De Babyloniërs wisten zes eeuwen voor Christus al hoe laat het was door op een zonnewijzer te kijken. Tegenwoordig zijn er horloges die op zonne-energie de tijd aangeven. Die doet dat ook bij een bewolkte hemel dus dat is al evolutie. De eeuwige zoektocht naar praktische precisie gaat door, maar wat is het meest accurate en praktische uurwerk ter wereld? Horloge.info zet alles op een historisch rijtje.
Theodosius van Bithynia
Niet al te lang geleden schreven we op Horloge.info over de Urwerk AMC met atoomkracht en ook de Seiko Astron GPS en de Longines Conquest V.H.P. mogen op onze aandacht rekenen. Het zijn stuk voor stuk moderne tijdsinstrumenten die op de eeuwige queeste naar precisie zijn. Precisie is de kern van uurwerkontwikkeling die zo oud is als de mensheid. Volgens de Griekse geschiedschrijver Herodotus nam ene Anaximander van Milete rond 560 voor Christus een zonnewijzer mee terug van een reis naar Babylonië. Omdat de Grieken beschikten over verregaande geometrische inzichten en de beweging van de zon nauwkeurig hadden bestudeerd, waren ze in staat een universele zonnewijzer te bouwen die overal op aarde te gebruiken was. De astronoom Theodosius van Bithynia ontwierp deze zonnewijzer in de tweede eeuw voor Christus. Wie tijd afstemt op de zon en de schaduw van het zonlicht de tijd laat aanduiden, heeft de meest accurate tijdwaarneming die mogelijk is. Einde verhaal. Niet echt. Wie in de donkere nacht wil weten hoe laat het is, heeft namelijk een probleem.
De Neo-Babyloniërs uit Mesopotamië hebben de zonnewijzer uitgevonden
Zon, schaduw en water
Tekening van een waterklok uit de oudheid
Zon of geen zon, met een waterklok – waarschijnlijk uitgevonden in het oude Egypte of Mesopotamië – kon ook op bewolkte dagen en ’s nachts de tijd worden afgelezen. Door toevoer en afvoer van water in een reservoir veranderde de hoogte van de waterspiegel en hier werd het verstrijken van de tijd afgeleid. Overigens vonden Islamitische geleerden gedurende de Middeleeuwen een zonnewijzer uit die de onvolkomenheid van niet constante uren vanwege de veranderingen van het seizoen elimineerde. De astronoom en wiskundige Abu’l-Hasan Ibn al-Shatir lukte het in 1371 door een verticale zuil die parallel aan de aardas te plaatsen, schaduwen te produceren die gelijke uren voor elke dag van het jaar toont. Rond 1445 werd dit principe overgenomen door West-Europese klokkenbouwers.
Mechanische revolutie
De gerestaureerde oudste mechanische klok ter wereld in de kathedraal van Salisbury
Om de ongrijpbare tijd door schaduw en water te vervangen werd in 1386 de eerste mechanische klok geproduceerd en geplaatst in de kathedraal van het Engelse Salisbury. Met behulp van tandwielen en gewichtjes kon men een klok met een wijzer laten draaien. Het grote streven was een zo accuraat mechanisme bouwen en dat viel nog niet mee. Alle onderdelen werden namelijk met de hand gemaakt en waren allemaal verschillend. Een industriële standaard was er niet. Er werden in de vroege 18e eeuw wel uurwerken gemaakt om mee te kunnen navigeren op zee – zogenaamde scheepschronometers – maar dat waren zeer kostbare, grote klokken die niet in grote series vervaardigd konden worden. Voor de gewone man bleef de tijd giswerk.
De baanbrekende Harrison H1 Marine Chronometer uit 1737
15 minuten per dag
Pas toen de Industriële Revolutie vanaf 1750 losbarstte, werden in grote serie klokken en zakhorloges gemaakt. Eind 19de eeuw maakte een zekere Roskopf een uurwerk volgens het lopende band principe. Het zakhorloge-uurwerk voor de gewone man werd in massa gemaakt met een relatief klein prijskaartje. Pas begin 20e eeuw werd het polshorloge de standaard. De nauwkeurigheid ging inmiddels met reuzenstappen vooruit. Was een afwijking van 15 minuten per dag bij het begin van de 20e eeuw nog acceptabel, in het midden van de 20e eeuw was de afwijking nog maar 15 seconden per dag.
Een industrieel vervaardigd Roskopf zakhorloge
Luchtdicht verpakte tijd
Ondanks de evolutie waren massaproductie en de opperste graad van nauwkeurigheid geen gelukkig huwelijk. De wens om de tijd zo nauwkeurig mogelijk te vangen in een mechanisch uurwerk is altijd werk geweest voor specialisten en kostbaar bovendien. Om de ontwikkeling te stimuleren werden speciale wedstrijden gehouden. Wie maakt het meest accurate uurwerk? Lange tijd was het een prestigieuze competitie, maar toen op Eerste Kerstdag 1969 het eerste quartz horloge ten tonele verscheen, werd die competitie eigenlijk nutteloos. Een quartz-uurwerk heeft een kristalletje dat is verpakt in een luchtdicht doosje die door een zwakke elektrische stroom aan het trillen wordt gebracht, een geheimzinnig en revolutionair gebeuren.
Het eerste quartz horloge ter wereld, de Astron van Seiko uit 1969
Trillende nauwkeurigheid
Die constante trilling is waar het allemaal om draait; voor alle soorten uurwerken. Dat kan dus een mechanische slinger zijn in een klok of een trillend kristalletje in een quartz-uurwerk. Hoe sneller de trilling, hoe preciezer de tijd wordt weergegeven. Mechanische uurwerken hebben last van wrijving, zwaartekracht en temperatuur en dus wordt op een gegeven moment de absolute topsnelheid van de trilling (het tikken van het uurwerk) bereikt. TAG Heuer heeft een mechanische chronograaf die tot 1/1000e van een seconde nauwkeurig tikt. De TAG Heuer Mikrotimer Flying 1000 tikt 3,6 miljoen keer per uur en dat is 125 keer sneller dan een traditionele mechanische chronograaf. Dat hele snelle tikken kost echter zo veel energie dat de veer om de haverklap moet worden opgewonden en de slijtage aan het uurwerk is ook angstaanjagend. Vergelijk het maar met een scherp getunede Formule 1 motor die gebruikt wordt in de middenklasser van een forens; dat gaat niet lang goed.
Hypersnelle trillingen zijn het werkterrein van quartz-uurwerken en atoomklokken. De eerste quartz-horloges van eind jaren ’70 hadden een trilling van 16.384Hz en later wordt de standaard 32.768 Hz. Laten we even uitrekenen hoe het werkt met trillingen en de tijd. Deel 32.768 vijftien maal door twee en je komt uit bij één: 1 seconde. Een doorsnee mechanisch uurwerk tikt drie maal per seconde, een doorsnee quartz uurwerk ‘tikt’ 32.768 maal per seconde en daardoor is een quartz uurwerk altijd nauwkeuriger dan een mechanisch horloge.
Niet te bevatten afwijkingen
Een vroege atoomklok in het Engelse National Physics Laboratory (NPL)
De overtreffende trap van quartz is de atoomklok. De eerste atoomklok werd ontwikkeld door de Amerikaanse Isidor Isaac Rabi (1898-1988) van de Columbia University en hij ontving de Nobelprijs voor deze ontwikkeling in 1944. De nauwkeurigste atoomklokken maken gebruik van de trillingen van elektronen in cesium-atomen en deze trillingen zijn zo constant dat de afwijking van een dergelijke klok eigenlijk niet meer te bevatten is. De meest nauwkeurige cesiumklok ter wereld staat in het Engelse National Physics Laboratory (NPL) waar in 1955 ook de eerste cesiumklok werd gebouwd. De Engelse cesiumklok zal na 138 miljoen jaar slechts één seconde uit de pas lopen. Wereldwijd zijn er driehonderd van zulke cesiumklokken die samen bepalen hoe laat het precies is. Maar het kan nóg nauwkeuriger! Door andere soorten atomen, zoals kwik of aluminium te gebruiken in plaats van cesium. Recordhouder is een aluminiumklok van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST). Deze klok is zo nauwkeurig dat wanneer deze sinds de oerknal zou hebben getikt, de afwijking vandaag de dag nog geen vier seconden zou zijn van de echte tijd die is verstreken.
De aluminium klok in het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology oogt niet echt als een klok
Kernenergie om de pols
Probleem is dat atoomklokken niet om de pols gedragen kunnen worden. Alhoewel… De Bathys Cesium 133 Atomic Watch is het eerste, op een atoomklok gebaseerde polshorloge ter wereld. Het eerste werkende exemplaar werd op 28 september 2013 gepresenteerd. De Cesium 133 bevat een atoomklok ter grootte van een chip met een cesium slinger die elke seconde in precies 9.192.631.770 vibraties van het cesium atoom verdeeld. Het horloge wijkt per duizend jaar slechts één seconde af. Via Kickstarter werden alle 10 exemplaren binnen zestig uur uitverkocht.
Bathys Cesium 133 Atomic Watch
De tijdseinzender bereikt je overal
Gelukkig zijn er voor mensen die huiveren van kernenergie om de pols terecht bij horloges die GPS-signalen kunnen ontvangen van satellieten die drie of vier atoomklokken aan boord hebben. Die klokken houden de de tijd tot op de nanoseconde nauwkeurig bij. Een andere toepassing van de atoomklok is een tijdseinzender, zoals DCF77 in Duitsland, die in West-Europa veel wordt gebruikt voor het synchroniseren van wekkers, horloges, stationsklokken, verkeerslichten enzovoort. Het tijdseinsignaal van DCF77 wordt afgeleid van een aantal atoomklokken. De atoomklokken op de locatie in Mainflingen worden regelmatig gesynchroniseerd met de atoomklokken van de PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, een soort Duitse KNMI) in Braunschweig.
En? Wat heeft de voorkeur, zonne- of atoomenergie of ouderwetse mechanische energie in een modern jasje? De mens heeft de tijd zo praktisch weten te verpakken dat te laat komen sowieso geen excuus meer is.
DCF77 is een tijdseinzender die vanuit Mainflingen in Duitsland via de lange golf op een frequentie van 77,5 kHz met een vermogen van 50 kW een signaal uitzendt
Voor meer informatie zie onder andere: http://www.npl.co.uk/ , https://www.nist.gov/ , www.seiko.com , www.tagheuer.com , www.longines.com
