Журнал «Юный техник» - Юный техник, 1956 № 03
Часы идут. Но правилен ли их ход?
Посмотрите на маятник ходиков. Видите небольшой жестяной кружок? Если мы передвинем его вниз, то расстояние от него до места, в котором подвешен маятник, станет больше. Мы этим как бы удлиним сам маятник. Прислушайтесь, как идут теперь часы. Маятник стал качаться реже, часы пошли медленней. Если сдвинуть кружок вверх, то маятник, наоборот, зачастит, а часы «побегут». Значит, частота колебания маятника зависит от его длины. Это чрезвычайно важно. Ведь мы двигали кружок рукой, и этим изменяли ход часов.
А может ли маятник «сам по себе» стать длинней? Конечно, может. Ведь он металлический, а металл при изменении температуры сжимается или расширяется. Стало быть, если мы отрегулировали часы при какой-то температуре, а потом она изменилась, то изменилась и длина маятника: часы пошли неточно. Это первый враг точного времени. Есть у него и другие враги. Как и всякое тело, движущееся в воздухе, маятник испытывает его сопротивление. Но при изменениях атмосферного давления плотность воздуха изменяется и маятник испытывает разное сопротивление. Поэтому отрегулированный при определенном давлении воздуха маятник будет качаться иначе при другом давлении, и часы опять-таки пойдут неточно. Это второй враг точного времени. Есть у него и другие, не менее опасные и коварные враги: изменение влажности воздуха, трение в частях механизма, толчки и т. д.
Как же сохранить точное время?
При изменении длины маятника меняется и частота его колебаний (справа). Частота не зависит от амплитуды колебаний (слева).
ХРАНИТЕЛИ ВРЕМЕНИ
Зная врагов точного времени, ученые и конструкторы нашли и средства борьбы с ними. Привело ли это к «полной победе» — увидим позднее.
В самых точных часах, по которым проверяют время между астрономическими наблюдениями, сделали маятник из специального сплава — инвара. Длина такого маятника, а следовательно и частота, с которой он колеблется, почти не зависит от температуры. Чтобы на ход этих часов не влияло атмосферное давление, их помещают в цилиндр, из которого затем откачивают воздух. А для устранения малейших толчков часы опускают глубоко под землю в специальные бетонированные подвалы. Никто не имеет права туда входить, так как на ход часов может повлиять даже тепло человеческого тела!
Показания этих часов передаются специальным устройством в другое помещение, так что сам и-то часы никто и не видит. Благодаря всем этим мерам точность часов — хранителей времени — очень высока: за сутки они «уходят» или отстают всего лишь на тысячную долю секунды. Казалось, большего и желать нельзя, но и такая точность оказалась недостаточной! Ученые потребовали создания еще более точных часов. И вот тогда-то конструкторов выручил прозрачный камешек — кварц.
На фотографии — группа кварцевых часов, установленных во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии имени Д.И. Менделеева.
ЧУДЕСНЫЙ ГНОМИК
Происхождение слова «кварц» связано со старинным» немецкими легендами, а в переводе на русский оно звучит ласково — «гномик», «лилипутик». Да и качества кварца по-сказочному чудесны.
Кварц очень прочен, тверд, почти не расширяется при нагреве и не поддастся воздействию кислот, за исключением плавиковой кислоты.
Но чем же выручил этот камешек ученых?
Здесь придется рассказать еще об одном чудесном свойстве кварца. Вырежем из кварцевого кристалла плоскую пластинку. Вложим ее между двумя металлическими пластинами — электродами, к которым подключим электрометр — прибор дли обнаружении электрического заряда. А теперь сдавим пластинку кварца и посмотрим на стрелку прибора. Стрелка отклонится. Значит, на гранях кварцевой пластинки при сдавливании возник электрический заряд.
И, наоборот, если подключить электроды к электрической батарее, то пластинка сожмется или растянется.
А если подключить электроды к сети, направление тока в которой все время меняется, пластинка начнет поочередно сжиматься и разжиматься, то-есть колебаться. Сколько электрических колебаний произойдет в сети, столько же колебании совершит пластинка. Но это не все. Кварцевая пластинка, как и маятник часов, обладает собственной частотой, которая зависит от размеров самой пластинки. А так как размеры кварца при изменении температуры изменяются ничтожно мало, то и частота его колебании остается почти неизменной. Например, если пластинку нагреть или охладить на один градус, то частота ее изменится всего лишь на несколько десятитысячных, а иногда даже стотысячных долей процента! Что может быть лучше такого маятника для сверхточных часов!
ТОЧНЕЕ САМОЙ ЗЕМЛИ
Колебания кварцевого «маятника» поддерживаются с помощью специального электрического устройства — так называемого лампового генератора. Он возбуждает колебания кварцевой пластинки, служа как бы пружиной кварцевых часов. Роль зубчатого механизма в кварцевых часах играет особый электромотор, у которого скорость вращения (число оборотов в минуту) зависит от частоты переменного тока. Поскольку частота тока, вырабатываемого ламповым генератором, в точности равна собственной частоте кварца, она остается почти неизменной. Строго постоянно и число оборотов мотора в минуту.
Соединив электромотор с механизмом, вращающим часовые стрелки, мы получим чрезвычайно точные часы. Такие часы могут отставать или спешить всего лишь на десятитысячную долю секунды в сутки, — они в десять раз точнее, чем лучшие маятниковые часы!
Когда кварцевые часы были построены и выверены, то ученые пришли к очень интересному выводу. Оказалось, что земной шар не так уж плавно вращается вокруг своей осн. На протяжении года продолжительность суток меняется на несколько десятитысячных долей секунды. Так с помощью часов, созданных человеческим разумом, был проверен ход «часов», созданных самой природой!
Кварцевые часы имеются во многих научно-исследовательских институтах и обсерваториях.
Показания кварцевых часов регулярно сравнивают между собой и проверяют по звездам. В этом и заключается «хранение времени». Конечно, нельзя сбрасывать со счета и маятниковые часы — они пока еще не потеряли своего значения благодаря долговечности и надежности. Ведь в кварцевых часах десятки радиоламп, которые могут перегореть. Сейчас, когда па смену лампам приходят полупроводниковые электронные приборы, значительно более надежные и долговечные, надежней становятся и кварцевые часы.
АТОМ-МАЯТНИК
Но и колоссальная точность кварцевых часов уже не удовлетворяет ученых. Они требуют создания еще более точных часов.
И вот появляются новые — «молекулярные» или «атомные» — часы. Пока они еще недостаточно совершенны, но есть все основания полагать, что в будущем эти часы окажутся значительно точнее кварцевых.
Как же работают атомные часы?
Атомы и молекулы вещества связаны между собой силами взаимодействия. Каждый атом и каждая молекула, подобно любому упругому телу — струне, пружине и т. д., — обладает определенной собственной частотой, на которую резонирует — «откликается». Поскольку атомы или молекулы одного и того же вещества одинаковы, совпадают и их собственные частоты.
Эти частоты исключительно постоянны, почти не зависят от внешних влияний — температуры, атмосферного давлении и др. Вот почему так заманчиво использовать колеблющиеся атомы или молекулы в качестве часового маятника.
Но как это сделать? Ученые разработали несколько вариантов атомных часов. Вот, например, одни из них.
В пространстве, из которого откачан воздух, находится сосуд с разреженным газом аммиаком. В стенке сосуда имеется щель, сквозь нее молекулы аммиака вылетают наружу. При этом одни молекулы совершают только поступательное движение, другие, кроме того, колеблются. Поток молекул проходит через особое электрическое устройство, которое расщепляет его на два пучка. В одном из них молекулы колеблются, в другом нет.
Поток колеблющихся молекул направляется в так называемый объемный резонатор — колебательную систему, настроенную в резонанс с ними, то-есть имеющую ту же собственную частоту. В резонаторе возникают электрические колебания. Они усиливаются и после ряда преобразований приводят в действие часовые стрелки, как это делается в кварцевых часах.
Атомные часы — очень сложное устройство. Они основаны на новейших достижениях физики, радиоэлектроники и вакуумной техники. Как полагают, их погрешность не будет превышать миллионных долей секунды в сутки.
«ПРОВЕРЬТЕ ВАШИ ЧАСЫ!»
Мы познакомились с самыми точными, «эталонными» часами. Но их сравнительно немного. Гораздо более распространены так называемые хронометры (от греческого слова «хронос» — время), обладающие суточной погрешностью около 0,1 секунды. Именно по хронометрам проверяют обычно всю массу остальных часов. С помощью электрических устройств хронометры могут управлять ходом сотен других часов, связанных с ними проводами. Такие часы есть в любом крупном городе.
