Időmérés - módszerek a kezdetektől napjainkig

Ebben a részben áttekintjük az időmérés történetét, alkalmazott módszereit, eszközeit.

Az időmérés elve

Az idő mérése mindíg valamilyen állandó, stabil csillagászati vagy fizikai jelenség alapján történik.

Időmérésre használt csillagászati jelenségek:
- a Föld saját tengely körüli forgása
- a Föld Nap körüli keringése,
- a Hold Föld körüli keringése

Időmérésre használt fizikai jelenségek:
- az inga lengésideje
- kvarckristály rezgése
- atomok rezgése

Csillagászati módszerek

Valószínüleg a leghamarabb a "napnyi" időtartam mérését ismerték fel. Elég könnyen megfigyelhető, hogy bár a világos és sötét időszakok hossza nem egyforma, de egy sötét és egy világos időszak együttes hossza mindíg ugyanannyi.
Ezt az időtartamot nevezzük egy napnak.
Ezt osztották később 24 órára.

Azt is bizonyára hamar megfigyelték, hogy a Hold fázisváltozásai 29,5 naponta ismétlődnek.
Ezzel egy nagyobb időegység a hónap "természetes" alapjai is adottak.

Egy még nagyobb időegység csillagászati alapját adja az az időszak, amennyi alatt a Föld egyszer körüljárja a Napot (amennyi idő alatt a Nap csillagokhoz viszonyított helyzete ugyanarra a pontra ér vissza).
Ezt az időszakot nevezzük egy évnek.
Pontos időtartama 365 nap, 6 óra, 41 perc, 59 másodperc.

Ezeket a jelenségeket viszonylag hamar felismerték és alkalmazták időmérésre.
A babiloniak már Kr. e. 2400-ban az évet 12 egyenlő részre és a napot 24 órára osztották fel. Ők és tőlük függetlenül az egyiptomiak is 365 nap és 6 óra hosszúnak mérték, ami nagyon jól megközelíti a pontos értéket.

Az ennél rövidebb időtartamok méréséhez már eszközök szükségesek, ezek a következő részekben találhatók.

Régi időmérőeszközök
(napóra, vízóra, homokóra, gyertyaóra)

A legkorábbi időmérő eszközöket a régi Egyiptomban találták fel. A napóra egy egyszerű változatát az árnyékórát használták. Ez két farúdból állt: az egyik árnyékot vetett a beosztással ellátott másikra.
Később a baloldali animációban látható "korszerűbb" napóra változatot alkalmazták. Hasonlók napjainkban is láthatók, inkább érdekességként, díszítő térplasztikaként. Az időmérő funkció nem annyira lényeges.

Ugyancsak Egyiptomban alkalmazták a vízórát rövidebb időtartamok mérésére.
Az egyik edényből a víz az edény "geometriai méretei" (térfogat, magasság, lukméret) által meghatározott időtartam alatt csepeg át a másikba.

Különösen a középkorban használták a homokórát rövidebb időtartamok mérésére.

A két egymással keskeny csővel összekötött üvegedény "geometriai méretei" (térfogat, magasság, lukméret) által meghatározott időtartam alatt "pereg" át a homok a másikba.
"Lejárta" után egyszerűen megfordítható és "újraindul".

Európában valószínüleg már a XIV. század előtt.
A XIV. százat végén ezzel mérték a bírósági felszólalások, az egyetemi hozzászólások vagy a büntetések idejét.
Rövidebb időtartamok mérésére (vagy dísznek) ma is használják.

Ugyancsak a középkorban használtak a gyertyát is rövidebb időtartamok mérésére. Először 900.körül említik, de bizonyára régebben is használták. Az egyenletesen égő gyertyából azonos idő alatt azonos magasságú viaszoszlop olvad le. Egy adott időtartam mérésére alkalmas. Használták "időzítésre" is. Egy szeget a megfelelő osztásnál a gyertyába szúrva, amikor odáig elégett (amikor a megfelelő időtartam végetért) egy fémtálkába leeső szeg jelezte. Az ábrára kattintva egy animáció mutatja be a "gyertyaóra működését". A befejezéskor újra rákattintva visszaáll az alaphelyzetbe és újraindítható.

Mechanikus időmérők

Az első mechanikus órákat a XIII. század vége felé készítették.

Az ábrán egy olasz kolostor órájának szerkezete látható a XV. századból.

Nagy, robosztus szerkezetek voltak, az egész templomtornyot elfoglalták.
Rugó vagy mozgó súly működtette ezeket.

Kisebb méretű, háztartásokban is alkalmazható változataik a XVI században fejlődtek ki. Ekkor jelentek meg a zsebórák és karórák is.
A XX. század elején az olcsó, nagytömegben gyártott mechanikus karórák mindenki számára elérhetővé váltak.

Egy "hagyományos" mechanikus óraszerkezet
Az ábrán látható változat hajszálrugós szabályzású és rugós "hajtású" (főrugó).
Alkalmaztak súlyt is a főrugó helyett.

A következő ábrasor mutatja be a mechanikus órák szabályzására alkalmazott módszereket.

A mechanikus órák szabályzására alkalmazott lengőretesz végzi az "időszeletelést".
(Az animált képen a hajszálrugós, mellette az ingás, illetve a nagyobb óráknál alkalmazott változat.)

Ezek a szabályzók adták a mechanikus órák jellegzetes "ketyegését". A "mai fiatalok" ezt talán már fel sem ismerik.

Hajszálrugós szabályzót a kisebb óraszerkezeteken használnak.
Az ingás módszer nagyobb órák esetén hasznászható. Ezek a legpontosabb mechanikus órák.

A jó minőségű, precíz mechanikus órákkal napi egy másodperces pontosság érhető el. Ez ma már nem lenne elegendő, de ma már ennél sokkal pontosabb időmérőeszközök állnak rendelkezésre.

Korszerű időmérőeszközök
(kvarcóra, atomóra)

Kvarcórák

Valamikor a hetvenes években jelentek meg az első "kvarcórák" és ezzel megkezdődött a mechanikus időmérőeszközök végkorszaka.

Ezeknek a működése egy kvarckristály rezgésén alapul.
Egy megfelelően csiszolt kvarckristály akár sok millió rezgésre képes másodpercenként, de a legegyszerűbb órákban 32.768 Hz-es frekvenciát alkalmaznak. Azért pont ennyit, mert ez 2¹⁵, vagyis 16-szor megfelezve másodpercenként egy impulzust kapunk.
Ezt már csak meg kell "számolni" egy megfelelő áramkörrrel és egy kijelzőn megjelenítve kész a digitális kvarcóra.

Először elég "robosztus", nagy fogyasztású LED-es kijelzésű kivitelben találkozhattunk velük.

Azután megjelentek a folyadékkristályos (LCD) kijelzős változatok, és egyre olcsóbbak lettek.
A nyolcvanas évek végére gyakorlatilag megszűnt a "hagyományos" mechanikus órák gyártása.

Az emberek általában jobban szeretik a "mutatós" (analóg) megjelenítésű órákat, ezért ma leggyakrabban olyan "digitális" órákkal találkozhatunk, ami "analóg" kijelzésű. Ezekben egy kis elektrománes léptetgeti a mechanikus mutatómozgató fő fogaskerekét.

Az ábrán látható, hogy az ilyen kvarcórák "mechanikája" megegyezik a "hagyományos mechanikus" órákéval. A különbség "mindössze" annyi, hogy a másodpercenkénti impulzust a kvarcoszcillátor jeléből leosztva, a mikroprocesszor vezérlésével egy kis elektromágnes biztosítja.

A képen látható valamennyi óra elektronikus kvarcóra, még akkor is, ha "hagyományosnak" látszik.

Ma már csak méregdrága, különleges, kis sorozatú órákban alkalmaznak "teljesen mechanikus" szerkezetet.

A jó minőségű, különleges kialakítású kvarcórák kb. 30 évente térnek el egyetlen másodperccel.

Atomórák

A korszerű technika egyre nagyobb pontosságot igényel az időmérés terén is ezért 1955-ben kifejlesztették az úgynevezett atomórákat. (Magyarországon az 1970-es években kerültek bevezetésre.)
Az SI (System International; nemzetközi mértékegység-rendszer) az 1 másodpercet úgy definiálja, mint a 133-as tömegszámú cézium izotóp úgynevezett hiperfinom átmeneti rezgési periódus-idejének 9.192.613.770-szeresét.
Az atomóra olyan berendezés, amely a fenti periódusidő rendkívül pontos mérésével egy órát működtet.

Az atomórákban egy kemencében cézium atomokat párologtatmak el. A kijutó cézium atomok nagy sebességű nyalábban haladnak egy mágnes pár felé. A mágnesek elosztják a nyalábot attól függőem hogy a benne lévő atomok energiaelnyelési vagy kibocsátási állapotban vannak.

Az energiaelnyelésre képes atomokat egy mikrohullámú üregen áthaladva sugárzás éri, amelynek frekvenciája közel 9.192.613.770 Hz, amely megyegyezik a 133-as tömegszámú cézium izotóp bizonyos energiaátmenete által elnyelt vagy kibocsátott frekvenciával. Az atomok egy része energiát nyel el a mikrohullámból.

Az óra annál pontosabb, minél alacsonyabb a cézium gáz hőmérséklete.
Az Amerikai Mérésügyi Hivatalban működő NIST F1 atomórában a gáz hűtését hat egymásra merőleges, pontosan kontrollált hullámhosszú infravörös lézernyaláb végzi. Az ilyen, úgynevezett Doppler-elven működő hűtés tökélyre fejlesztéséért Steven Chu, Cohen-Tannoudji és Williams Daniel Phillips 1997-ben Nobel-díjat kapott. Meg is érdemelték, mert a cézium gáz hőmérsékletét az abszolút nulla fok közvetlen közelébe (egy milliomod kelvin fokra) sikerült csökkenteni. Az így lehűtött céziumatom gázlabdát a két függőlegesen sugárzó lézer paramétereinek változtatásával óvatosan felfelé taszítják. Ezek után a függőlegesen sugárzó lézereket kikapcsolják, aminek hatására az atomok, mint egy feldobott kő, visszaesnek. (Innen a "cézium szökőkút" elnevezés.)

Az NIST F1 atomóra pontossága 2 x 10¹⁵/sec. Vagyis 2000 évente 0,0001 másodperccel tér el.

Felhasznált irodalom