Hodinový strojek

Strojek Quartz - hodiny: fungování a historie

Quartzový strojek, který přináší přesnost, jež nemá v historii "zachycování" a zobrazování času obdoby, způsobil revoluci v hodinářském průmyslu. Převrátil náš život naruby, protože nyní bylo konečně možné mít přesný čas v každodenním životě.

Abychom pochopili, do jaké míry tento quartzový strojek způsobil revoluci ve světě, podíváme se na to v tomto článku:

• Jak funguje quartzový strojek.
• Historie quartzového strojku.
• Křemenný strojek vs. mechanický strojek.

1) Jak funguje quartzový strojek, fungování a vlastnosti křemene

Fungování mechanismu využívajícího quartzový strojek je velmi jednoduché. Při elektrickém podnětu začne křemen díky svým piezoelektrickým vlastnostem kmitat s přesnou frekvencí. Tato dobře kalibrovaná frekvence trvá přesně jednu sekundu, a proto ji hodináři velmi snadno využívají ke konstrukci extrémně přesných hodin. K dosažení této kýžené frekvence se křemen rozřeže na lamelu, která se pak umístí do cínové trubičky, aby byla chráněna.

Jak funguje a jak se používá v hodinářství, závisí také a především na režimu zobrazení, digitálním nebo analogovém.

2) Quartzový strojek a digitální displej

Hodiny ,nebo hodinky s digitálním displejem lze velmi jednoduše ovládat pomocí vlastností křemene. Zdrojem energie je baterie, která bude vysílat impulsy do křemene. Tento impulz vytvoří vibrace, které se přenášejí na čip instalovaný v mechanismu. Tento čip pak dekóduje všechny přijaté vibrace a řekne displeji, aby se každou sekundu zvětšil o jeden zvuk a pak každých 60 sekund o jednu minutu atd....

3) Quartzový strojek a analogový displej

U analogového displeje je to trochu delší a složitější. Baterie, stejně jako u digitálního displeje, vyšle do quartzového strojku impuls, který jej rozkmitá a pošle do čipu. Čip tentokrát vyšle elektrický impuls do cívky patřící krokovému motoru.

4) Krokový motor

Marius Lavet je vynálezcem krokového motoru z roku 1936, tento motor se skládá z:

• Cívky
• Statoru
• Magnetického rotoru

Při otáčení magnetu ve válci vzniká elektrický proud. Na stejném principu funguje i opačný princip, tj. vyvoláním elektrického proudu v cívce se následně vytvoří elektrický proud.

Na tomto principu funguje krokový motor! Rotor je zmagnetizován, do cívky pak zavedeme elektrický proud, který ve statoru vytvoří magnetický proud, jehož výsledkem je poloviční otáčení rotoru. Poté se vyšle elektrický proud v opačném směru, aby se ve statoru obrátila polarita, což způsobí, že rotor provede plnou otáčku. Pohyb rotoru se pak přenáší na ozubená kola, která zajišťují činnost křemenného mechanismu.

Bonus: Pokud na hodiny nebo hodinky připevníte stator vzhůru nohama, bude běžet vzhůru nohama.

Historie a vynález quartzového strojku, tvůrci a první předměty

Piezoelektrický efekt křemene vynalezli, či spíše objevili, dva francouzští bratři: Pierre a Jacques z velmi slavné rodiny Curieových (světově proslulé zejména díky práci, kterou Pierre a jeho žena Marie Curieová prováděli v oblasti radioaktivity).

Tento piezoelektrický jev se projevuje, když se určité krystaly (v našem případě křemen) stlačí, což způsobí, že uvnitř těchto krystalů začne kolovat elektřina. Platí to i obráceně: prochází-li křemenem elektřina, začne křemen vibrovat sem a tam. Vědecká definice piezoelektřiny je následující:

Piezoelektřina (nazývaná také piezoelektrický jev) je vznik elektrického potenciálu (jinými slovy napětí) po stranách krystalu, pokud jej vystavíte mechanickému namáhání (stlačení).

V praxi se krystal stává jakousi malou baterií s kladným nábojem na jedné straně a záporným nábojem na straně druhé. Proud teče, pokud obě strany spojíme dohromady a vytvoříme obvod. Při inverzním piezoelektrickém jevu je krystal vystaven mechanickému napětí (tvarové deformaci), když na jeho protilehlé strany přivedeme napětí.

Hromadné uvádění na trh a použití

V roce 1927 Waren Marrison a J. W. Horton z Bellových laboratoří představili první hodiny, které pracovaly s křemenným strojkem: Crystal clock.

Tyto první křemenné hodiny, které měly velikost skříňky, pracovaly na základě využití oscilace křemene způsobené piezoelektrickým účinkem, přičemž tato elektrická oscilace umožňuje vytvořit velmi přesný signál při zachování stejné frekvence. To umožňuje počítat vteřiny a vytvářet tak mimořádně přesné hodiny a hodinky.

První hodinky pracující s tímto křemenným mechanismem sestrojila společnost Seiko. Pro svou jednoduchost tvorby, přesnost a nižší cenu se quartzový strojek rychle stal nejrozšířenějším prvkem v hodinkách. Navíc téměř všechny naše nástěnné hodiny pracují s quartzovým strojkem. Tyto první hodinky byly v době svého vzniku nesmírně drahé, mít tak přesné hodinky bylo v té době známkou velkého bohatství.

Další předměty využívající křemen

V dnešní době existuje nespočet předmětů denní potřeby využívajících quartzový strojek. Původně všechny předměty používané jako časomíry: hodiny, náramkové hodinky, dokonce i některé kyvadlové hodiny používají quartzový strojek, aby byla zachována estetika hodin a zároveň optimalizována spolehlivost zobrazení času. Také chronometr používá quartzový strojek. Díky piezoelektrickému efektu a nízké ceně se křemen hojně používá k výrobě oscilátorů. Z tohoto minerálu se vyrábí mnoho dalších předmětů, světová produkce křemene pro elektronické účely dosahuje dvou miliard ročně.

Křemenný pohyb vs. mechanický pohyb

Všichni víme, že hodiny udržují a ukazují čas, ale přemýšleli jste někdy, jak to dělají? Nejjednodušší hodiny, které si můžete vyrobit, jsou pravděpodobně mluvící hodiny. Pokud budete počítat vteřiny opakováním věty, jejíž vyslovení trvá přesně jednu vteřinu (například "slon jedna", "slon dvě", "slon tři"...), zjistíte, že čas můžete měřit poměrně přesně. Vyzkoušejte si to. Říkejte slony od jedné do šedesáti a sledujte, jak udržíte čas déle než minutu, ve vztahu k hodinkám. Není to špatné, co říkáte? Problém je, že většina z nás má celý den na práci lepší věci než říkat "slon". Proto jsme rádi, že jsme vynalezli hodiny.

Mechanický strojek

První hodiny používaly mechanické strojky ještě předtím, než se objevil quartzový strojek. V tehdejším hodinářském průmyslu se k měření času většinou používaly kyvadlové hodiny. Kyvadlo je dlouhá tyč nebo závaží na provázku, které se kýve dopředu a dozadu. V roce 1583 italský fyzik Galileo Galilei (1564-1642) zjistil, že kyvadlu určité délky trvá vždy stejnou dobu, než se rozhoupe tam a zpět, bez ohledu na jeho hmotnost nebo velikost. Uvědomil si to, když pozoroval obrovskou lampu, která se houpala na řetězu ze stropu katedrály v italské Pise a pomocí pulsu měřil její pohyb tam a zpět. V hodinách je funkcí kyvadla nastavovat rychlost ozubených kol (ozubená kola s vybroušenými zuby). Rychlosti počítají počet uběhlých sekund a převádějí je na minuty a hodiny, které se zobrazují na ručičkách, jež obíhají číselník. Jinými slovy: ozubená kola hodin počítají pouze slony. Otevřená skříň velkých dědečkových hodin ukazující kyvadlo kývající se uvnitř. Kyvadlo si můžete vyrobit tak, že na kousek provázku připevníte závaží. Pokud je provázek dlouhý asi 25 cm, kyvadlo se zhruba jednou za sekundu rozhoupe tam a zpět. Kratší provázky budou kývat rychleji a delší pomaleji. Tento mechanismus navíc používají kukačkové hodiny.

Omezení tohoto strojku

Problémem hodin využívajících mechanické mechanismy, jako jsou kyvadlové hodiny, je, že se kontinuální kyvadlo zastaví. Odpor vzduchu a tření brzy vyčerpají jeho energii a zastaví ho. Proto mají kyvadla pružiny. Přibližně jednou denně se uvnitř hodin natáhne pružina, která uchová potenciální energii potřebnou k tomu, aby kyvadlo běželo dalších 24 hodin. Jak se pružina odvíjí, pohání ozubená kola uvnitř hodin. Prostřednictvím naklápěcího mechanismu zvaného escapement kyvadlo nutí ozubená kola otáčet se přesnou rychlostí, a tak ozubená kola udržují čas. Kapesní hodinky jsou samozřejmě příliš malé na to, aby v nich bylo kyvadlo, a proto používají jiný mechanismus. Místo kyvadla mají kyvadlo, které se otáčí nejprve jedním směrem a pak druhým, ovládané smykadlem, které je mnohem menší než kyvadlo.

Výhody quartzového strojku

Hodiny, které pracují s křemenným strojkem, všechny tyto problémy řeší. Jsou napájeny bateriemi, a protože spotřebovávají málo elektřiny, baterie často vydrží několik let, než ji budete muset vyměnit. Jsou také mnohem přesnější než kyvadlové hodiny. Quartzové hodinky fungují zcela odlišným způsobem než běžné hodiny a hodinky. Stále mají v sobě ozubená kolečka, která počítají vteřiny, minuty a hodiny a posouvají ručičky po ciferníku. Místo kmitajícího kyvadla nebo pohyblivé váhy jsou však převody regulovány malým křemenným krystalem. Gravitace se na převodech vůbec neprojevuje, takže křemenné hodiny ukazují čas jak při výstupu na Everest, tak na moři.