De geschiedenis van mechanische slingeruurwerken en kwartsklokken
Gedurende het grootste deel van de Middeleeuwen, van ruwweg 500 tot 1500 na Christus, stond de technologische vooruitgang in Europa vrijwel stil. De stijlen van zonnewijzers evolueerden, maar ze verwijderden zich niet ver van de oude Egyptische principes.
Eenvoudige zonnewijzers
Eenvoudige zonnewijzers boven deuropeningen werden in de Middeleeuwen gebruikt om de middag en de vier “getijden” van de zonovergoten dag aan te geven. In de 10e eeuw werden verschillende soorten zakzonnewijzers gebruikt — een Engels model identificeerde de getijden en compenseerde zelfs de seizoensgebonden veranderingen in de hoogte van de zon.
Mechanische klokken
In het begin tot het midden van de 14de eeuw verschenen er grote mechanische klokken in de torens van verschillende Italiaanse steden. Er zijn geen gegevens over werkende modellen die voorafgingen aan deze openbare klokken, die door gewichten werden aangedreven en door spillegang- en bladgangechappementen werden geregeld. De spillegangmechanismen regeerden meer dan 300 jaar met variaties in de vorm van de spillegang, maar ze hadden allemaal hetzelfde fundamentele probleem: de slingerperiode was sterk afhankelijk van de hoeveelheid aandrijfkracht en de hoeveelheid wrijving in de aandrijving, zodat de snelheid moeilijk te regelen was.
Klokken aangedreven door een veer
Een andere vooruitgang was een uitvinding van Peter Henlein, een Duitse slotenmaker uit Neurenberg, ergens tussen 1500 en 1510. Henlein creëerde klokken die door een veer werden aangedreven. De vervanging van de zware aandrijfgewichten resulteerde in kleinere en meer draagbare klokken en horloges. Henlein gaf zijn klokken de bijnaam “Eieren van Neurenberg”.
Hoewel ze trager werden naarmate de hoofdveer afrolde, waren ze populair bij welgestelde particulieren vanwege hun formaat en omdat ze op een plank of tafel konden worden geplaatst in plaats van aan de muur opgehangen. Het waren de eerste draagbare uurwerken, maar ze hadden alleen uurwijzers. De minutenwijzers verschenen pas in 1670, en klokken hadden in die tijd geen glazen bescherming. Glas over de wijzerplaat van een horloge kwam pas in de 17e eeuw tot stand. Toch was Henleins vooruitgang in het ontwerp een voorloper van een werkelijk nauwkeurige tijdmeting.
Nauwkeurige mechanische klokken
Christian Huygens, een Nederlandse wetenschapper, maakte het eerste slingeruurwerk in 1656. Het werd geregeld door een mechanisme met een “natuurlijke” trillingsperiode. Hoewel Galileo Galilei soms wordt gecrediteerd als de uitvinder van de slinger en hij de beweging ervan al in 1582 bestudeerde, werd zijn ontwerp voor een klok niet voor zijn dood gebouwd. Huygens’ slingeruurwerk had een fout van minder dan één minuut per dag, de eerste keer dat een dergelijke nauwkeurigheid werd bereikt. Zijn latere verfijningen brachten de fouten van zijn klok terug tot minder dan 10 seconden per dag.
Huygens ontwikkelde het balanswiel en de veer ergens rond 1675 en het is nog steeds te vinden in sommige van de huidige polshorloges. Door deze verbetering konden 17de-eeuwse horloges de tijd tot 10 minuten per dag bijhouden.
William Clement begon in 1671 in Londen klokken te bouwen met het nieuwe anker- of terugslaguurwerk. Dit was een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de spillegang, omdat het minder interfereerde met de beweging van de slinger.
In 1721 verbeterde George Graham de nauwkeurigheid van het slingeruurwerk tot één seconde per dag door veranderingen in de lengte van de slinger als gevolg van temperatuurschommelingen te compenseren. John Harrison, een timmerman en autodidactisch klokkenmaker, verfijnde Grahams temperatuurcompensatietechnieken en voegde nieuwe methoden toe om de wrijving te verminderen. In 1761 had hij een marinechronometer gebouwd met de veer en een balansschijf die in 1714 de prijs van de Britse regering had gewonnen voor een manier om de lengtegraad tot op een halve graad nauwkeurig te bepalen. De chronometer hield de tijd aan boord van een rollend schip tot op ongeveer een vijfde van een seconde per dag bij, bijna net zo goed als een slingeruurwerk op het land kon doen, en tien keer beter dan vereist.
Uitgelicht: https://www.klokkenshop.com/kleur/zwarte-klokken/
In de loop van de volgende eeuw leidden verfijningen tot Siegmund Riefler’s klok met een bijna vrije slinger in 1889. Het bereikte een nauwkeurigheid van een honderdste van een seconde per dag en werd de standaard in veel astronomische observatoria.
Een echt vrij slingerprincipe werd rond 1898 geïntroduceerd door R.J. Rudd, wat de ontwikkeling van verscheidene vrij slingerende klokken stimuleerde. Een van de beroemdste, de W. H. Shortt klok, werd in 1921 gedemonstreerd. De Shortt-klok verving vrijwel onmiddellijk de klok van Riefler als opperste tijdwaarneming in vele observatoria. Deze klok bestond uit twee slingers, de ene een “slave” genoemd en de andere een “master”. De “slave” slinger gaf de “master” slinger de zachte duwtjes die nodig waren om zijn beweging te behouden, en dreef ook de wijzers van de klok aan. Hierdoor kon de “meester”-slinger vrij blijven van mechanische taken die zijn regelmatigheid zouden verstoren.
Tip: https://www.klokkenshop.com/overige-klokken/kleine-klokjes/
Kwartsuurwerken
Kwarts kristallen klokken vervingen de Shortt klok als de standaard in de jaren 1930 en 1940, en verbeterden de prestaties van de tijdwaarneming veel verder dan die van slinger- en balanswiel echappementen.
De werking van kwartsuurwerken is gebaseerd op de piëzo-elektrische eigenschap van kwarts kristallen. Wanneer een elektrisch veld op het kristal wordt toegepast, verandert het van vorm. Het genereert een elektrisch veld wanneer het wordt samengedrukt of gebogen. Wanneer het in een geschikte elektronische schakeling wordt geplaatst, zorgt deze wisselwerking tussen mechanische spanning en elektrisch veld ervoor dat het kristal gaat vibreren en een elektrisch signaal met constante frequentie opwekt dat kan worden gebruikt om een elektronische klokdisplay te bedienen.
Kwarts kristallen klokken waren beter omdat zij geen tandwielen of echappementen hadden die hun regelmatige frequentie konden verstoren. Toch berustten zij op een mechanische trilling waarvan de frequentie kritisch afhing van de grootte en de vorm van het kristal. Geen twee kristallen kunnen precies gelijk zijn met precies dezelfde frequentie. Kwartsuurwerken blijven de markt in aantallen domineren omdat hun prestaties uitstekend zijn en ze niet duur zijn. Maar de prestaties van kwartsuurwerken op het gebied van de tijdmeting zijn inmiddels aanzienlijk overtroffen door atoomklokken.
