного времени, впервые сделал Галилео Галилей, возможно, наиболее известный как человек, чья защита гелиоцентризма привела к домашнему аресту до конца его жизни.
Маятники, действительно, удобны, но вряд ли практичны для ношения на запястье. Механические часы заменили их спусками и маятниками. Эти две детали работают вместе, как маятник, отслеживая ход времени посредством движений вперед-назад. На протяжении веков это был самый точный способ измерения времени. Затем были открыты кварцевые осцилляторы.
Как работают кварцевые часы?
Кварц - второй по распространенности минерал на Земле, но, помимо его распространенности, его важнейшей особенностью является то, что он пьезоэлектрик. Когда электричество проходит через кристалл кварца, он вибрирует или колеблется. Частота колебаний кварцевых кристаллов - 32 678 раз в секунду - используется для определения хода времени.
Кварцевые часы используют энергию батарейки для передачи постоянного электрического заряда через кристалл кварца. Кварцевые часы, как и механические, имеют шестеренки, которые вращают стрелки (при условии, что это механические часы; цифровые дисплеи - это совсем другое), но если в механических часах время определяется осциллятором, то в кварцевых часах хронометром является кристалл кварца.
Почему кварцевые часы более точные, чем механические?
Теперь вы знаете основы работы кварцевых часов, но почему кварцевые часы по своей сути более точные, чем механические? Существует множество факторов, но первый, на котором мы остановимся, - это основы физики.
Чтобы механические часы совершали колебания, энергия должна передаваться через множество деталей для вращения шестеренок, механизма спуска и маятника. Эта энергия поступает либо от ручного завода часов, либо, в автоматических часах, от естественного движения запястья владельца.
Движущиеся детали создают трение и потребляют энергию, поэтому, как бы регулярно вы ни заводили часы, часть ваших усилий теряется. В кварцевых часах движущиеся части сведены к минимуму, а энергию они получают от батарейки, поэтому энергия, необходимая для поддержания колебаний кристалла, не теряется.
Кстати, о колебаниях: естественная частота кварца также является гораздо более надежным средством поддержания времени, чем физические механизмы механических часов, как бы хорошо они ни были сделаны. Даже величайшие часовщики Швейцарии ограничены физическими реалиями создания невероятно сложного механизма.
Малейшая ошибка изменит точность хода часов. Кварцевый кристалл всегда будет колебаться с одной и той же частотой, независимо от того, насколько плохо спроектирована остальная часть часов.
Наконец, на точность хода часов влияют естественные силы Вселенной, в частности, гравитация. Как и все остальное, механические части часов подвержены притяжению гравитации. Часовщики боролись с этим на протяжении веков и нашли множество решений этой проблемы, включая невероятно крутые конструкции турбийонов.
Современные конструкции механических часов в основном устранили влияние гравитации, а для кварцевых часов это вообще не проблема. Кварцевый кристалл будет колебаться одинаково, независимо ни от чего.
