TEMA BROJA

Pripremio: M. Rajković

Sedamsto godina života sa časovnikom

Merenje vremena
Od foliota do malaza cezijuma

Egzaktno merenje vremena počinje sa pronalaskom mehaničkog časovnika, krajem XIII veka. Prvi mehanički satovi pojavili su se na tornjevima (Vestminster 1288, Firenca 1300, Kan 1314) i bili su velike konstrukcije. Prvi takav sat sa sačuvanom tehničkom dokumentacijom je čuveni Astrarium (astronomski) na Kapetanskom domu u Padovi, iz 1364. godine, koji je profesor astronomije Đovani Dondi radio šesnaest godina.

Na svakom mehaničkom satu sa kazaljkom, za razliku od sunčanog sata na kome samo šeta senka ili peščanog gde pesak iscuri za određeno vreme, postoji analogni ili digitalni zapis vremena. U prvom razdoblju mehaničkih satova, za osnovno „sečenje“ vremena koristio se foliot, mehanička klackalica u vidu dvokrake poluge sa pomičnim utezima sa obe strane. Foliot je, veli Koički, određivao „elementarne porcije vremena“. Spojen preko zaprečnice prenosnim mehanizmom i energetskim izvorom, foliot je činio „komplikovan oscilatorni sistem“, čije oscilacije nisu bile naročito izohrone, pa je tačnost toranjskih satova sa polugom bila „veoma skromna“. Uprkos nastojanjima sajdžija da usavrše prvi mehanički sat, njegovo razdoblje je dugo potrajalo.

Hajgensovi izumi

Prava revolucija u merenju vremena nastala je 1657, kada je holandski fizičar i matematičar Kristijan Hajgens konstruisao prvi sat sa mehaničkim klatnom, na osnovu tada poznatih osobina klatna. Nešto kasnije, 1674. izumeo je i oscilatorni točkić sa spiralnom oprugom. Za sajdžije je najvažnije bilo klatno sa malim otklonom, koji zbog energiziranja sata može malo i da se menja. Vreme klaćenja je zavisilo od dužine klatna pa je tako konstruisano „sekundno“ i „polusekundno“ klatno. Sajdžijsko umeće se sastojalo u tome da se, u tim tehničkim okvirima, napravi sat. Uvođenjem klatna, Hajgens je tačnost svojih satova doveo do „zavidnih 10 sekundi u 24 časa“.

Oscilatorni točkić sa spiralnom oprugom je pomogao da se satovi sa klatnom „oslobode“ obaveznog vertikalnog položaja. Akademik Koički navodi da je ovaj specifični satni oscilator „preživeo u časovničarskoj praksi više od 300 godina i nalazi se u upotrebi i kod današnjih satova (balansni točkić ili balans i inercioni točkić ili nemirnica)“ a vremenom toliko usavršen da je dobijen „idealan oscilator za rad u otežanim uslovima prenosnog sata“. Ipak, ostao je nerešen još jedan krupan problem - zaprečnice ili ankera, kako bi se oscilacije stalno zadržavale. Anker je, kaže, kroz vekove predstavljao glavnu zagonetku i veliki izazov za generacije konstruktora satova, koji su u sisteme i rešenja (čak i elektromagnetska) za kontakt oscilatora sa ostatkom satnog mehanizma ugradili maštu, intuiciju i vrhunsko umeće. Pitanje ankera je rešeno tek pojavom kvarcnog sata.

Skidanje sata s gradskih tornjeva označilo je drugu revoluciju u istoriji časovničarstva. Ali, tada je trebalo potencijalnu energiju podignutih tegova za pokretanje sata zameniti novom pogonskom energijom. Nirnberški časovničar Peter Henlajn je 1510. godine došao na ideju da, za pokretanje sata, iskoristi energiju nategnute spiralne opruge. Henlajn je konstruisao prve prenosne satove, nazvane „nirnberška jaja“, koji su u to doba bili pravi tehnički hit. O mladom Henlajnu hroničar je zapisao da „konstruiše instrumente koji zadivljuju i najsposobnije matematičare, jer od gvožđa pravi satove sa mnogo točkića“, koji se mogu nositi u bilo kom položaju, jer nemaju tegova, pa “u džepu od kaputa ili u torbi rade po četrdeset časova i još pri tome izbijaju vreme“.

- Svi su vrlo brzo prihvatili sat sa oprugom. On je usavršen do oblika malog džepnog sata. Dalje se nije moglo, ali za svakodnevnu upotrebu sat sa oprugom je bio ne samo dovoljan nego je i prevazilazio ono što običnom čoveku treba - kaže Koički.

Era kvarcnih satova

Posle duge i suverene vladavine mehaničkih oscilatora - klatna i balansnih točkića - u Berlinu su, tridesetih godina XX veka, učinjeni prvi pokušaji da se oni zamene električnim oscilatorima. Time je počela „era kvarcnih satova“, koji danas prete da potpuno istisnu iz upotrebe stare dobre mehaničke časovnike. Za izradu ovih satova iskorišćena je jedna osobina monokristala u koje spada i kvarc. Ako se na pločicu takvog kristala, sečenog pod određenim uglom, dovede naizmenični napon odgovarajuće frekvencije, on proizvodi intenzivne mehaničke oscilacije. One su najintenzivnije kada se frekvencija dovedenog napona izjednači sa karakterističnom frekvencijom mehaničkog oscilovanja kristala određenih dimenzija. Za određenu debljinu kristala ta rezonantna frekvencija je veoma oštra i stabilna. Alo to saznanje pretočeno je u praktični sat tek kada je razvijena tehnika kojom su se listići kristala mogli precizno tesati na željenu frekvenciju .

- Kvracni satovi za široku upotrebu (zidni, ručni, budilnici) obično rade na principu svođenja oscilacija na jednu u sekundi. To se postiže polazeći od bazične frekvencije rezonance kristala od 4,194304 MHz i njenom dopunskom redukcijom putem dvadeset i dve sukcesivne binarne jedinice. To dovodi do veoma praktične frekvencije od jednog impulsa u sekundi, što se zatim koristi za dalji pogon sata. Razume se da je najveći problem izrada kristala sa gorenavedenom rezonantnom frekvencijom. U tu svrhu polazni kristal se do željene debljine doteruje hemijskim nagrizanjem (tzv. ecovanjem) umesto brušenjem. Od dužine vremena nagrizanja može se u malim koracima menjati frekvencija do željene vrednosti. Što je kvarcni rezonator tanji, to brže osciluje. Uporedo su razvijani minijaturni delitelji frekvencije u vidu visokointegrisanih elektronskih kola (čipova), kao i minijaturne pogonske baterije koje obezbeđuju da sat neprekidno radi godinu i više dana.

Prvi kvarcni satovi imali su digitalni displej, ali se brzo prešlo na tradicionalni analogni, kakav su imali mehanički satovi. Kvarcni satovi su danas u najširoj upotrebi i godinama pokazuju veoma tačno vreme. Moguće je, međutim, da kvarcni satovi iste marke pokazuju različito vreme: jedan vrlo tačno, drugi odstupa nekoliko sekundi, treći dvadesetak a najjeftiniji ii tridesetak, što zavisi od preciznosti izrade.

Treća revolucija

Atomski ili cezijumski satovi označili su, sredinom pedesetih godina XX veka, treću revoluciju u istoriji časovničarstva. Nazivaju se i cezijumski jer rade na bazi mlaza atoma cezijuma.To su čisto laboratorijski satovi, pravi uređaji, i nema ih u širokoj upotrebi. Postali su „neizbežan inventar meteoroloških i astronomskih laboratorija“.

- Atomski sat je poljuljao mit o „astronomskoj tačnosti“. Okretanje Zemlje oko Sunca i Meseca oko naše planete i Sunca, kao i drugih planeta unutar Sunčevog sistema smatrano je za apsolutno nedostižan pokazatelj tačnosti. Međutim, tačnost atomskih satova je fascinantna, s onu stranu realnosti. Primenom atomskih satova ustanovljeno je, na primer, da se rotacija Zemlje oko svoje ose stalno usporava tempom od jednog hiljaditog dela sekunde za sto godina. To je pripisano pomeranju vodenih masa za vreme plime i oseke zbog delovanja morskih struja i trenja vode sa dnom kod plićih mora. Još tačnijim merenjem vremena ustanovljeno je da na rotaciju Zemlje utiču i promena atmosferskog pritiska, povremeno gomilanje snega i vegetacije na kopnu, pomeranje velikih vazdušnih masa, itd.

U svetu danas postoji više cezijumskih atomskih satova, koji predstavljaju vrhunac u merenju vremena i standardizaciji frekvencije. Među najbolje, akademik Koički ubraja atomski sat u Fizičko-tehničkom institutu u Braunšvajgu (nemački Federalni institut za standarde), koji pravi grešku od jedne sekunde za milion godina i može se smatrati za apsolutni vremenski standard. Ovaj referentni sat u potpunosti kontroliše pokazivanje vremena zidnih i stonih kućnih satova jedne nove generacije. Na koji način?

- Cezijumski sat u Braunšvajgu je povezan u jedinstven sistem sa posebnom radio-stanicom DCF77 u Majflingenu (24 km jugoistočno od Frankfurta) koja, u sprezi sa satom, konstantno emituje standardne vremenske i frekventne signale koji se mogu primiti u radijusu od oko 1500 km. Oni se uspešno mogu primiti i na teritoriji naše zemlje. Svaki sat ove generacije ima radio-prijemnik podešen na frekvenciju stanice DCF 77. On se nakratko uključuje svakog celog sata kada se, preko ugrađenog dekodera, primi signal i izvrši fina korekcija pokazivanja vremena, koje se inače zasniva na internom kvarcnom oscilatoru.

Da li će teledirigovani sistem merenja vremena osvojiti i familiju ručnih satova - pokazaće vreme.

M. R.