Zegar w lotnictwie.
Zegar na panelu przyrządów jest zawsze. W samolotach komunikacyjnych, zaopatrzonych w komputer nawigacyjny, przyrządy radionawigacyjne i masę innych rzeczy, zegar ginie wśród innych instrumentów. A tak naprawdę, to na potrzeby nawigacji lotniczej pracuje sporo rozmaitych zegarów, zarówno na pokładzie samolotu, na lądzie a także w przestrzeni okołoziemskiej.
Od zarania nawigacji przyrząd mierzący upływ czasu zalicza się do narzędzi podstawowych. Pojęciem czasu, a konkretnie jego pomiarem, posługujemy się właściwie stale. Kolejność wydarzeń określamy umieszczając je na skali czasu, liczonej od momentu powszechnie uznanego za początek. Tą skalą mierzymy także czas trwania zjawisk lub procesów. Przebytą drogę zlicza się według prędkości i upływu czasu, częstotliwości określa się mierząc czas jednego okresu, wypuszcza się fale radiowe i mierzy czas, po którym wrócą ich odbite albo odesłane resztki, aby określić odległość. A to tylko kilka z masy rzeczy, zależnych od pomiaru czasu.
Pomiar czasu jako taki, polega na przyrównywaniu mierzonego przedziału czasu do jednostki, czyli wzorca. Za wzorzec czasu przyjmuje się zjawisko okresowe o możliwie dużej stałości okresu. Najdawniejszymi wzorcami czasu były zjawiska astronomiczne.
Praktyczna rachuba czasu była oparta o zjawiska naturalne; zmianę dnia i nocy czyli dobę słoneczną i cykl pór roku. Ten ostatni pokrywa się z okresem zmian wysokości Słońca ponad horyzontem.
Krótsze od doby okresy czasu wyznaczał zegar słoneczny. Przy braku słońca albo nocą czas odmierzano rozmaitymi patentami w rodzaju klepsydr czy świec ze skalą. Kryła się w tej praktyce pewna śmiesznostka: okresy czasu odmierzane taką np. klepsydrą były, owszem, niedokładne, ale z grubsza jednakowe, w przeciwieństwie do godzin słonecznych. Jeżeli tarczę zegara słonecznego podzieli się na równe sektory, godziny poranne i popołudniowe są krótsze niż te koło południa.
Kto i kiedy wpadł na pomysł wytwarzania zjawisk okresowych krótszych od doby bliżej nie wiadomo, i zastanawianie się nad tym nie ma sensu; przecież darcie się na służbę, żeby obróciła klepsydrę, to też zjawisko okresowe. W każdym razie najstarsze zegary mechaniczne są datowane na poczatek XIV wieku. Były one przeważnie budowane w wieżach, miały napęd obciążnikowy i, dla tradycji, wskazywały nierówne godziny. Jako okresowy regulator chodu stosowano wówczas tak zwane wrzeciono (inaczej szpindel), układ taki sam jak w napędzie młoteczka budzika mechanicznego, ale zaopatrzony w masywne przeciwwagi (kolebnik) dla wydłużenia okresu wahań. Zegary tego typu były niedokładne, ponieważ okres wahań kolebnika zależał bardzo silnie od siły napędu. Tym niemniej szpindel z kolebnikiem bardzo długo był jedynym znanym regulatorem chodu. Budowano nawet zegary noszone, tzw. jaja norymberskie (pierwszy zbudował w 1510 r. Piotr Henlein z Norymbergi). Taki regulator spotyka się jeszcze w minutnikach kuchennych - pewnie dlatego nigdy mi nie wychodzą jajka na miękko.
Budowę dokładnych zegarów zapoczątkowało dopiero zastosowanie wahadła. Już Galileusz zaobserwował, że okres ruchu swobodnego wahadła zależy od jego długości, a nie od amplitudy wychyleń. W 1656 roku holenderski uczony (i przy okazji świetny technik) Christian Huygens zbudował zegar wahadłowy o niewiarygodnej dokładności 1 minuty na dobę. Tenże Huygens był wynalazcą balansu, czyli kółka na osi ze spiralną sprężyną, mającego tę samą właściwość co wahadło.
Pewnie ci z Was którzy wytrwali aż do tego miejsca, pytają w duchu co to wszystko ma wspólnego z nawigacją. Otóż dużo (a poza tym bardzo lubię zegary). Od dawna było wiadomo, że dokładny pomiar czasu jest podstawą działania najwspanialszego systemu radionawigacyjnego wszechczasów - astronawigacji (światło widzialne to też fale elektromagnetyczne).
W miarę posuwania się na Zachód obserwowane południe słoneczne, czyli moment górowania Słońca, wypada coraz później. Opóźnienie to, liczone od południka na którym nasz zegar precyzyjnie wskazywał południe słoneczne, umożliwia łatwe określenie południka, na którym poczyniono obserwację, inaczej mówiąc określenie aktualnej długości geograficznej. Potem wypada już tylko wyliczyć szerokość na podstawie kątowej wysokości Słońca nad horyzontem. Nocą można użyć charakterystycznych gwiazd stałych. Oczywiście jest to brutalne uproszczenie, ale przecież mam pisać o zegarze.
Tymczasem żeglowano sobie wzdłuż brzegów, co najwyżej odważając się na jakiś skrót ze znanym kursem. Jak ktoś wybierał się na oceany to miał do dyspozycji kompas, parę przyrządów astronomicznych i wielką odwagę. Wyruszał albowiem dosłownie w nieznane: nie wiedział co go spotka, ani gdzie właściwie jest. Kolumb do końca życia nie wiedział, co odkrył, a Kortez nie zastanawiał się gdzie, tylko ile można ukraść.
Zegary nie sprawdzały się na pokładach okrętów. Kolebnikowe były niedokładne, balansowe niewiele lepsze, a wahadłowe w ogóle nie mogły działać. Problem leżał nie tyle w konstrukcji oscylującego obiektu, ile w tym, że aby mógł on utrzymywać stały okres, musi być możliwie swobodny (Galileusz się kłania !). Innymi słowy, potrzebny był wychwyt, czyli mechanizm, który odbierze od czegoś merdającego się impuls zliczania czasu, a potem jeszcze przekaże temu czemuś energię do dalszego merdania. Wszystko jak najdelikatniej i w jak najkrótszym czasie, aby nie zakłócić ruchu. A wrzeciono, naciskające stale na regulator, nie nadawało się do tego zupełnie.
Najlepsze wyniki miał wychwyt kotwicowy, pomysłu Anglika Williama Clementa (1671), gdzie balans lub wahadło łączył z resztą mechanizmu element zwany kotwicą (nawet w dzisiejszych wykonaniach kształtem przypomina kotwicę statku). Długi trzon kotwicy na ułamek sekundy sprzęgał się z wahadłem, a dwa odpowiednio ukształtowane ramiona pozwalały kołu ze skośnymi zębami (tzw. wychwytowemu) przeskoczyć tylko o jeden ząbek w czasie każdego półokresu wahadła. Z udoskonalonego przez Thomasa Mudge 'heure) w Paryżu.
Utrzymanie wspólnej rachuby czasu na świecie odbywa się poprzez różne sieci dystrybucji sygnałów czasu. Nasze zegarki i budziki synchronizujemy ręcznie według rozmaitej klasy sygnałów sieci radiowych, telewizyjnych, telefonicznych i innych.
Najprostsze były zegary elektryczne, synchronizowane częstotliwością sieci energetycznej (50 lub 60 Hz). W czasach "drobnych braków na tle niewątpliwych osiągnięć" z tą częstotliwością u nas było różnie. Niektórzy pamiętają zapewne takie zegary - po kilku godzinach po wyregulowaniu pokazywały "czas astronomiczny". Najczęściej późniły się zimą a spieszyły latem.
Spytałem kiedyś znajomego, starego energetyka, dlaczego tylko u nas tak jest. Popatrzył na mnie znad okularów, po czym rzekł: "Żeby, pojmujesz, kapitaliści nam prądu nie kradli".
Coraz częściej spotyka się zegary domowe synchronizowane przez radiowe sygnały czasu do odbioru automatycznego. Przeważnie nie mają one możliwości ustawienia czasu - jeśli mogą odbierać sygnał radiowy, pracują od razu dokładnie (około 0.01 s). U nas najczęstsze są zegary pracujące według atomowego czasu z niemieckiego nadajnika DCF 77 (77.5 kHz) we Frankfurcie.
Oprócz nadajników sygnałów czasu o lokalnym zasięgu, takich jak DCF, istnieją źródła o większym zasięgu. Najbardziej znane są sygnały emitowane przez satelity GPS Navstar, zapewniające czas wzorcowy wystarczający do większości zastosowań technicznych. Na półkuli zachodniej odbiera się także sygnały retransmitowane przez geostacjonarne satelity GOES (468 MHz).
Coraz więcej osób reguluje zegarki według czasu z sieci komputerowych. Komputery pracujące w sieciach rozległych mogą korzystać z serwerów czasu atomowego. Serwery czasu atomowego są komputerami połączonymi z atomowym wzorcem czasu. Transmisja sygnałów czasu odbywa się za pośrednictwem usług sieciowych ogólnie nazywanych NTP (Network Time Protocol). Klasę dokładności serwera czasu określa się tzw. liczbą stratum. Stratum 1 oznacza źródło bezpośrednio połączone z zegarem atomowym o dokładności 10-11 s/dobę. Stratum 2 i 3 są jego "filiami", i tak dalej. Dokładność po stronie odbiorcy jest zależna od odległości i ilości węzłów sieci pośredniczących w transmisji. W internecie są dostępne różne serwery NTP, ale korzystniejsze jest użycie serwera nawet o niższym stratum, za to położonego bliżej.
W przypadku zamkniętych sieci lokalnych jeden z komputerów, najczęściej stale pracujący serwer, wyposaża się w odbiornik sygnałów np. DCF 77 albo GPS.
Ostatnio głośno się zrobiło o pewnych pulsarach, czyli gwiazdach cyklicznie zmieniających swoje promieniowanie, które to mają być o parę zer po przecinku dokładniejsze od łaskotanych atomów cezu. I tak oto ideał czasu wrócił "do gwiazd", co prawda trochę krakowskim targiem.
Historia jak widać się powtarza - najpierw czas inny na każdym zegarze, potem już tylko inny w każdym mieście, a kiedy wydawało się, że już z czasem wszystko załatwione, wszechświat nie dał się wyregulować. Najpierw zostawił nam troszkę złudzeń, potem dopiero pokazał jacy jesteśmy mali wobec czegoś tak powszedniego jak czas.
J.
Pełna wersja:
http://www.heading.pansa.pl/zegindx.htm