Hodinový strojček

Strojček Quartz - hodiny: fungovanie a história

Quartzový strojček, ktorý prináša presnosť, ktorá nemá v historii „zachytávanie“ a zobrazovanie času obdoby, spôsobil revolúciu v hodinárskom priemysle. Prevrátil náš život naruby, pretože teraz bolo konečne možné mať presný čas v každodennom živote.

Aby sme pochopili, do akej miery tento quartzový strojček spôsobil revoluciu vo svete, podívame sa na to v tomto článku:

• Ako funguje quartzový strojček.
• História quartzového strojčeka.
• Kremenný strojček vs. mechanický strojček.

1) Ako funguje quartzový strojček, fungovanie a vlastnosti kremeňa

Fungovanie mechanizmu využívajúceho quartzový strojček je veľmi jednoduché. Pri elektrickom podnete začne kremeň vďaka svojim piezoelektrickým vlastnostiam kmitať s presnou frekvenciou. Táto dobre kalibrovaná frekvencia trvá presne jednu sekundu, a preto ju hodinári veľmi ľahko využívajú na konštrukciu extrémne presných hodín. Na dosiahnutie tejto vytúženej frekvencie sa kremeno rozreže na lamelu, ktorá sa potom umiestni do cínovej trubičky, aby bola chránená.

Ako funguje a ako sa používa v hodinárstve, závisí tiež a predovšetkým na režime zobrazenia, digitálnom alebo analógovom.

2) Quartzový strojček a digitálny displej

Hodiny ,alebo hodinky s digitálnym displejom je možné veľmi jednoducho ovládať pomocou vlastností kŕmeňa. Zdrojom energie je batéria, ktorá bude vysielať impulzy do kremeňa. Tento impulz vytvorí vibracie, ktoré sa prenášajú na čip inštalovaný v mechanizme. Tento čip potom dekóduje všetky prijaté vibracie a povie displeju, aby sa každú sekundu zväčšil o jeden zvuk a potom každých 60 sekúnd o jednu minútu atď...

3) Quartzový strojček a analógový displej

U analógového displeja je to trochu dlhšie a zložitejšie. Batéria, rovnako ako u digitálneho displeja, vyšle do quartzového strojčeka impulz, ktorý ho rozkmitá a pošle do čipu. Čip tentoraz vyšle elektrický impulz do cievky patriacej krokovému motoru.

4) Krokový motor

Marius Lavet je vynálezcom krokového motora z roku 1936, tento motor sa skladá z:

• cievky
• Statora
• Magnetického rotora

Pri otáčaní magnetu vo valci vzniká elektrický prúd. Na rovnakom princípe funguje aj opačný princíp, tj vyvolaním elektrického prúdu v cievke sa následne vytvorí elektrický prúd.

Na tomto princípe funguje krokový motor! Rotor je zmagnetizovaný, do cievky potom zavedieme elektrický prúd, ktorý v statore vytvorí magnetický prúd, ktorého výsledkom je polovičné otáčanie rotora. Potom sa vyšle elektrický prúd v opačnom smere, aby sa v statore obrátila polarita, čo spôsobí, že rotor vykoná plnú otáčku. Pohyb rotora sa potom prenáša na ozubené kolesá, ktoré zaisťujú činnosť kremenného mechanizmu.

Bonus: Ak na hodiny alebo hodinky pripevníte stator hore nohami, bude bežať hore nohami.

História a vynález quartzového strojčeka, tvorcovia a prvé predmety

Piezoelektrický efekt kremeňa vynašli, či skôr objavili, dvaja francúzski bratia: Pierre a Jacques z veľmi slávnej rodiny Curieovcov (svetovo preslávené najmä vďaka práci, ktorú Pierre a jeho žena Mária Curieová vykonávali v oblasti rádioaktivity).

Tento piezoelektrický jav sa prejavuje, keď sa určité kryštály (v našom prípade kremeň) stlačia, čo spôsobí, že vo vnútri týchto kryštálov začne kolovať elektrina. Platí to aj obrátene: ak prechádza kremeňom elektrina, začne kremeň vibrovať sem a tam. Vedecká definícia piezoelektriny je nasledovná:

Piezoelektrina (nazývaná tiež piezoelektrický jav) je vznik elektrického potenciálu (inými slovami napätia) po stranách kryštálu, ak ho vystavíte mechanickému namáhaniu (stlačeniu).

V praxi sa kryštál stáva akousi malou batériou s kladným nábojom na jednej strane a záporným nábojom na strane druhej. Prúd tečie, pokiaľ obe strany spojíme dohromady a vytvoríme obvod. Pri inverznom piezoelektrickom jave je kryštál vystavený mechanickému napätiu (tvarovej deformácii), keď na jeho protiľahlé strany privedieme napätie.

Hromadné uvádzanie na trh a použitie

V roku 1927 Waren Marrison a J. W. Horton z Bellových laboratórií predstavili prvé hodiny, ktoré pracovali s kremenným strojčekom: Crystal clock.

Tieto prvé kremenné hodiny, ktoré mali veľkosť skrinky, pracovali na základe využitia oscilácie kremeňa spôsobenej piezoelektrickým účinkom, pričom táto elektrická oscilácia umožňuje vytvoriť veľmi presný signál pri zachovaní rovnakej frekvencie. To umožňuje počítať sekundy a vytvárať tak mimoriadne presné hodiny a hodinky.

Prvé hodinky pracujúce s týmto kremenným mechanizmom zostrojila spoločnosť Seiko. Pre svoju jednoduchosť tvorby, presnosť a nižšiu cenu sa quartzový strojček rýchlo stal najrozšírenejším prvkom v hodinkách. Navyše takmer všetky naše nástenné hodiny pracujú s quartzovým strojčekom. Tieto prvé hodinky boli v čase svojho vzniku nesmierne drahé, mať také presné hodinky bolo v tom čase známkou veľkého bohatstva.

Ďalšie predmety využívajúce kremeň

V dnešnej dobe existuje nespočetné množstvo predmetov dennej potreby využívajúcich quartzový strojček. Pôvodne všetky predmety používané ako časomiery: hodiny, náramkové hodinky, dokonca aj niektoré kyvadlové hodiny používajú quartzový strojček, aby bola zachovaná estetika hodín a zároveň optimalizovaná spoľahlivosť zobrazenia času. Tiež chronometer používa quartzový strojček. Vďaka piezoelektrickému efektu a nízkej cene sa kremeň hojne používa na výrobu oscilátorov. Z tohto minerálu sa vyrába mnoho ďalších predmetov, svetová produkcia kremeňa na elektronické účely dosahuje dve miliardy ročne.

Kremenný pohyb vs. mechanický pohyb

Všetci vieme, že hodiny udržujú a ukazujú čas, ale premýšľali ste niekedy, ako to robia? Najjednoduchšie hodiny, ktoré si môžete vyrobiť, sú pravdepodobne hovoriace hodiny. Pokiaľ budete počítať sekundy opakovaním vety, ktorej vyslovenie trvá presne jednu sekundu (napríklad "slon jedna", "slon dve", "slon tri"...), zistíte, že čas môžete merať pomerne presne. Vyskúšajte si to. Hovorte slony od jednej do šesťdesiatich a sledujte, ako udržíte čas dlhšie ako minútu, vo vzťahu k hodinkám. Nie je to zlé, čo hovoríte? Problém je, že väčšina z nás má celý deň na práci lepšie veci ako hovoriť "slon". Preto sme radi, že sme vynašli hodiny.

Mechanický strojček

Prvé hodiny používali mechanické strojčeky ešte predtým, než sa objavil quartzový strojček. Vo vtedajšom hodinárskom priemysle sa na meranie času väčšinou používali kyvadlové hodiny. Kyvadlo je dlhá tyč alebo závažie na povrázku, ktoré sa kýve dopredu a dozadu. V roku 1583 taliansky fyzik Galileo Galilei (1564-1642) zistil, že kyvadlu určitej dĺžky trvá vždy rovnakú dobu, než sa rozhojdá tam a späť, bez ohľadu na jeho hmotnosť alebo veľkosť. Uvedomil si to, keď pozoroval obrovskú lampu, ktorá sa hojdala na reťazi zo stropu katedrály v talianskej Pise a pomocou pulzu meral jej pohyb tam a späť. V hodinách je funkciou kyvadla nastavovať rýchlosť ozubených kolies (ozubené kolesá s vybrúsenými zubami). Rýchlosti počítajú počet ubehnutých sekúnd a prevádzajú ich na minúty a hodiny, ktoré sa zobrazujú na ručičkách, ktoré obiehajú číselník. Inými slovami: ozubené kolesá hodín počítajú iba slony. Otvorená skriňa veľkých deduškových hodín ukazujúca kyvadlo kývajúce sa vo vnútri. Kyvadlo si môžete vyrobiť tak, že na kúsok špagátu pripevníte závažie. Pokiaľ je povrázok dlhý asi 25 cm, kyvadlo sa zhruba raz za sekundu rozhojdá tam a späť. Kratšie povrázky budú kývať rýchlejšie a dlhšie pomalšie. Tento mechanizmus navyše používajú kukučkové hodiny.

Obmedzenie tohto strojčeka

Problémom hodín využívajúcich mechanické mechanizmy, ako sú kyvadlové hodiny, je, že sa kontinuálne kyvadlo zastaví. Odpor vzduchu a trenie čoskoro vyčerpajú jeho energiu a zastavia ho. Preto majú kyvadlá pružiny. Približne raz denne sa vo vnútri hodín natiahne pružina, ktorá uchová potenciálnu energiu potrebnú na to, aby kyvadlo bežalo ďalších 24 hodín. Ako sa pružina odvíja, poháňa ozubené kolesá vo vnútri hodín. Prostredníctvom naklápacieho mechanizmu zvaného escapement kyvadlo núti ozubené kolesá otáčať sa presnou rýchlosťou, a tak ozubené kolesá udržujú čas. Vreckové hodinky sú samozrejme príliš malé na to, aby v nich bolo kyvadlo, a preto používajú iný mechanizmus. Namiesto kyvadla majú kyvadlo, ktoré sa otáča najprv jedným smerom a potom druhým, ovládané šmýkadlom, ktoré je oveľa menšie ako kyvadlo.

Výhody quartzového strojčeka

Hodiny, ktoré pracujú s kremenným strojčekom, všetky tieto problémy riešia. Sú napájané batériami, a pretože spotrebúvajú málo elektriny, batérie často vydržia niekoľko rokov, než ju budete musieť vymeniť. Sú tiež oveľa presnejšie ako kyvadlové hodiny. Quartzové hodinky fungujú úplne odlišným spôsobom ako bežné hodiny a hodinky. Stále majú v sebe ozubené kolieska, ktoré počítajú sekundy, minúty a hodiny a posúvajú ručičky po ciferníku. Namiesto kmitajúceho kyvadla alebo pohyblivej váhy sú však prevody regulované malým kremenným kryštálom. Gravitácia sa na prevodoch vôbec neprejavuje, takže kremenné hodiny ukazujú čas ako pri výstupe na Everest, tak na mori.