모든 시계에 필요한 것

시계는 자가 길이를 재는 방식으로 시간을 재지 않아. "1초"에 갖다 대어 비교할 수 있는 것은 아무것도 없지. 시계가 실제로 하는 일은 일정한 속도로 반복되는 무언가를 세고, 그 횟수를 보여 주는 거야.

그 "반복되는 무언가"는 흔들리는 추일 수도 있고, 회전하는 바퀴나 진동하는 수정, 또는 진동하는 원자일 수도 있어. 무엇이든 모든 시계는 고대 시계든 현대 시계든 똑같은 네 가지 부분으로 이루어져 있어:

• 진동자: 반복되는 물체야. 똑같은 움직임을 계속 반복하고, 속도를 정하는 부분이지.
• 계수기: 반복 횟수를 더해 세는 장치야(톱니가 있는 기어 또는 전자 회로).
• 동력원: 떨어지는 추, 감긴 용수철 또는 전지야. 실제 진동자는 흔들릴 때마다 에너지를 조금씩 잃기 때문에, 에너지를 보충하지 않으면 멈춰 버려.
• 표시 장치: 눈금판 위의 바늘이나 화면의 숫자로, 센 횟수를 시, 분, 초로 바꾸어 보여 줘.

한 번 반복하는 데 걸리는 시간이 바로 주기이며, T로 쓰고 초 단위로 잽니다. 1초 동안 몇 번 반복하는지는 주파수이며, f로 쓰고 헤르츠(Hz) 단위로 잽니다. 둘은 같은 것을 두 가지 방법으로 나타낸 것입니다.

f = 1 / T 그리고 T = 1 / f

한 번 흔들리는 데 0.5 s가 걸리는 그네의 주파수는 1 / 0.5 = 2 Hz입니다. 1초마다 두 번 흔들리는 셈이지요. 천천히 흔들려 한 번에 2 s가 걸리면 주파수는 0.5 Hz입니다. 다음 두 숫자를 기억하세요. 주기가 2 s인 진자는 유명한 "초 진자"입니다. 1초마다 한 번씩 똑딱거리기 때문입니다(나갈 때 한 번, 돌아올 때 한 번).

시계의 역사는 대부분 더 나은 진동자를 만들어 온 역사입니다. 이 수업에서는 다음과 같은 진동자들을 만나게 됩니다.

주파수가 높다고 해서 무조건 더 좋은 시계가 되는 것은 아닙니다. 하지만 셀 수 있는 시간을 더 잘게 나눌 수 있고, 가장 좋은 진동자들은 일정한 속도를 유지하는 능력도 뛰어납니다.

이 마지막 특성을 나타내는 한 단어가 있어요. 바로 Q, 즉 품질 계수예요. Q가 높은 진동자는 좋은 종이 둔탁한 소리보다 오래 울리듯이, 소리가 잦아들기 전까지 오랫동안 계속 울려요. 한 번 흔들릴 때 잃는 에너지가 아주 적어서, 작은 밀기나 작은 방해가 속도를 거의 바꾸지 못해요. 진자에서 평형 휠로, 다시 수정으로, 그리고 원자로 나아가는 과정은 대부분 점점 더 높은 Q로 옮겨 가는 과정이라고 할 수 있어요. 아직 Q를 계산하지는 않을 거예요. 계속 울리고 또 울리는 종의 모습을 떠올리기만 하세요.

진동자는 시계와 해시계를 구분해 주는 것이기도 해요. 해시계는 태양의 움직임을 이용해 시간을 나타내므로 낮과 맑은 하늘에서만 작동하고, 태양시를 보여 줘요. 태양시는 "시계 시간"과 조금 다른데, 그 이유는 태양·지구·달 실험에서 설명해요. 진자나 수정은 밤에도, 동굴 안에서도, 배 위에서도, 달에서도 계속 움직여요. 날씨와 하늘에 영향을 받지 않는다는 점 때문에 기계식 시계가 아주 유용했어요.