Что нужно любым часам

Часы не измеряют время так, как линейка измеряет длину. Ничего нельзя приложить к «одной секунде» для сравнения. На самом деле часы считают что-то, что повторяется с ровным темпом, и показывают это количество.

«Что-то, что повторяется» — это может быть качающийся груз, вращающееся колесо, вибрирующий кристалл или вибрирующий атом. Что бы это ни было, любые часы — древние или современные — состоят из одних и тех же четырёх частей:

• Осциллятор: то, что повторяется. Он снова и снова совершает одно и то же движение и задаёт темп.
• Счётчик: устройство, которое подсчитывает повторения (зубчатые колёса или электронные схемы).
• Источник энергии: падающий груз, заведённая пружина или батарея, потому что настоящий осциллятор при каждом колебании теряет немного энергии и остановился бы без подпитки.
• Индикатор: стрелки на циферблате или цифры на экране, превращающие этот счёт в часы, минуты и секунды.

Длительность одного повторения — это период, который обозначается T и измеряется в секундах. Количество повторений за одну секунду — это частота, которая обозначается f и измеряется в герцах (Hz). Это два способа сказать об одном и том же:

f = 1 / T и T = 1 / f

Колебание, которое длится 0,5 s, имеет частоту 1 / 0,5 = 2 Hz: два колебания в секунду. Медленное колебание длительностью 2 s имеет частоту 0,5 Hz. Запомни эти два числа: маятник с периодом 2 s — это знаменитый «секундный маятник», потому что он тикает один раз в секунду (один раз при движении в одну сторону и один раз при движении обратно).

История часов — в основном история создания всё более совершенных осцилляторов. Вот с какими из них ты познакомишься в этом курсе:

Одна только высокая частота не делает часы лучше, но даёт возможность считать более мелкие отрезки времени, а лучшие осцилляторы ещё и очень хорошо умеют сохранять свой темп.

Одно слово для этого последнего свойства: Q, добротность. Осциллятор с высоким Q долго продолжает колебаться, прежде чем затихнуть, как хороший колокол по сравнению с глухим ударом. Он теряет совсем немного энергии за одно колебание, поэтому небольшие толчки и возмущения почти не меняют его темп. Переход от маятника к балансовому колесу, затем к кварцу и атомам в основном означает переход ко всё более высоким значениям Q. Пока тебе не нужно вычислять Q; просто представляй себе колокол, который звучит снова и снова.

Осциллятор также отличает часы от солнечных часов. Солнечные часы показывают время по движению Солнца, поэтому работают только при дневном свете и ясном небе и показывают солнечное время, которое немного отличается от «времени на часах» (в лаборатории «Солнце, Земля и Луна» объясняется почему). Маятник или кристалл продолжают работать ночью, в пещере, на корабле и на Луне. Именно независимость от погоды и неба сделала механические часы такими полезными.