Prezentacja programu PowerPoint

ZEGARY
CZAS
Pojęcie czasu narodziło się zapewne jeszcze w czasach
prehistorycznych. Ludzie musieli znać najdogodniejsze pory do
łowiectwa i rybołówstwa, a potem, gdy przeszli do życia
osiadłego – pory siewu i zbioru. Pomiar czasu potrzebny im był
do zaopatrzenia się w zasoby żywnościowe.
ZEGAR
to przyrząd służący do mierzenia czasu. W starożytności
używano głównie zegarów słonecznych i klepsydr
piaskowych lub wodnych. Stosowano również zegary
ogniowe, które mierzyły czas długością spalającego się
knota lub ilością wypalonej oliwy.
GNOMON
Gnomon (wskazówka zegara słonecznego) – jest to
jeden z najstarszych i najprostszych przyrządów
astronomicznych. Jest to najczęściej odpowiednio
osadzony pręt (kolumna, pionowy słup lub kijek wbity
w ziemię), którego cień wskazuje położenie Słońca.
Długość i kierunek cienia gnomonu wyznaczają
wysokość i azymut słońca.
Gnomony budowano w cywilizacjach starożytnego
Wschodu (Egipcie, Mezopotamii, Chinach, Indiach),
od ok. 3 tys. lat p.n.e. Wznoszone na placach
publicznych, stanowiły prawzór zegarów publicznych.
Dzień w lecie i noc w zimie miały dłuższe godziny.
Godziny nie były zatem stałymi jednostkami
czasowymi.
Podziały doby na 8, 12, 24 godziny.
Z czasem zastąpiono pionowy pręt gnomonu
wskazówką równoległą do osi Ziemi.
Namibia (4000 r.p.n.e)
ZEGAR SŁONECZNY…
Pojawia się 3000 roku p.n.e. w cywilizacjach
dalekiego Wschodu,
Zegar wyskalowany w godzinach, określający czas na
podstawie pozycji słońca, przez wskazanie kierunku, z
którego pada światło
Wskazówka stacjonarnego zegara słonecznego na
półkuli północnej jest wymierzona w Gwiazdę
Polarną, z tego powodu pod różnymi szerokościami
geograficznymi tworzy różny kąt w stosunku do
płaszczyzny tarczy. Dzięki temu zegar wskazuje
dokładny czas niezależnie od pory roku. Odległości
kątowe pomiędzy godzinami na tarczy zegara nie są
jednakowe, ale godzina 12 skierowana jest na
północ, a godziny 6 i 18 odpowiednio na zachód i
wschód. Zegar słoneczny mierzy czas w dzień. Jego
nocnym odpowiednikiem jest zegar księżycowy
czasem stanowiący z nim jedną całość.
…ZEGAR SŁONECZNY
Mówiąc o zegarach słonecznych mamy jednak do czynienia z czterema
wielkościami: godziną, datą, kierunkiem północ-południe i szerokością
geograficzną. Okazuje się, że przy pomocy odpowiednio dobranych
podziałek można wyznaczyć dowolne dwie spośród tych wielkości
znając dwie pozostałe.
JAK DZIAŁA ZEGAR RÓWNIKOWY?
Najstarszy zegar
słoneczny odnaleźli
szwajcarscy archeolodzy
badający Dolinę Królów w
Egipcie. Jego
pochodzenie datuje się na
ok. XIII wiek p.n.e.
Znalezisko wskazuje na to,
że dzień u Egipcjan trwał
12 godzin, co potwierdza
tezy uczonych, że z Egiptu
wywodzi się system 24
godzinny.
WYKORZYSTANIE ZEGARA
SŁONECZNEGO DZIŚ
Zegary słoneczne dziś nie pełnią
już tak ważnej funkcji jaką pełniły
wcześniej. Stare zegary służą jako
zabytki w muzeach, zaś nowe
budowane są jedyne na wzór
zazwyczaj w dużych miastach, na
szlakach turystycznych np. Stare
Miasto. Są również
wykorzystywane jako ozdoba
ogrodowa, koszt takiego zegara
nie jest mały lecz dla kogoś z
pieniędzmi jest traktowany jako
„gadżet” i przedmiot na pokaz.
ZEGAR KSIĘŻYCOWY
Odpowiednik zegara słonecznego.
Cień rzucany przez księżyc pada na
powierzchnię z odpowiednimi oznaczeniami
umożliwiającymi odczytanie aktualnej godziny.
Zegar księżycowy wskazuje poprawną godzinę
tylko przy pełni księżyca.
Każda noc po pełni księżyca daje 48 minut
opóźnienia, zaś każda noc przed pełnią
powoduje, że zegar spieszy o 48 min. Co w
tygodniu daje śpieszenie się lub opóźnieniem
zegara o 5 godz. 36 min.
Z czasem powstały bardziej zaawansowane
zegary księżycowe uwzględniające te
przesunięcia i dające możliwość odczytania
czasu nie zważając na pory księżycowe.
Zegar księżycowy na
Uniwersytecie Cambridge
STONEHENGE
Kromlech – kamienny krąg
2900 p.n.e. – 1600 p.n.e.
Oś budowli wskazuje wschód Słońca w okresie przesilenia letniego
oraz kierunek zachodu Słońca podczas przesilenia zimowego.
Jeżeli stanęło się w ich środku, to można było określić porę roku na
podstawie tego, zza którego głazu wzeszło, lub za który zaszło
Słońce.
Można było przewidywać zaćmienie księżyca, wyznaczać daty
przesilenia dnia z nocą czy mierzyć przesuwanie się Słońca
względem gwiazd.
STONEHENGE
ZEGARY OGNIOWE
Mierzyły czas długością spalającego się knota lub
ilością wypalonej oliwy
W Chinach zegar taki stanowiła świeca wykonana
np. za sproszkowanej kory drzewnej, wymieszanej ze
smołą, zawierająca na powierzchni odpowiednią
podziałkę. Świeca spalała się dość równomiernie,
znacząc na podziałce bieg czasu.
Niekiedy do świec dodawano pręciki sporządzane z
wonnych kadzideł, które sygnalizowały
poszczególne okresy czasu odpowiednim,
właściwym im zapachem.
Czasem w określonych miejscach zawieszano na
pręcie kulki metalowe, które przy spalaniu się pręta
spadały do porcelanowej wazy, wydając głośny
dźwięk — tak powstał budzik ogniowy.
ZEGARY WODNE
Zwyczajne naczynia (specjalnie wyprofilowane), przez które
równomiernie wyciekała woda.
Odcinek czasu, jaki mijał, zanim naczynie opróżniło się
całkowicie, stanowił jeden okres.
Po jego upływie naczynie napełniano ponownie.
W celu przedłużenia pomiaru, stosowano często kilka takich
naczyń: trzy, cztery.
Pojawiły się w Chinach prawdopodobnie już około 2700 p.n.e. Ale
do Reszty świata zawędrowały o wiele później.
Doba dzieliła się na 12 okresów dwugodzinnych, tzw. „Ke”.
Pływak unoszący nad sobą sztabkę z podziałką. W miarę
wypływania wody pływak opadał wraz ze sztabką, podziałka jej
zaś wskazywała czas.
ZEGARY WODNE, A BUDZIKI
W III wieku p.n.e. Ktesibios z Aleksandrii skonstruował udoskonalony zegar
w którym dzięki pomysłowemu układowi trzech naczyń oraz zastosowaniu
samoczynnego regulatora przepływu wody uzyskał stałą, równomierną
prędkość jej przepływu.
Woda wlewała się do naczynia, w którym znajdował się pływak,
podnoszący się wraz z jej poziomem. Kolumna zegara zawierała szereg
oddzielnych podziałek godzinnych, właściwych dla kolejnych dni roku.
Raz na dobę obracała się ona o odpowiedni kąt, dzięki czemu
wskazująca laseczka pływaka poruszała się zawsze wzdłuż podziałki,
przypadającej na dany dzień. Umieszczona na pływaku figurka
wskazywała na obracającym się bębnie odpowiednią dla danego dnia
godzinę.
Ktesibios wyposażył ponadto swój zegar w rozmaitą dźwiękową i wizualną
sygnalizację - budzik - upływu godzin, uruchamianą za pomocą
skomplikowanego mechanizmu złożonego między innymi z kół zębatych.
ZEGARY WODNE
Starożytny egipski zegar wodny
Starożytny perski zegar wodny
ASTROLABIUM
Wynalezienie najprawdopodobniej przez
Hipparcha w starożytnej Grecji
Początkowo składał się on z kilku
drewnianych kręgów, później
mosiężnych, miedzianych, a także
srebrnych.
Był to model rzutu nieba na powierzchnię
płaską, pokazuje on pozycję obiektów
na niebie w danym czasie lub danego
dnia.
Czas określano w dzień na podstawie
obserwacji Słońca oraz w nocy na
podstawie obserwacji gwiazd.
Podstawową częścią astrolabium była mosiężna płyta, na której wyryto linie
wysokości ciała niebieskiego nad horyzontem, linie azymutu i koła godzinne.
Przez środek płyty przechodziła linia oznaczająca północny biegun nieba.
ZEGAR PIASKOWY
W średniowiecznej Europie zaczęto stosować
klepsydry piaskowe. Miały one bardzo prostą
konstrukcję i nie wymagały wiedzy
matematycznej, ani astronomicznej.
Stosowano je w kościołach i katedrach.
Później kilka klepsydr łączono w jeden zegar,
każda z nich wskazywała inny okres czasu.
Zaczęto zaopatrywać klepsydry w podziałki
minutowe i sporządzać zegary piaskowe o
krótszym upływie czasu.
W roku 1660 wynaleziono tzw. mechaniczną
klepsydrę piaskową, która odwracała się
samoczynnie gdy tylko dolna jej część
została zapełniona.
ZEGAR KOŁOWY
W połowie XIV wieku w miastach
włoskich pojawiły się wielkie zegary
mechaniczne. Najpopularniejszymi tego
typu były zegary z napędem
ciężarkowym, w którym jako
obciążników używano kamieni. Ich
charakterystyczna cechą stanowiły
mechanizmy bicia, których ciężar
przekraczał 500 kg.
Zegary te umieszczano jedynie na
wieżach. Wadą tych zegarów była mała
dokładność.
W początku XVI wieku Peter Henelein z
Norymbergi skonstruował pierwsze
zegary poruszane sprężyną. Zegary te
zwalniały w miarę rozkręcania sprężyny,
ale były małe i mogły leżeć na stole, a
nie wisieć na wieży.
ZEGAR WAHADŁOWY
Zegar mechaniczny wykorzystywał wahadło
jako regulator chodu do odmierzania czasu.
Do wskazywania czasu w zegarach
wahadłowych wykorzystuje się wskaźnik
analogowy w postaci tarczy i wskazówek.
Zegar wahadłowy napędzany jest zazwyczaj
siłą grawitacji (obciążnik na lince), sprężyną
lub elektromagnesem.
W roku 1656 Huygnes zbudował pierwszy zegar
wahadłowy. Wskazywał dokładność 1 minuty
na dobę, późniejsze doskonalenia
doprowadziły do dokładności około 10 sekund
na dobę.
Zaletą zegara wahadłowego jest fakt, że okres
drgań wahadła można regulować, niezależnie
od mechanizmu napędowego samego zegara.
ZEGAR KWARCOWY
Działanie zegara kwarcowego opiera się
na zjawisku piezoelektrycznym.
Zasilany z baterii kryształ kwarcu drga z
częstotliwością 215 = 32768 Hz. Drgania
wytwarzają impulsy elektryczne, które
przechodzą przez zespół dzielników
częstotliwości.
Każdy dzielnik zmniejsza częstotliwość o
połowę, by w rezultacie - po piętnastu
podziałach - otrzymać jeden impuls na
sekundę.
Zegar kwarcowy został wynaleziony
w 1927 przez Anglika Warrena
Marrisona.
Przez następne trzy dekady zegary
kwarcowe były wykorzystywane
jedynie w laboratoriach, co było
spowodowane dużymi rozmiarami i
konstrukcją podatną na
uszkodzenia.
W 1932 roku zegary kwarcowe były
wystarczająco dokładne by
zmierzyć niewielkie tygodniowe
zmiany w tempie obrotu Ziemi.
ZEGAR PULSAROWY
Zegar, którego działanie opiera
się na zliczaniu impulsów fal
radiowych emitowanych z dużą
regularnością okresu przez
pulsary.
W szczególności wykorzystanie
pulsarów o milisekundowym
okresie emisji pozwala na
zbudowanie stabilnie
działających zegarów o dużej
dokładności, jednak wymaga
to skorygowania naturalnie
występujących nieregularności
emisji.
Pierwszy na świecie zegar pulsarowy został zainstalowany w Gdańsku, w
kościele pw. św. Katarzyny Aleksandryjskiej w 2011 roku. Zegar kosztował
około 450 tysięcy złotych.
W momencie jego instalacji był to najdokładniejszy zegar na świecie oraz
pierwszy, który rejestruje upływ czasu opierając się na źródle sygnałów
spoza Ziemi. Sygnał pulsarowy umożliwi dziesięciokrotną poprawę
dokładności zegarów atomowych. Pulsarową skalę czasu można
wykorzystać np. do stworzenia sieci pozycjonowania GPS, niezależnej od
kosztownego w utrzymaniu systemu satelitów.
Czasomierz działa w oparciu o odbiór impulsów pulsarowych przez anteny
dipolowe przeznaczonego do tego celu radioteleskopu (interferometru)
zainstalowanego na dachu kościoła. Zegar składa się z radioteleskopu
wyposażonego w 16 anten, które odbierają sygnały od sześciu wybranych
pulsarów. Anteny ustawione są w macierz o wielkości cztery na cztery
metry. Sygnały z anten są wzmacniane, następnie filtrowane i przetwarzane
cyfrowo na system sekundowy.
ZEGAR ATOMOWY
Rodzaj zegara, którego
działanie opiera się na
zliczaniu okresów
atomowego wzorca
częstotliwości. Wczesne
zegary atomowe były
maserami z dołączonym
oprzyrządowaniem.
Współcześnie
najdokładniejsze zegary
atomowe bazują na
bardziej zaawansowanej
fizyce, np. na związkach
cezu.
Dokładność takich zegarów dochodzi do 10-15, co oznacza 10-10 sekundy (1/10
nanosekundy) na dzień. Zegary te utrzymują ciągły i stabilny czas TAI (z fr. Temps
Atomique International). W zastosowaniach cywilnych używa się innej skali czasu – UTC
(z ang. Coordinated Universal Time). Czas ten jest obliczany na podstawie czasu TAI z
uwzględnieniem obserwacji astronomicznych, które wymagają okresowej korekcji o
tzw. sekundę przestępną (skokową).
W amerykańskim Narodowym Instytucie Standardów i
Technologii (NIST) powstał najbardziej dokładny zegar
świata. Zegar może wykazać niedokładność rzędu 1
sekundy raz na 31 miliardów lat.
Urządzenie wykorzystuje laser i lustra, które pozwalają
na złapanie atomów w pułapkę. Atomy muszą być
nieruchome, by uniknąć jakiejkolwiek interferencji,
która zakłóca pracę innych zegarów atomowych.
Następnie pułapka jest wypełniana atomami iterbu.
Później drugi laser mierzy drgania tych właśnie atomów.
Zbudowanie najdokładniejszego zegara świata rodzi
problem z określeniem jego dokładności. Aby temu
zaradzić uczeni z NIST stworzyli drugi taki zegar i
uruchomili oba, by sprawdzić, czy identycznie
odmierzają one jednostki czasu.
Okazało się, że tak. Jednym z pierwszych zadań, które
zostanie postawione przed nowym urządzeniem będzie
pomiar grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni, czyli
zjawiska polegającego na tym, że światło w polu
grawitacyjnym traci energię, a zatem zwiększa się
długość fali. Uczeni twierdzą, że dzięki nowemu
zegarowi możliwe będzie zmierzenie wysokości nad
poziomem morza z dokładnością do 1 cm.
W sierpniu 2004, uczeni z amerykańskiego
National Institute of Standards and Technology
(NIST) zademonstrowali miniaturowy zegar
atomowy: właściwa część zegara – komora z
cezem – ma wielkość ziarna ryżu: średnicę
1,5 mm i długość 4 mm.
Cały układ (komora wraz z oprzyrządowaniem:
diodą laserową, polaryzatorami, fotodiodą)
zajmuje objętość około 1 cm³, a więc
porównywalną z układami zegarów
kwarcowych.
Jego dokładność jest jednak tysiąckrotnie
wyższa niż zegarów kwarcowych: wynosi jedną
dziesięciomiliardową (10-10), co oznacza
dopuszczalne odchylenie w postaci 1 sekundy
w ciągu 300 lat.
Prezentację przygotowali:
Uczniowie kl. IIB
Koordynatorzy projektu:
Cezary Jackiewicz
Tomasz Murawski