Wat elke klok nodig heeft

Een klok meet tijd niet op dezelfde manier als een liniaal lengte meet. Er is niets dat je naast "een seconde" kunt houden. Wat een klok echt doet, is iets tellen dat zich in een vast tempo herhaalt en je de telling laten zien.

Dat "iets dat zich herhaalt" kan een slingerend gewicht, een ronddraaiend wiel, een trillend kristal of een trillend atoom zijn. Wat het ook is, elke klok, oud of modern, bestaat uit dezelfde vier onderdelen:

• Een oscillator: het ding dat zich herhaalt. Het maakt steeds opnieuw dezelfde beweging en bepaalt het tempo.
• Een teller: iets dat de herhalingen optelt (tandwielen of elektronische schakelingen).
• Een energiebron: een vallend gewicht, een opgewonden veer of een batterij, want elke echte oscillator verliest bij elke beweging een beetje energie en zou zonder nieuwe energie stoppen.
• Een display: wijzers op een wijzerplaat of cijfers op een scherm, die de telling omzetten in uren, minuten en seconden.

De duur van één herhaling is de periode, geschreven als T, en wordt gemeten in seconden. Hoeveel herhalingen er elke seconde plaatsvinden, is de frequentie, geschreven als f, en wordt gemeten in hertz (Hz). Het zijn twee manieren om hetzelfde te zeggen:

f = 1 / T en T = 1 / f

Een slingerbeweging die 0,5 s duurt, heeft een frequentie van 1 / 0,5 = 2 Hz: twee slingerbewegingen per seconde. Een langzame slingerbeweging van 2 s heeft een frequentie van 0,5 Hz. Onthoud deze twee getallen: een slinger met een periode van 2 s is de beroemde "secondenpendel", omdat hij elke seconde tikt (één keer bij het heengaan en één keer bij het teruggaan).

De geschiedenis van klokken is vooral de geschiedenis van steeds betere oscillators. Dit is de familie die je in deze cursus zult tegenkomen:

Een hogere frequentie alleen maakt een klok niet beter, maar je krijgt er wel fijnere stukjes tijd mee om te tellen. Bovendien zijn de beste oscillators ook heel goed in het vasthouden van hun tempo.

Eén woord voor die laatste eigenschap: Q, de kwaliteitsfactor. Een oscillator met een hoge Q blijft lang naklinken voordat het geluid wegsterft, net als een goede bel vergeleken met een doffe dreun. Hij verliest per zwaai maar heel weinig energie, dus kleine duwtjes en kleine verstoringen veranderen zijn tempo maar heel weinig. Van een slinger naar een balanswiel, daarna naar kwarts en vervolgens naar atomen gaan, betekent vooral dat je naar een steeds hogere Q gaat. Je hoeft Q nu nog niet te berekenen; houd gewoon het beeld voor ogen van een bel die maar blijft klinken.

Een oscillator is ook wat een klok onderscheidt van een zonnewijzer. Een zonnewijzer geeft de tijd aan met behulp van de beweging van de zon, dus hij werkt alleen bij daglicht en een heldere hemel. Bovendien geeft hij de zonnetijd aan, die een beetje verschilt van de "kloktijd" (het lab over zon, aarde & maan legt uit waarom). Een slinger of een kristal blijft 's nachts werken, in een grot, op een schip en op de maan. Die onafhankelijkheid van het weer en de hemel maakte mechanische klokken zo nuttig.