Shortt–synkron klocka
Shortt -Synchronome fria pendelklocka är en komplex elektromekanisk precisionspendelklocka som uppfanns 1921 av den brittiske järnvägsingenjören William Hamilton Shortt i samarbete med urologen Frank Hope-Jones, och tillverkad av Synchronome Company, Ltd., London . De var de mest exakta pendelklockorna som någonsin tillverkats kommersiellt och blev den högsta standarden för tidtagning mellan 1920- och 1940-talen, varefter mekaniska klockor ersattes av kvartstidsstandarder . De användes över hela världen i astronomiska observatorier , sjö-observatorier , i vetenskaplig forskning och som en primär standard för nationella tidsspridningstjänster . Shortten var den första klockan som var en mer exakt tidtagare än jorden själv; den användes 1926 för att upptäcka små säsongsmässiga förändringar i jordens rotationshastighet. Shortt-klockor uppnådde en noggrannhet på cirka en sekund per år, även om en ny mätning visade att de var ännu mer exakta. Cirka 100 tillverkades mellan 1922 och 1956.
Shortt klockor höll tiden med två pendlar , en primär pendel som svänger i en vakuumtank och en sekundär pendel i en separat klocka, som synkroniserades med den primära med elektromekaniska medel. Den sekundära pendeln var fäst vid klockans tidtagningsmekanismer, vilket lämnade den primära pendeln praktiskt taget fri från yttre störningar.
Beskrivning
Shortt-klockan består av två separata enheter: den primära pendeln i en kopparvakuumtank 26 cm i diameter och 125 cm hög fäst vid en vägg, och en precisionspendelklocka låst till den, som står några meter bort. För att förhindra någon möjlighet till koppling mellan pendlarna installerades de två enheterna antingen långt ifrån varandra i olika rum, eller så var enheterna orienterade så att de två pendlarnas svängplan var nittio grader ifrån varandra. Den sekundära klockan var en modifierad version av en standardsynkroniserad precisionsregulatorklocka. De två komponenterna var sammanlänkade med ledningar som bar elektriska pulser som drev elektromagneter i mekanismerna för att hålla de två pendeln svängande synkront. Den primära pendelstången och dess vikt på 14 pund var gjorda av legeringen invar för att minska termisk expansion och sammandragning av pendeln som annars skulle få pendelns period att variera med temperaturförändringar. Den återstående termiska expansionshastigheten kompenserades till noll med en metallinsats under boben. Vakuumtanken evakuerades av en handmanövrerad pump till ett tryck på cirka 30 mmHg (40 hPa ) för att förhindra förändringar i atmosfärstrycket från att påverka pendelns hastighet, och även för att kraftigt minska det aerodynamiska motståndet på pendeln, vilket ökade dess Q-faktor från 25 000 till 110 000, vilket ökar dess noggrannhet med en faktor fyra. Experiment av Shortt visade att vid 30 mmHg var energin som förbrukades av upphängningsfjäderns böjning precis lika med energin som förbrukades genom att avleda de kvarvarande luftmolekylerna och därför krävdes inget högre vakuum.
Båda pendlarna var sekundspendlar , cirka 1 meter långa , med en period av 2 sekunder; varje sväng av primären tog exakt en sekund, med sekundärens naturliga takt mycket längre. Pendlarna fick ett tryck från mekanismen en gång var 30:e sekund för att hålla dem i svängning. Den sekundära klockan hade två urtavlor på sig, som visar tiden som hålls av varje pendel, för att verifiera att de var synkroniserade. Den hade också elektriska terminaler som producerade en 1 Hz tidssignal. Ledningar kan kopplas till dessa för att överföra klockans ultraexakta tidssignal till klockor i andra städer, eller sända den via radio.
Anledning till noggrannhet
,_World_Museum_Liverpool.png)
En pendel som svänger i ett vakuum utan friktion, med en konstant amplitud fri från yttre störningar, håller teoretiskt sett perfekt tid. Men pendlar i klockor måste kopplas till klockans mekanism, vilket stör deras naturliga svängning, och detta var den främsta orsaken till fel i precisionsklockor i början av 1900-talet. En vanlig klockas mekanism interagerar med pendeln varje svängning för att utföra två funktioner: för det första måste pendeln aktivera någon form av länk för att registrera tidens gång. För det andra måste klockans mekanism, utlöst av länkaget, ge pendeln en push (impuls) för att ersätta den energi som pendeln förlorar till friktion, för att hålla den svängande. Dessa två funktioner stör båda pendelns rörelse.
Fördelarna med Shortt-klockan är för det första att den minskade störningen av den primära pendeln på grund av impulsen genom att bara ge pendeln en impuls exakt var 30:e sekund (30 pendelsvängningar), och för det andra eliminerade den all annan interaktion med den primära pendeln. pendeln genom att generera den nödvändiga exakta tidssignalen för att styra den sekundära klockan (och registrera tidens gång) från själva impulsmekanismen, vilket lämnar pendeln att svänga "fri" från störningar.
Hur det fungerade
De primära och sekundära pendeln länkades samman i en återkopplingsslinga som höll den sekundära synkroniserad med den primära. Den sekundära klockan hade ett mekaniskt utlopp med hjälp av ett 15-tands räknehjul som fördes framåt varje höger pendelsvängning av en spärrhake fäst vid pendeln.
Var 15:e svängning (30 sekunder) släppte denna flykt en gravitationsspak som gav den sekundära pendeln ett tryck. När den föll stängde den sekundära pendelns gravitationsspak en omkopplare som aktiverade en elektromagnet som återställde (höjde) den sekundära pendelns gravitationsspak och även skickade en strömpuls till en elektromagnet i den primära enheten som släppte en andra gravitationsspak för att ge den primära pendel ett tryck.
Impulsen till den primära pendeln gavs av vikten av den primära pendelns gravitationsspak (som fungerar som en remontoire ) som rullade av ett hjul som var fäst vid den primära pendeln, denna mekanism säkerställer att den primära pendeln fick en identisk mekanisk impuls var 30:e sekund från primär pendelgravitationsspak, mycket nära exakt samma del av dess slag.
Den fallande primära pendelns gravitationsspak stängde ett par kontakter i en andra elektrisk krets, som återställde den spaken och gav en elektrisk puls tillbaka till träff-och-miss-synkronisatorn i den sekundära enheten. Även om början av cykeln, som inleddes av den sekundära enheten, kunde variera med en mycket liten mängd var trettionde sekund, återställnings- och synkroniseringsåtgärden (som bara tog punkt i det ögonblick som juvelen i den primära klockans gravitationsarmsenhet rullade av hjulet på pendeln) fixerades till läget för den primära pendeln och representerade den exakta tiden som härleddes från den "fria" (primära) pendeln.
Hit and miss synchronizer
Pulsen från den primära pendeln användes för att hålla den sekundära pendeln i fas med den genom en anordning som kallas "träff-och-miss-synkroniserare". Var 30:e svängning, efter att den primära pendeln hade impulsen, jämfördes positionen för de två pendeln. Detta gjordes av en elektrisk puls från den andra kretsen, aktiverad av den primära pendelns gravitationsspak, som använde en andra elektromagnet i den sekundära enheten för att flytta en skovel in i banan för en bladfjäder fäst vid den sekundära pendeln . Om den sekundära pendeln släpade efter primärpendeln, skulle fjädern haka på vingen (kallad "träff"). Fjädern skulle ge den sekundära pendeln ett tryck, vilket förkortade tiden för den svängningen. Om den sekundära pendeln var före den primära pendeln (en "miss") skulle bladfjädern missa vingen och den sekundära pendeln skulle göra sin normala svängning, utan acceleration från bladfjädern. Den sekundära pendeln var inställd på en något långsammare hastighet än den primära, så den sekundära skulle släpa efter den primära mer varje intervall tills den fick en "träff" som satte den framåt igen. Vanligtvis skulle accelerationen som resulterar från en "träff" justeras till att vara ungefär dubbelt så stor som den normala förlusten, så att "träff" och "miss" cykler ungefär växlar, därav namnet på mekanismen. Denna cykel, som upprepades om och om igen, höll den sekundära exakt i takt med den primära på lång sikt. Denna återkopplingsslinga fungerade som en elektromekanisk version av en faslåst slinga , senare använd i elektronik och kvarts- och atomur .
Ursprunglig kostnad
1928 besökte den amerikanske uppfinnaren Alfred Lee Loomis verkstaden hos Frank Hope-Jones och visades en nästan färdig 6:e klocka. Efter att Loomis fick veta att priset var 240 pund (motsvarande $14 567 2019), chockade han Frank genom att beställa tre klockor och betala för den första klockan. Alla tre klockorna installerades på hans Loomis Laboratory i Tuxedo Park, New York .
Senaste noggrannhetsmätning
1984 studerade Pierre Boucheron noggrannheten hos en Shortt-klocka bevarad vid US Naval Observatory . Med hjälp av moderna optiska sensorer som detekterade den exakta tiden för pendelns passage utan att störa den, jämförde han dess hastighet med en atomur under en månad. Han fann att det var stabilt till 200 mikrosekunder per dag (2,31 ppb ), vilket motsvarar en felfrekvens på en sekund på 12 år, mycket mer exakt än den 1 sekund per år som tidigare uppmätts. Hans data avslöjade att klockan var så känslig att den upptäckte de små förändringarna i gravitationen på grund av tidvattenförvrängningar i den fasta jorden orsakade av solens och månens gravitation.
Se även
Vidare läsning
- Hope-Jones, Frank (1940). Elektrisk tidtagning . London: NAG Press.
- Miles, RH (2019). Synchronome - Masters of Electrical Timekeeping . London: AHS. ISBN 978-0901180551