Co jest niezbędne w każdym zegarze.

Zegar nie mierzy czasu tak, jak linijka mierzy długość. Nie ma niczego, co można przyłożyć do „jednej sekundy”. Zegar tak naprawdę liczy coś, co powtarza się w ustalonym tempie i pokazuje wynik.

To „coś, co się powtarza” może być wahającym się ciężarkiem, obracającym się kołem, drgającym kryształem albo drgającym atomem. Niezależnie od tego, co to jest, każdy zegar — dawny czy współczesny — składa się z tych samych czterech części:

• Oscylator: rzecz, która się powtarza. Wykonuje ten sam ruch w kółko i to ona ustala tempo.
• Licznik: coś, co zlicza powtórzenia (koła zębate albo układy elektroniczne).
• Źródło energii: spadający ciężarek, nakręcona sprężyna albo bateria, ponieważ każdy prawdziwy oscylator za każdym wahnięciem traci trochę energii i bez jej uzupełniania zatrzymałby się.
• Wyświetlacz: wskazówki na tarczy albo cyfry na ekranie, które zamieniają wynik na godziny, minuty i sekundy.

Rozmiar jednego powtórzenia to okres, oznaczany T i mierzony w sekundach. Liczba powtórzeń w ciągu sekundy to częstotliwość, oznaczana f i mierzona w hercach (Hz). To dwa sposoby opisania tego samego:

f = 1 / T i T = 1 / f

Wahnięcie, które trwa 0,5 s, ma częstotliwość 1 / 0,5 = 2 Hz: dwa wahnięcia w każdej sekundzie. Powolne wahnięcie trwające 2 s ma częstotliwość 0,5 Hz. Zapamiętaj te dwie liczby: wahadło o okresie 2 s to słynne „wahadło sekundowe”, ponieważ tyka raz na sekundę (raz podczas ruchu w jedną stronę i raz podczas powrotu).

Historia zegarów to w dużej mierze historia coraz lepszych oscylatorów. Oto rodzina oscylatorów, które poznasz w tym kursie:

Sama większa częstotliwość nie sprawia, że zegar jest lepszy, ale daje dokładniejsze odcinki czasu do zliczania, a najlepsze oscylatory bardzo dobrze utrzymują swoje tempo.

Jedno słowo opisujące tę ostatnią cechę to: Q, czyli współczynnik dobroci. Oscylator o wysokim Q długo nadal drga, zanim jego drgania zanikną — podobnie jak dobry dzwon w porównaniu z głuchym uderzeniem. Traci bardzo mało energii podczas każdego wahnięcia, więc małe pchnięcia i niewielkie zakłócenia prawie nie zmieniają jego tempa. Przejście od wahadła do koła balansowego, następnie do kwarcu, a potem do atomów oznacza w dużej mierze przejście do coraz wyższych wartości Q. Na razie nie będziesz obliczać Q; po prostu zapamiętaj obraz dzwonu, który dźwięczy długo i bez końca.

Oscylator odróżnia też zegar od zegara słonecznego. Zegar słoneczny pokazuje czas, wykorzystując ruch Słońca, więc działa tylko przy świetle dnia i bezchmurnym niebie, a także pokazuje czas słoneczny, który nieco różni się od „czasu zegarowego” (laboratorium o Słońcu, Ziemi i Księżycu wyjaśnia dlaczego). Wahadło lub kryształ działa w nocy, w jaskini, na statku i na Księżycu. Ta niezależność od pogody i nieba sprawiła, że zegary mechaniczne stały się tak użyteczne.